從分離器件到集成系統：淺談一下「微電子」內涵與外延的變化。

來自專欄 半導體行業觀察

5月1日，我開了人生第一次Live，也算是人生第一次直播。和做MooC不同，Live這種直播可真的是「現場直播」啊。廣大聽眾們都在那裡聽著呢。Live一開始還遇到點問題，因為我手機上的知乎APP一直有問題。我的電腦又沒有麥，我的MacBook有麥而且效果很好吧，沒有裝Chrome。最後Live差點流產，好在重新安裝APP後問題解決。

在這次Live中我談了很多關於對集成電路尤其是數字集成電路電路的看法，有朋友評論是我知乎回答、博客文章以及知乎評論的大總結。本來想這Live開完了，也就完了，大家愛聽就聽不愛聽嘛也可以退款（知乎這政策我一直是昏的，所以到底怎麼付款退款我完全不知道）。但沒想到今天一件事讓我覺得還是可以把Live講的內容來寫個文章討論討論的。

這什麼事呢？今天收到了學院教務科的電話問我是否願意報「骨幹教師」。我愣了一下，覺得「骨幹教師」這幾個字離我已經非常的遙遠了。我連忙問是不是搞錯了，我報什麼「骨幹教師」？教務的老師問我能不能申報「微電子科學與工程」的骨幹教師。我想我一個學通信的，承蒙原微固學院收留，能在集成電路領域做一點微小的工作就不錯了。我一個學通信的，半導體物理、微電子器件啥的都沒學過…當然，最後教務的老師還是對我的決定表示理解。

掛完電話以後我就在想，我一個學通信的，怎麼現在就到微電子學與固體電子學來搞與計算機系統結構相關的研究了呢？想來想去，感慨萬千啊。不由得想起了我在Live裡面講的一個部分，想想把這部分寫個文章分享一下吧。

先上個圖：

曾經微電子也好半導體也好，更多的是指的一種特定的元器件。無論是二極體、三級管、運算放大器還是中小規模的集成電路（當時更多）在多數情況下都只是具有一定功能的「元件」，是電路的一個組成部分而非電路本身。更多的電路設計是在電路板這樣一個層級的來完成的。電路的設計者利用各種各樣的元器件，例如電感、電容、變壓器線圈甚至一些機械結構（當然也包括各種半導體的元器件），在電路板上面「搭建」出具有一個完整功能的電路。上圖的左邊是各做曾經的半導體元器件，而右邊則是曾經的電路板。研究如何用各種電子元器件在電路板上面構造出一個功能電路的學科叫做「電路與系統」，曾經這是一個非常重要和關鍵的學科。

所以，那個時候的半導體/微電子關注的核心問題更多的是在半導體材料商如何製造出這種元器件，通過關注微觀層面的電子運動在製造過程中控制這種元器件的各種參數、良品率等等。而如何利用這種元器件來完成各種電路並實現不同的功能並不在半導體/微電子的關心範疇。

但是後來，由於半導體的發展有「摩爾定律」的加持，那麼我們就看到了下面這情況：

如今的集成電路很顯然已經成為了整個電子系統的核心，在超大規模集成電路這個「超級元器件」內部實際上已經實現了大部分甚至整個電子系統的功能。這個時候你說這種系統級晶元是元器件吧，它確實還是由半導體材料按照一定工藝加工出來的元器件。但這個元器件卻已經把系統里大部分功能都實現了。看看上圖右邊那副圖，一個電路板以一個大大晶元為核心，剩下的一些周邊的無源器件做做配角，左邊那長方形的是一塊存儲器晶元。

因此，現在的電路功能其實大部分都在超大規模晶元這樣一個「超級元器件」中完成了。傳統的板級電路設計空間極度萎縮。以前的那種在電路板上研究如何設計電路的方法學也逐漸退出舞台的中心。如今，晶元的設計廠商不但實現了大部分的系統功能，更是「貼心」的提供各種「公版」、「參考設計」以及配套的「底層程序」。這就是所謂的「Turn Key」模式。傳統「電路與系統」的設計方法逐漸退守到了大功率微波電路與電力電子電路這兩個領域。

我簡單的來總結一下我認為的從材料到系統的整個過程，才學淺薄歡迎大家討論補充。首先，是要製備材料，具體到微電子這個領域最核心的材料就是「拉單晶硅」。把單晶硅拉出來以後當然是要切成矽片，然後在這個矽片上面去加工出各種各樣的半導體器件。而利用這些半導體器件的特性，通過各種組合和連接方式可以去組成電路。最後，不同電路的集合之上可以組成實現不同功能的系統。

當然，在這條主線之上還有各種支線。研究如何把材料加工成器件的過程就是「工藝」。其實研究任何材料加工方法和過程的都可以叫工藝。金屬加工、木材加工的各自有各自的工藝。自然半導體器件的加工也有工藝。

用器件搭建電路是利用了器件的物理特性，通過組合不同特性的器件並調整器件的參數最終實現對電信號的處理和變化。但由於器件本身參數過多且變化過程複雜，如果直接從器件的物理公式層面去探討電路設計過於複雜。因此一般需要將器件加以抽象變成一種電路模型。如果學習過《電路》或者《電子線路》的同學都會看到各種各樣的抽象出來的器件模型。而隨著電路設計規模的不斷擴大，單單依靠手工計算已經無法完成複雜的電路設計了，必須依靠計算機輔助。那在模型之上就要增加一個模擬方法來應用這各種各樣的器件模型。最終通過計算機輔助設計和模擬幫助設計和驗證電路設計。

同樣的，電路到系統之間也不是一蹴而就的。依然需要先把電路抽象成一個模型（如濾波器電路，就要抽象成濾波器的數學模型，作為一個功能模塊使用）。然後在基於這些模塊級的模型確定整個系統的組織框架和連接方式，也就是架構設計。最後才能實際的把整個系統實現出來。

為了方便理解，我又去網上找了一張早期程式控制交換機內部的結構圖，希望能幫到大家。圖片來自於網路，侵刪。

大家可以看到，程式控制交換機是由一個大的機箱，內部插了若干個電路板來構成。所以這裡可以可以清楚的看到電路設計和系統設計分工。在我幾乎快忘光的通信領域的知識里依稀還記得，程式控制交換機有什麼用戶板、控制板。設計單板電路的屬於「電路設計」，而規劃整個交換機的整體功能和結構就屬於系統設計的範疇了。

那麼就要要說到這張圖了：

曾經的分工是這樣的。微電子/半導體是研究如何把材料變成各種各樣的半導體/微電子器件。而電路與系統是在研究如何用器件去搭出各種各樣的電路。比如濾波電路、採樣電路、時鐘電路等等……當年我還在上《數模混合集成電路設計》的時候，一位老先生來聽課，和我扯了很久這個課應該怎麼上。我還想老先生年齡那麼大，還挺懂行的啊。後來我的導師告訴我，老先生是當年中國研究數模轉換電路的元老。不過當年他們是用分離元件和運算放大器生生的搭出了一個「數據採集板」。而所謂的整機設備專業（通信、雷達、儀器儀錶等）就是在電路的基礎上研究完整的電子系統硬體以及軟體。

那麼以前我所做的工作在哪裡呢？就在整機設備這一塊從模型到架構的這部分工作。

而現在，學科分工變成了這樣：

由於微電子或者說集成電路已經完成了電路板上絕大部分功能，因此電路板級的設計空間被極大壓縮。電路與系統逐漸「邊緣化」。這是全世界都出現的情況。即便是IEEE的電路與系統學會（Circuits and System Society）也因為分立出了固態電路學會、電子設計自動化分會而已經「空心化」。而整機設備的研究卻在不斷的「軟化」。「軟化」的意思一方面是現在很多整機設備的功能更多的依賴於軟體而非專用硬體來實現。簡單的例子就是多少「小電子產品」被智能手機碾壓過去，變成了智能手機中的一個APP？另一方面是指整機設備現在更多的關注系統的模型和演算法，而非硬體實現了。這兩方面相輔相成。這個問題很大，有機會另外說。

所以，現在微電子/集成電路從內涵和外延上已經極大的擴展，而集成電路的設計者也承擔了原本很大板級電路設計和系統設計需要承擔的工作。同樣，這又對集成電路領域的從業人員自身的知識體系提出了很高的要求。

各位朋友，看到這裡大家應該知道我確實不是謙虛，我這個學通信的今天到了微電子/集成電路這個領域來其實是因為我做的工作已經被納入了集成電路的範疇。

如果想了解我Live的全部內容，也可以點擊收聽：