从分离器件到集成系统：浅谈一下“微电子”内涵与外延的变化

来源：内容来自知乎@其实我是老莫，谢谢。

5月1日，我开了人生第一次Live，也算是人生第一次直播。和做MooC不同，Live这种直播可真的是“现场直播”啊。广大听众们都在那里听着呢。Live一开始还遇到点问题，因为我手机上的知乎APP一直有问题。我的电脑又没有麦，我的MacBook有麦而且效果很好吧，没有装Chrome。最后Live差点流产，好在重新安装APP后问题解决。

在这次Live中我谈了很多关于对集成电路尤其是数字集成电路电路的看法，有朋友评论是我知乎回答、博客文章以及知乎评论的大总结。本来想这Live开完了，也就完了，大家爱听就听不爱听嘛也可以退款（知乎这政策我一直是昏的，所以到底怎么付款退款我完全不知道）。但没想到今天一件事让我觉得还是可以把Live讲的内容来写个文章讨论讨论的。

这什么事呢？今天收到了学院教务科的电话问我是否愿意报“骨干教师”。我愣了一下，觉得“骨干教师”这几个字离我已经非常的遥远了。我连忙问是不是搞错了，我报什么“骨干教师”？教务的老师问我能不能申报“微电子科学与工程”的骨干教师。我想我一个学通信的，承蒙原微固学院收留，能在集成电路领域做一点微小的工作就不错了。我一个学通信的，半导体物理、微电子器件啥的都没学过…当然，最后教务的老师还是对我的决定表示理解。

挂完电话以后我就在想，我一个学通信的，怎么现在就到微电子学与固体电子学来搞与计算机系统结构相关的研究了呢？想来想去，感慨万千啊。不由得想起了我在Live里面讲的一个部分，想想把这部分写个文章分享一下吧。

先上个图：

曾经微电子也好半导体也好，更多的是指的一种特定的元器件。无论是二极管、三级管、运算放大器还是中小规模的集成电路（当时更多）在多数情况下都只是具有一定功能的“元件”，是电路的一个组成部分而非电路本身。更多的电路设计是在电路板这样一个层级的来完成的。电路的设计者利用各种各样的元器件，例如电感、电容、变压器线圈甚至一些机械结构（当然也包括各种半导体的元器件），在电路板上面“搭建”出具有一个完整功能的电路。上图的左边是各做曾经的半导体元器件，而右边则是曾经的电路板。研究如何用各种电子元器件在电路板上面构造出一个功能电路的学科叫做“电路与系统”，曾经这是一个非常重要和关键的学科。

所以，那个时候的半导体/微电子关注的核心问题更多的是在半导体材料商如何制造出这种元器件，通过关注微观层面的电子运动在制造过程中控制这种元器件的各种参数、良品率等等。而如何利用这种元器件来完成各种电路并实现不同的功能并不在半导体/微电子的关心范畴。

但是后来，由于半导体的发展有“摩尔定律”的加持，那么我们就看到了下面这情况：

如今的集成电路很显然已经成为了整个电子系统的核心，在超大规模集成电路这个“超级元器件”内部实际上已经实现了大部分甚至整个电子系统的功能。这个时候你说这种系统级芯片是元器件吧，它确实还是由半导体材料按照一定工艺加工出来的元器件。但这个元器件却已经把系统里大部分功能都实现了。看看上图右边那副图，一个电路板以一个大大芯片为核心，剩下的一些周边的无源器件做做配角，左边那长方形的是一块存储器芯片。

因此，现在的电路功能其实大部分都在超大规模芯片这样一个“超级元器件”中完成了。传统的板级电路设计空间极度萎缩。以前的那种在电路板上研究如何设计电路的方法学也逐渐退出舞台的中心。如今，芯片的设计厂商不但实现了大部分的系统功能，更是“贴心”的提供各种“公版”、“参考设计”以及配套的“底层程序”。这就是所谓的“Turn Key”模式。传统“电路与系统”的设计方法逐渐退守到了大功率微波电路与电力电子电路这两个领域。

我简单的来总结一下我认为的从材料到系统的整个过程，才学浅薄欢迎大家讨论补充。首先，是要制备材料，具体到微电子这个领域最核心的材料就是“拉单晶硅”。把单晶硅拉出来以后当然是要切成硅片，然后在这个硅片上面去加工出各种各样的半导体器件。而利用这些半导体器件的特性，通过各种组合和连接方式可以去组成电路。最后，不同电路的集合之上可以组成实现不同功能的系统。

当然，在这条主线之上还有各种支线。研究如何把材料加工成器件的过程就是“工艺”。其实研究任何材料加工方法和过程的都可以叫工艺。金属加工、木材加工的各自有各自的工艺。自然半导体器件的加工也有工艺。

用器件搭建电路是利用了器件的物理特性，通过组合不同特性的器件并调整器件的参数最终实现对电信号的处理和变化。但由于器件本身参数过多且变化过程复杂，如果直接从器件的物理公式层面去探讨电路设计过于复杂。因此一般需要将器件加以抽象变成一种电路模型。如果学习过《电路》或者《电子线路》的同学都会看到各种各样的抽象出来的器件模型。而随着电路设计规模的不断扩大，单单依靠手工计算已经无法完成复杂的电路设计了，必须依靠计算机辅助。那在模型之上就要增加一个仿真方法来应用这各种各样的器件模型。最终通过计算机辅助设计和仿真帮助设计和验证电路设计。

同样的，电路到系统之间也不是一蹴而就的。依然需要先把电路抽象成一个模型（如滤波器电路，就要抽象成滤波器的数学模型，作为一个功能模块使用）。然后在基于这些模块级的模型确定整个系统的组织框架和连接方式，也就是架构设计。最后才能实际的把整个系统实现出来。

为了方便理解，我又去网上找了一张早期程控交换机内部的结构图，希望能帮到大家。图片来自于网络，侵删。

大家可以看到，程控交换机是由一个大的机箱，内部插了若干个电路板来构成。所以这里可以可以清楚的看到电路设计和系统设计分工。在我几乎快忘光的通信领域的知识里依稀还记得，程控交换机有什么用户板、控制板。设计单板电路的属于“电路设计”，而规划整个交换机的整体功能和结构就属于系统设计的范畴了。

那么就要要说到这张图了：

曾经的分工是这样的。微电子/半导体是研究如何把材料变成各种各样的半导体/微电子器件。而电路与系统是在研究如何用器件去搭出各种各样的电路。比如滤波电路、采样电路、时钟电路等等……当年我还在上《数模混合集成电路设计》的时候，一位老先生来听课，和我扯了很久这个课应该怎么上。我还想老先生年龄那么大，还挺懂行的啊。后来我的导师告诉我，老先生是当年中国研究数模转换电路的元老。不过当年他们是用分离元件和运算放大器生生的搭出了一个“数据采集板”。而所谓的整机设备专业（通信、雷达、仪器仪表等）就是在电路的基础上研究完整的电子系统硬件以及软件。

那么以前我所做的工作在哪里呢？就在整机设备这一块从模型到架构的这部分工作。

而现在，学科分工变成了这样：

由于微电子或者说集成电路已经完成了电路板上绝大部分功能，因此电路板级的设计空间被极大压缩。电路与系统逐渐“边缘化”。这是全世界都出现的情况。即便是IEEE的电路与系统学会（Circuits and System Society）也因为分立出了固态电路学会、电子设计自动化分会而已经“空心化”。而整机设备的研究却在不断的“软化”。“软化”的意思一方面是现在很多整机设备的功能更多的依赖于软件而非专用硬件来实现。简单的例子就是多少“小电子产品”被智能手机碾压过去，变成了智能手机中的一个APP？另一方面是指整机设备现在更多的关注系统的模型和算法，而非硬件实现了。这两方面相辅相成。这个问题很大，有机会另外说。

所以，现在微电子/集成电路从内涵和外延上已经极大的扩展，而集成电路的设计者也承担了原本很大板级电路设计和系统设计需要承担的工作。同样，这又对集成电路领域的从业人员自身的知识体系提出了很高的要求。

各位朋友，看到这里大家应该知道我确实不是谦虚，我这个学通信的今天到了微电子/集成电路这个领域来其实是因为我做的工作已经被纳入了集成电路的范畴。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1597期内容，欢迎关注。