B体育上篇简述了188年前,在长达114年的时间里,科学家开始逐步发现、认识和研究了等重大发明。在晶体管发明后的20多年里,这些发明为芯片技术快速发展打下了基础,为芯片技术沿着摩尔定律前行铺平了道路。此文为中篇,介绍从1970年开始,芯片技术日新月异的发展历史。
1971年B体育,美国Intel公司推出全球第一个微处理器4004芯片。它是一个4位的中央处理器(CPU)芯片,采用MOS工艺制造,片上集成了2250个晶体管。这是芯片技术发展史上的一个里程碑。同年,Intel公司推出1kb动态随机存储器(DRAM),标志着大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits,LSI)出现。
1974年,美国RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802芯片。它是一个8位的CPU芯片,首次采用了CMOS电路结构,处理器的耗电量要小很多。RCA 1802是第一款应用在航天领域的微处理器,例如,Viking、Galileo和 Voyager等航天项目都应用了该芯片。
1978年,Intel发布了新款16位微处理器8086,x86世代王朝创立。Intel 8086上集成了约4万个晶体管,采用 HMOS工艺制造,+5V电源,时钟频率为4.77MHz~10MHz,外部数据总线位,地址总线推出不久,Intel还发布了其变化版本8088。Intel 8086开创了x86架构计算机时代。x86架构是一种不断扩充和完善的CPU指令集,也是一种CPU芯片内部架构,同时也是一种个人计算机(PC)的行业标准。
也是在1978年,64kb动态随机存储器诞生,不足0.5平方厘米的硅片上集成了多达15万个晶体管,线微米。标志着芯片技术进入了超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits,VLSI)时代。
以x86命名的桌面计算机的时代。Intel公司基本上每3~4年推出一款创新的微处理器。早期以8086、80186、80286、80386、80486为代表,Intel CPU芯片基本主导了台式计算机和笔记本电脑的天下,PC型号大多数以CPU的名称来命名,例如286、386、486等。Intel CPU代表全球最先进芯片技术,也引领了芯片前沿技术的发展方向。
从IBM PC机开始,PC真正走进了人们的工作和生活,它标志着计算机应用普及时代的开始,也标志着PC消费驱动芯片技术创新和产业发展的时代开启。也是在1981年,256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世。
1985年,微软公司推出Windows操作系统。早期的Windows1.X、2.X和3.X可以说是MS-DOS的图形界面外壳软件。1995年,微软公司推出Windows 95后,逐步以Windows取代了之前15年采用的MS-DOS底层系统。后来,微软公司与Intel公司强强联合,形成所谓的Wintel计算机架构,大大促进桌面计算机普及,全球网络化、信息化也大力促进了芯片产业的发展。也是在1985年,Intel推出80386微处理器(图28)。
1988年,Intel看到闪存(Flash)的巨大潜力,推出了首款商用闪存芯片,成功取代了EPROM产品,主要用于存储计算机软件。也是在1988年,16M DRAM问世,1平方厘米大小的硅片上可集成约3500万个晶体管,标志着芯片技术进入了特大规模集成电路(Ultra LargeScale Integrated circuits,ULSI)阶段。
1993年,Intel推出奔腾CPU芯片,计算机的“奔腾”时代到来。在Intel 80486推出四年之后,人们预测80586 CPU即将推出。但Intel公司1993年向用户展示的是新的CPU系列,命名为奔腾(Pentium)B体育。奔腾CPU每个时钟周期可以执行两条指令,在相同时钟速度下,奔腾CPU执行指令的速度大约比80486快五倍。
奔腾CPU经过四代升级后,Intel推出了新系列的奔腾CPU。1997年Intel开始推出奔腾Ⅱ系列CPU芯片;1999年Intel开始推出奔腾Ⅲ系列CPU芯片;2000年Intel开始推出奔腾Ⅳ系列CPU芯片。每种奔腾产品都有几代的升级版本或者特色款式。
1997年,IBM公司开发出芯片铜互联技术。当时的铝互连工艺对180nmCMOS而言已不够快。IBM最初的研究,铜的电阻比铝低40%,导致处理器速度暴增15%以上,铜的可靠性更是比铝高100倍。在1998年生产出第一批PowerPC芯片时,与上一代300MHz的PowerPC芯片相比,铜互连版本速度提高了33%。也是在1997年,Intel开始推出奔腾Ⅱ系列CPU芯片(图32)。
1999年,胡正明教授开发出了鳍式场效晶体管(FinFET)技术。他被誉为是3D晶体管之父。当晶体管的尺寸小于25nm时,传统的平面晶体管尺寸已经无法缩小,FinFET的出现将晶体管立体化,晶体管密度才能进一步加大,让摩尔定律在今天延续传奇。
这项发明被公认是50多年来半导体技术的重大创新。FinFET是现代纳米电子半导体器件制造的基础,现在7nm芯片使用的就是FinFET设计。2016年5月19日,美国总统奥巴马在白宫为2015年度美国最高科技奖项获得者颁奖,其中包括FinFET的发明者胡正明教授。胡教授还获得了2020年IEEE最高荣誉奖章。也是在1999年,Intel开始推出奔腾Ⅲ系列CPU芯片(图32)。
Intel酷睿CPU时代来临,多核心CPU登上历史舞台。“奔腾”处理器时代长达12年,之后的2006年1月,Intel推出了命名为“酷睿”(Core)的微处理器芯片,开始时Core CPU主要用于移动计算机,上市不久即被Core2系列取代,后续推出了Core i3、Core i5、Core i7和Corei9等多核心CPU系列。
2007年,苹果公司推出iPhone手机,树立了智能手机的样板。从此之后,智能手机都以平板+触屏的面貌出现。它促进了移动智能终端(包括智能电话、平板电脑等)的普及,对移动互联网产业发展起到重要的促进作用。之后,移动互联网逐步替代桌面互联网,成为了驱动芯片产业发展的主要力量。
2010年,采用领先的32nm工艺Intel酷睿i系列全新推出,其中包括Corei3系列(2核心)、Core i5系列(2核心、4核心)B体育、Core i7系列(2核心、4核心和6核心)、Core i9(最多12核心)系列等,下一代22nm工艺的版本也陆续推出。
2011年B体育,Intel推出了商业化的FinFET工艺,用在了其22nm的工艺节点。
桌面电脑CPU芯片二哥,AMD公司神一样地存在着。AMD公司立于1969年,AMD从血缘来讲应该是Intel的族弟,在50多年的发展中,他与Intel很好地比肩而行。Intel作为全球CPU芯片老大,偶尔欺负一下老二AMD也鲜有成功,更不敢有灭掉族弟的念头。客观上AMD的存在让Intel没有了行业垄断之嫌,这是Intel最看重的。
两家公司沿着x86路线同向而行,在技术努力创新,互相借鉴,对芯片技术发的发展做出了贡献。Intel和AMD的芯片发展历程可以用他们的桌面CPU天梯图简要表达B体育。
敬请期待芯论语的图说芯片技术60多年的发展史(下篇),主要介绍移动互联网成为驱动芯片产业的有生力量;后摩尔时代,芯片技术创新和产业变革加快。
后记:1970~2010年的40年间,芯片产业链全球化分工协作良好,芯片技术发展快速。CPU、PC机、大规模存储器的发明,拉开了全球计算机化和信息化大幕,Wintel计算机架构形成,桌面互联网成为了拉动芯片技术进步和产业发展的主力。Intel CPU成为芯片技术进步的旗帜,先后经历了x86 CPU的升级,奔腾CPU的迭代,目前是酷睿CPU技术的不断创新。与Intel CPU比肩发展的AMD CPU也是神一样的存在,对芯片技术发展也起到了促进作用。摩尔定律预言的芯片发展规律在这期间很好地被验证。
1.蔺晓峰,风风雨雨38年 英特尔桌面处理器发展史,中关村在线:,2006.11.14
7.QbitAl,3D晶体管之父胡正明获IEEE最高荣誉,他是台积电前CTO,为摩尔定律续命十几年...,CSDN博客:,2020.3.9
11.爱活网,酷睿i9-10900K处理器首测:游戏之巅不胜寒,看点快报:,2020.5.20