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标  题: 通信技术发展与集成电路和集成光路
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jun 27 19:08:58 2004), 转信


通信技术发展与集成电路和集成光路
大唐电信科技股份有限公司    魏少军

【摘    要】本文通过简要回顾微电子与集成电路技术的成长历程和介绍微光子技术及其集成化芯片（集成光路）的发展趋势，分析当前微电子与集成电路技术所要解决的关键问题，以及尚处于少年阶段的微光子与集成光路技术要面对的难题，进而探讨未来通信技术与产业的发展对集成电路与集成光路的要求。

【关键字】微电子 微光子 集成电路 集成光路 芯片系统


一． 前言

        众所周知，微电子与集成电路对人类生活产生了巨大的影响。回顾二十世纪后半叶集成电路工业的历史不难看出，著名的摩尔定律一直在准确地描述着集成电路技术的发展。专家们普遍认为，在新的世纪中这一著名定律仍将长期有效。尽管摩尔定律揭示的集成电路工艺技术的进步规律是那样的诱人，且其发展速度之高在现代社会是少有的，但是如图1所示，它与今天正在蓬勃发展的网络技术进步、带宽需求增长速度相比还是相形见绌，远远不能满足信息产业发展的要求。




图1. 摩尔定律和因特网干线带宽的增长率比较


        今天的因特网仍然存在着许多“瓶颈”，包括：“最后一公里”、“最初一公里”、“对等点”、IP地址转换等等。由于带宽不能满足需求，造成因特网服务提供商（ISP）子网内严重拥挤，ISP子网间严重拥塞，业务质量（QoS）没有保证。而未来业务的发展对网络带宽及通信设备的处理能力与速度的要求则越来越高。
        要满足业务的发展需求，一方面要铺设足够多的传输通路，解决海量信息的传输问题；另一方面要发展集成电路等关键技术，解决信息源的处理问题，如发展集成电路芯片系统（SOC）。一些集成电路技术解决不了的问题（如速度等）可望在将来采用微光子领域的集成光路来解决。
        所谓集成光路就是在光学领域采用类似于集成电路的制造方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上。这样的器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低和使用方便等优点。在不久的将来，集成光路技术就会像今天的集成电路一样逐渐深入到人类生活的每个角落，影响人类生活的方方面面，。
二． 通信技术与产业的发展对集成电路的要求

1、集成电路技术的发展现状与趋势

        从1947年第一只半导体晶体管问世之后，微电子技术就得到了日新月异的发展。从小规模集成电路到中规模集成电路，大规模集成电路，甚大规模集成电路到超大规模集成电路。今天的集成电路工艺技术可以在单个硅芯片上集成上亿只晶体管，所实现的系统复杂性已很难说它仅仅是一个芯片。SOC的概念应运而生。SOC不仅仅是一个芯片规模的描述，更是一个复杂度的描述。
        在集成电路技术的发展历程中，先后出现了以版图设计方法分类的全定制和半定制集成电路，以功能划分的通用集成电路和专用集成电路（ASIC）。通用集成电路中的微处理器（MPU）、存储器和数字信号处理器（DSP）的发展和嵌入式设计技术的进步为ASIC向SOC的进化奠定了坚实的基础。世纪之交，以嵌入式MPU，超深亚微米（VDSM）工艺技术，第三方知识产权内核（IP核），软硬件协同设计为主要特征的，实现复杂系统功能的SOC逐渐成为集成电路的主流，对信息产业的发展产生关键、重要而极其深远的影响。
        特别应该指出的是，面向信号处理的DSP芯片的发展，更是对通信产业的进步起到了不可替代的作用。包含嵌入式MPU，嵌入式DSP，存储器，模/数、数/模转换器，可编程逻辑阵列，主要采用外部软件编程实现特定功能和配置的SOC是未来通信设备的主要关键部件。事实上，SOC的出现不仅带来集成电路产业的进一步分化，也对集成电路的市场，电子整机制造业带来不可逆转的、深刻的变化。

2、微电子的新秀－塑料芯片

        长期以来，硅芯片的概念已在人们头脑中根深蒂固。但实际上，采用硅单晶制造集成电路芯片的工艺十分复杂，制造成本也很昂贵，使集成电路芯片的售价一直居高不下。
        为了解决这一问题，科学家们千方百计寻找硅晶体的替代物。塑料芯片的出现令电子业界为之一振。与硅芯片相比，塑料芯片的价格非常低廉，仅为硅芯片价格的1%～10%，极具市场竞争力。　　塑料芯片的基本原件是塑料晶体管，又称有机薄膜晶体管（OTFT）。相对于硅晶体管，OTFT的工艺要简单得多。利用喷墨打印技术和设备或者橡皮图章印刷技术，将碳基材料的微细颗粒喷射到芯片的基底上，几分钟之内就可以制造出芯片，其成本甚至低于0.1美分。建造一座生产硅芯片的工厂需要十多亿美元，而建造一个生产塑料芯片工厂的费用仅用1000多万美元。虽然目前OTFT的性能还不如硅半导体，但是可以预见，在今后不长的一段时间内，这两项技术之间的性能差距将逐步缩小。
        有机发光二极管（OLED）是另一项塑料芯片技术，又称塑料彩色显示器。OLED在1999年进军移动电话市场时曾引起了极大的轰动，当时这一市场由液晶显示器（LCD）所垄断。与LCD相比，OLED在强烈的光线下看得更清楚，当然最重要的是其成本更加低廉。尽管在OLED推出的初期，其尺寸较小，而且其寿命与LCD的6万小时相比也较短，大约只能维持1万小时，但是随后不久，功能强大的OLED就接连面世。 
        目前，塑料芯片在美国已经开始进入实用阶段，并推出了部分采用塑料芯片装置的电子新产品。美国国际市场调查公司（Dataquest）发布的一份调查预测报告显示，塑料芯片将成为21世纪的新宠。到2004年，全球塑料芯片行业的年平均销售额将达到100亿美元，塑料芯片将成为未来极具发展潜力的新一代芯片。

3、集成电路设计方法与设计工具

        集成电路的成功离不开其设计方法的进步以及相关配套的计算辅助设计工具的支持。从上世纪70年代的计算机辅助设计（CAD），80年代的计算机辅助工程（CAE）到90年代的EDA，人们在孜孜不倦地探索着新的集成电路设计理论。CAD技术提供了帮助设计人员完成复杂设计工作的手段，CAE技术系统地集合了CAD技术产生的各种单点工具，提供了集成电路全流程设计工具，在理论上它们并没有太多的建树和创新。它们解决的问题都是如何将一个已有的电路图转变为集成电路版图。而EDA技术的出现则是一次划时代的进步和创新。首先EDA 解决的是如何从一个系统描述按照一定的规则推导出电路逻辑图，在设计层面上已经与CAD和CAE有了根本的不同，其次，它试图在电路图的生成过程中解决诸如可测试性、低功耗等问题。与前面的集成电路设计方法不同的是，EDA以实现系统功能并可以在模拟环境下验证的，以某种计算机语言写成的系统描述为输入，采用“自上而下”的设计思想，按照一定的规则导出符合系统功能要求的电路系统，整个过程是自动完成的。
        EDA技术的另外一个重要贡献是它模糊了系统设计和芯片设计的界限。由于集成电路制造工艺的进步，单个芯片上可以集成上千万、甚至上亿只晶体管。所形成的系统功能的复杂性绝不可以简单地用芯片二字可以涵盖。EDA技术的诞生也宣告了集成电路设计是集成电路工程师的专有工作时代的结束。正是由于有大量的系统工程师加入到集成电路芯片设计行列，才使得电子系统产生了快速和关键性的进步，而电子系统的进步又反过来促进了集成电路技术的发展。
        在人类进入SOC时代的今天，EDA技术本身的许多不足和局限性开始暴露出来。人们还搞不清楚SOC 时代的集成电路设计方法学的内涵及外延（图2）。但是有一点是清楚的，那就是，SOC设计方法学的进步将由集成电路工程师和系统工程师共同引领。




图2 不同阶段的设计方法学

 

4、信技术与产业的发展对集成电路的要求

（1） 无线通信
        当前无线通信技术的几个热点是：第三代移动通信（3G）、移动通信手机、移动因特网、“蓝牙（B1uetooth）”和无线局域网（WLAN）等。
        集成电路对无线通信的影响是巨大、深远和关键的。一个很具体的实例就是软件无线电的应用。软件无线电尽可能地把无线及个人通信功能用软件来实现，以可编程的通用DSP芯片和可编程逻辑器件取代专用集成电路，使系统中的专用硬件含量下降，提高系统设计的灵活性、兼容性和可升级能力。
        在移动通信终端方面，为适应多代共存，手机和基站必须对应“多方式”和“多频段”，即所谓“多模”和“多频”。显然，这将导致手机芯片的设计变得异常复杂。无论是GSM、CDMA还是未来的3G，一个典型的手机芯片组包括：基带信号处理器，射频（RF）电路和各类话音和数据接口。一个可以在GSM、CDMA和3G网中使用的多模手机的基带芯片就必须能够处理包括GSM、CDMA和3G的各类信令、协议；且由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的频率资源，多模手机还需要2个或3个RF电路以对应不同的频带；在话音和数据接口方面，除了要具备不同的声码器之外，各类数据接口，例如红外（IR）、USB等也成为必备的选择。到今天为止，能够兼容GSM和CDMA两种第2代移动通信制式的商用双模终端尚未面世，其中最主要的原因之一就是用于这种多模手机的芯片尚未成熟，除了技术层面的难点之外，由于信息处理复杂度的成倍增加造成的集成电路芯片成本居高不下也是一个原因。
        “蓝牙”作为超短距离无线接入手段，目前得到了超过1500家企业的支持，很可能成为主流。“蓝牙”芯片组从2000年开始供货，已从3芯片方案过渡到2芯片方案，并可望通过SOC技术实现单芯片方案。另外值得注意的是无线局域网（W-LAN），它试图将手机、个人数字助理（PDA）和笔记本电脑连接起来。利用业已有的GSM网络或CDMA网络，以比较简单、快捷的方式将PDA和笔记本电脑接入Internet。大量的数字家电产品（如MP3、网络音频点播器等）也可以通过这种方式下载信息或实现远程控制。这类产品的主要难点仍然在芯片的性能和成本上，解决不了低成本的集成电路芯片，产品的大面积推广就会遇到巨大的困难。

（2） 有线通信
        集成电路在有线通信设备中的应用最早、也最广泛，如数字程控交换机，光同步数字网（SDH）传输设备、路由器、会议电视、保密通信、TDMA/FDMA/CDMA各种调制方式等。早期的通信专用集成电路大多根据系统的要求来定制。经过多年的发展，今天的通信专用集成电路芯片已经开始引领通信设备的发展。
        在通信设备（如SDH、数字程控交换机）的高速接口方面，诸如帧同步、纠错、成帧、传输信息处理等都已集成到一个集成电路芯片上。大唐电信自主开发的SDH芯片组只要5片超大规模集成电路就可以组成一个完整的STM-1系统，完成从63路E1复接/解同步，POH开销处理，交叉连接，SOH开销处理等全部工作，并同时提供2套155Mbit/s上、下行链路。一个原来要数十块PCB板的复杂机架简化成为单盘，极大地提高了系统的可靠性，降低了成本。
        在数据通信领域，早期的设备更多地采用专用集成电路的开发模式，如用于ATM信元分拆与组合的SAR电路，又如专用于因特网协议（IP）包处理的网络处理器等。今天，无论是异步转移模式（ATM），还是基于以太网的各类设备都越来越多地采用高速中央处理器（CPU）加专用接口芯片的方式来构成。芯片平台的作用日渐突现。事实上，今天的通信设备开发已经发生了天翻地覆的变化，硬件不再是系统开发的主要工作，软件已成为系统开发中最为重要和关键的内容。软件工作量已从原来的微不足道发展到今天的超过70％。一个灵活的、高性能的、可再配置的SOC平台是通信领域热切盼望和十分关注的课题。

三． 通信技术与产业的发展对集成光路的要求


        在过去的一个世纪中，电子技术的发展异常迅速，集成电路几乎进入了我们生活的每一个方面。但是，随着各种新业务对带宽的要求，也出现了很多新的、难以解决的问题，如因特网骨干网在普遍实现高清晰度电视传送时产生的带宽问题绝不是可以用电的方法解决的。又例如，采用基于电信号处理的SDH系统对光纤带宽的使用率仅为1％，而采用全光网概念的光分插复用（OADM）设备，光交叉连接（OXC）设备则可以将光纤的容量发挥到极致。于是，科学家们开始专注光子技术的研究，希望可以用光子取代电子实现信息的存储、处理和传输。
光相对电有很多优点，例如，光在光纤等介质材料里的传输速度和带宽都远远大于电子在金属中的传输速度和带宽，光在光纤中的传输损耗远小于电在金属中的传输损耗等。但是，光子的控制却相当困难。这使得光器件的研究和应用一直步履蹒跚，难以取得重大的进步。

1、微光子、集成光路的发展趋势

        微光子领域的研究，其目的是仿效在电子域内把晶体管和其它电子装置集成在一个芯片上的技术来压缩光子开关、光纤、激光器、探测器并把它们集成在一个光路上。集成光路出现于1969年前后，在它的产生和发展过程中，贝尔实验室的一批科学家起了重要作用。目前集成光路已从基础研究和开发研究进入了工程应用阶段。
        集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象和光学元器件集成化的一门学科。它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。它要解决的实质问题，是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微小型化。由于光波的波长比波长最短的无线电波还要小四个数量级，因而具有更大的传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术应用发展的需要。采用类似于半导体集成电路的制造方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决光学系统集成问题的一种有效途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点。集成光路的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路还在向其它领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。
        现在已经做出了很多对应于大块光学元件的薄膜波导元件，一些光元件的集成也已经实现。受工艺的限制和成本的约束，集成光路也不一定要在单个衬底上集成所有的光学元件，很多时候是有限的几种元件的集成，甚至在同一个衬底上只做同种元件的集成（单功能集成），这并不妨碍实际的应用。目前已经出现了光学元件和电学元件的混合集成，今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在—起的集成芯片。利用前面提到的导电塑料和塑料芯片技术还有望开发出更先进的集成光路和高密度光存储器件。

2、集成光路设计方法学与计算辅助设计工具

        集成光路设计方法学与相应的计算机辅助设计工具是关系到集成光路能否大规模商用和形成一个产业的关键，是集成光路产业链中重要的一环。尽管它可以部分借鉴微电子领域集成电路设计方法学与计算机辅助设计工具的思想，但毕竟有很多的特殊性。目前世界各国的科学家和工程师的主要精力还都集中在集成光路的基础研究中，相当于处在小规模集成电路研究的阶段，对集成光路设计方法学的研究还基本是个空白，也没有相应的计算机辅助设计工具可供使用。今后这是一个崭新的课题需要人们去解决。

3、通信技术及产业的发展对集成光路的要求

        通信网的基础支撑技术是电子技术，特别是微电子与集成电路技术的进步。信息的复用、传输和交换大多在电子域中进行、主要是在半导体中进行。伴随着光纤通信的出现和普及，目前的信息传输已基本上通过光纤进行。光通信技术为人类社会的信息化搭建了一个前所未有的最廉价和容量最大的基础通信平台。
        目前，人们正在研究实现光信号的直接交换（波长到波长的交换），即光交换。实现光交换的一项关键技术是集成光路技术，因为光交换设备的核心元器件是集成光路，如：光开关、光耦合器、光存储器和波长控制器等。目前研究开发人员正在集中精力研制大容量廉价的光器件与集成光路，包括可变波长激光器、高频调制器、波分复用/解复用器/滤波器、增益平坦和锁定的SCL波段放大器、RAMAN放大器、高频光探测器、微电机械系统（MEMS）光开关等。象集成电路中的开关晶体管一样，光交换中的核心是光开关。光开关以光的方式为信息选路。实现光开关的主要技术有微机械技术、气泡技术、液晶技术、全息技术等。目前，实用化的主要有三类：电光开关、机械光开关、热光开关等。近年来，基于微电机械系统（MEMS）技术的光开关被许多厂家看好。
尽管光交换网络至今尚没有进入商用，但是光交换是一个全新的市场而且发展潜力巨大是毋庸置疑的。随着集成电路光路技术的进步，光交换技术的突破必然带来一个全新的、传输和交换融为一体的、允许存在不同协议和编码形式的、信息传输“绝对”透明的全光网。

四． 结束语

        通信网络的移动化和宽带化发展趋势和通信终端的个性化趋势将为集成电路产业提供难得的发展机遇。已到中年的集成电路产业，通过SOC技术将必然会再一次呈现青春的气息。实现系统与芯片的统一，包含嵌入式微处理器、高性能DSP、大容量存储器及模拟电路的SOC，必然会以其高集成度、高速率、低功耗和智能化、低成本的优势影响和主导通信设备制造。而集成光路技术也必然会逐渐成熟，在高速、低损耗通信领域赢得它的地位和市场。尽管今天我国的SOC研究还刚刚起步，需要很长的一段路才能成熟，但是应该相信它对未来集成电路产业的影响是巨大和深远的，对通信网，特别是接入端和用户端的影响是决定性的。令人十分欣喜的是，国家已将SOC的研究列入“十五”863计划，并作为“十五”国家重大科技专项予以支持。集成电路设计产业的发展也营造了一支有一定实力的SOC开发队伍，在中国强大的整机系统厂商的支持下，我们应该相信可以走出一条产、学、研、用合作的成功之路。

        未来的通信世界必然是光的世界，不但要实现光传输、光交换，而且要实现光存储和光计算。微光子与集成光路还处于一个幼儿时期。由一个电子世界变化为一个光子世界，必然要经历一场深刻的革命，这场革命的先兆就是目前正在通信骨干传输网上引入的光交换。将来，我们会亲身体会到微光子与集成光路对人类生活方方面面的影响，体验到微光子技术为我们提供的各类高速的和丰富的应用与业务，就像今天的我们体会微电子技术对人类生活每个角落的影响一样。作为微光子技术的研究主体，我国的高校和科研机构应加快这方面的研究，并为今后的产业化作好储备。


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