芯片中晶体管的集成数增长速度如何？

1. 芯片中晶体管的集成数增长速度如何？

在芯片的发展历程中，1965年，世界上最复杂的芯片可以集成64个晶体管，1969年的4004芯片发展到2300个，1982年的80286发展到10万个，1993年的奔腾芯片增长到300万个，1999年的奔腾三代已经增长到了950万个。英特尔公司最近宣布，2010年集成度将达到10亿个。

2. 晶体管-晶体管逻辑电路的发展

 第一代TTL逻辑电路“与非”门 　它的线路结构(图2)有输入级、分相级和输出级。输入级采用多发射极晶体管，输出级采用简单的推拉输出（包括上推拉管T4、下推拉管T5和一个二极管）。双极型集成电路从 DTL电路演变到 TTL电路的第一代“与非”门，仅改进了上述两点就使开关速度比DTL逻辑电路高5～10倍,同时也减小了电路功耗。这些改进大大促进了双极型集成电路的发展。对于第一代“与非”门，只要改变元件参数就能保持线路结构不变而得到不同等级的速度功耗乘积的门电路系列产品。 TTL电路输入端采用多发射极晶体管，不再象DTL电路输入端二极管组与电平位移二极管那样彼此孤立。多发射极晶体管具有较大的正向电流放大系数和较小的反向电流放大系数。电路处于转换过程中，当输入端为低电平时,较大的正向电流放大系数能抽出较大的电流,使原来存储的多余载流子很快消失；当输入端是高电平时，较小的反向电流放大系数，使多发射极晶体管的反向漏电流最小，不致影响前一级高电平输出。采用多发射极晶体管时，在多发射极之间须避免出现交叉漏电流。 电路输出级采用推拉输出，有助于减小电路功耗和提高开关速度。输出上推拉管 T4和二极管D代替原输出管T5负载电阻，构成一个能自动调节阻值的负载，使电路只在转换过程的瞬间输出级才有功耗。   第二代 TTL电路“与非”门 　输出级上推拉管改用射极跟随器形式(图3)。如果射极跟随器的T3管集电极并接T4管集电极，可改变为第二代改进型形式，即输出级上推拉管采用达林顿对管（T3、T4）连接。达林顿对管连接减小了连线距离。对管可看成为一个晶体管，其电流放大系数是两个晶体管放大系数的乘积。对管的输入阻抗是对管中前一晶体管的电流放大系数β1与后一晶体管的输入阻抗的乘积。   第三代 TTL电路“与非”门 　采用肖特基势垒二极管使线路抗饱和,电路开关速度提高到超高速范围,每级门的信号传递延迟时间约在3～5纳秒。改进之二是在输出管T5的基极回路增加了晶体管分流器 (图4),分流器是把线路上原来的无源元件电阻,改为有源元件晶体管T6和电阻R3、R6。这种结构有时也称为有源拉开网络。晶体管分流器参数的选择依电阻R3、R6的不同比值而定，分为饱和型、非饱和型和浅饱和型三种型式。 饱和型晶体管分流器要求R3R6(在一般情况下，取R6=0.5R3)，使电路处于饱和边缘，从而获得高速开关能力。因此，在高速开关电路中，一般采用浅饱和型晶体管分流器。

3. 几十亿个晶体管同时运行，芯片如何保持高的可靠性？

芯片有自检功能呀，这个功能是组成芯片的重要部分，就像人体的免疫系统一样，它也是在芯片里起到一个检查、修复的功能，典型的示意图：



在刘慈欣的《三体》里，有更形象的比喻，大刘用士兵作晶体，用军队模拟了芯片的运行，其中就有一队队的巡逻检查兵，他们负责找到并带出不能好好工作的士兵，维护系统的正常运行。


下面贴一段刘慈欣老师的原文：
       秦始皇点点头：“那就开始吧。” 
　　冯·诺伊曼双手过顶，庄严地喊道：“奉圣上御旨，计算机启动！系统自检！” 
　　在金字塔的中部，一排旗手用旗语发出指令，一时间，下面大地上三千万人构成的巨型主板仿佛液化了，充满了细密的粼粼波光，那是几千万面小旗在挥动。在靠近金字塔底部的显示阵列中，一条由无数面绿色大旗构成的进度条在延伸着，标示着自检的进度。十分钟后，进度条走到了头。  
        “自检完成！引导程序运行！操作系统加载！！” 
　　下面，贯穿人列计算机的系统总线上的轻转兵快速运动起来，总线立刻变成了一条湍急的河流．这河流沿途又分成无数条细小的支流，渗入到各个模块阵列之中。很快，黑白旗的涟漪演化成汹涌的浪潮，激荡在整块主板上。中央的CPU区激荡最为剧烈，像一片燃烧的火药。突然，仿佛火药燃尽，CPU区的扰动渐渐平静下来，最后竟完全静止了，以它为圆心，这静止向各个方向飞快扩散开来，像快速封冻的海面，最后整块主板大部分静止了，其间只有一些零星的死循环在以不变的节奏没有生气地闪动着，显示阵列中出现了闪动的红色。 
　　“系统锁死！”一名信号官高喊。故障原因很快查清，是CPU状态寄存器中的一个门电路运行出错。 
　　“系统重新热启动！”冯·诺伊受胸有成竹地命令道。 
　　“慢！”牛顿挥手制止了信号官，转身一脸阴毒地对秦始皇说，“陛下，为了系统的稳定运行，对故障率较高的部件应该采取一些维修措施。” 
　　秦始皇拄着长剑说：“更换出错部件，组成那个部件的所有兵卒，斩！以后故障照此办理。” 
　　冯·诺伊曼厌恶地看了牛顿一眼，看着一组利剑出鞘的骑兵冲进主板，“维修”了故障部件后，重新发布了热启动命令。这次启动十分顺利，二十分钟后，三体世界的冯，诺伊曼结构人列计算机在“秦1.0”操作系统下进入运行状态。 
　　“启动太阳轨道计算软件‘Three-Body l.0’！”牛顿声嘶力竭地发令，“启动计算主控！加载差分模块！加载有限元模块！加载谱方法模块……调入初始条件参数！计算启动！！” 
　　主板上波光粼粼，显示阵列上的各色标志此起彼伏地闪动，人列计算机开始了漫长的计算。 




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4. 晶体管-晶体管逻辑电路的早期

在早期探索提高 TTL逻辑电路“与非”门开关速度的过程中，只是采取两方面的措施：①降低电路中的阻值，因为降低阻值可增加驱动电流。缩小电路所占的芯片面积，寄生电容也因之减小；②输出级上推拉管和二极管改为射极跟随器连接法,使TTL“与非”门逻辑电路开关速度成倍提高。但是在进一步探索提高电路速度时，发现晶体管多余载流子的存储效应是一个重要障碍。这些多余载流子的产生，是由于过驱动电流导致晶体管进入饱和状态，多余的载流子又来不及复合消失，势必存储在晶体管区内。为了进一步提高开关速度，只有设法使晶体管处于临界饱和状态，避免对晶体管过驱动才有可能消除和避免多余载流子的存储效应。因此，60年代末至70年代初期,开始在TTL集成电路中采用肖特基势垒二极管，将其并接在电路晶体管的基极和集电极上，终于把电路存储时间大大缩短。TTL电路“与非”门开关速度进入超高速范围，使带有肖特基势垒二极管的晶体管的开关时间可缩短到1纳秒左右。 TTL电路按用途区分,还包括一些特殊用途的电路，如普通常用的基本门、功率门或驱动器、集电极开路门、抗辐照基本门和三态输出基本门。

5. 据说大型芯片有几十亿个晶体管，一个出错毁全芯片，但为什么芯片可靠性还这么高？

首先“每一个都不容出错”是不对的，设计者会在硅片上核心以外的地方增加一些冗余电路。专门用来修补流片后的错误的。有一些小错误可以通过后期飞线来修改。要不然流一次片那么多钱就全打水漂了。

然后芯片设计方面现在大多是软件辅助生成的。设计芯片也分为前端后端，逻辑设计和芯片版图。逻辑设计中最容易引起错误的是传播时间。
也就是说布线的长短，门的个数都会影响信号的正确率。当然还有模拟电子方面的问题，比如电平高低，各种噪声。

版图方面来说，基本都是mosfet场效应管，结构比较简单，如今软件都具备自动生成功能，也就是说你可以把逻辑写好，然后软件自己帮你生成测试，虽然体积上不占优势。
也可以自己画版图，而且和软件一样，刚开始的bug也是非常多的。这就需要设计者去修改。

所以说，你看见的可靠都是靠设计者们不断的修改和优化换来的。而且芯片和软件不同的地方在于，每个细节处不一定都工作在理想状态。
比如你设计一个逻辑，在fpga上工作一切正常，但是流片后因为间距缩小，热效应和电磁干扰加剧，原来设计的信号可能没法被保证。

6. 晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控

半导体是一种材料，是原材料，比如晶元。
而半导体管是是原材料的制成品，比如二极管、三极管、发光二极管、可控硅、场效应管等等，不同的成品用途不同。
就像铁，你总不不能说铁就是铁，为什么要加个锅、加个钉、加个管，成为铁锅、铁钉、铁管。

7. 参数制定者，全球首枚2nm芯片面世，功耗降低75%，500亿颗晶体管

 伴随着信息化时代的发展，IBM已经成为我国金融、交通、政府、教育、电信等许多重要业务领域的最可靠的信息技术手段。同时IBM的客户遍及我国经济的各条战线。值得一提的是，截止目前， IBM并未受到美国技术调控、限制的影响 。因此说，IBM推出2纳米芯片，将会在一定程度上促进我国半导体行业的发展。
   虽说IBM不能解决我们在芯片代工方面被国外卡脖子的现状，但可以保证我们在芯片设计方面，不会被国外落下太多。