4 系统芯片（System On A Chip）是21世纪微电子技术发展的重点
在集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了
集成电路单元库（Cell－Lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计
思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展
。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC芯片是通
过印刷电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高、功耗可以很小
，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系
统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、
移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日
益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来
越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个
芯片上集成108－109个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术
将从目前的3G时代逐步发展到3T时代（即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速
度由GHz发展到灯THz、数据传输速率由Gbps发展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：
每秒传输数据位数）。
正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯
片上的系统芯片（System On A Chip，简称SOC）概念。
系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的
一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子
技术的推动作用不亚于自50年代末快速发展起来的集成电路技术。
SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直
至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能，它的
设计必须是从系统行为级开始的自顶向下（Top－Down）的。很多研究表明，与IC组成
的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工
艺技术条件下实现更高性能的系统指标。例如若采用SOC方法和0．35μm工艺设计系统
芯片,在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0．18～0.25μm工艺制作的
IC所实现的同样系统的性能；还有，与采用常规IC方法设计的芯片相比,采用SOC设计方
法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低l～2个数量级。
对于系统芯片（SOC）的发展，主要有三个关键的支持技术。
（1）软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（
Functional Partition Theory），这里不同的系统涉及诸多计算机系统、通讯系统、
数据压缩解压缩和加密解密系统等等。
（2）IP模块库问题。IP模块有三种,即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构
设计；和硬核，基于工艺的物理设计、与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核
使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和Flash Memory以及A／D、D／A等都
可以成为硬核。其中尤以基于深亚微米的新器件模型和电路模拟为基础，在速度与功耗
上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。现在,美国硅谷在80年代出现无生产线
（Fabless)公司的基础上，90年代后期又出现了一些无芯片（Chipless）的公司,专门
销售IP模块。
（3）模块界面间的综合分析技术,这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术（glue
logic technologies）和IP模块综合分析及其实现技术等。
微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破,同时也是信息技术新发展的里
程碑。通过以上三个支持技术的创新,它必将导致又一次以系统芯片为主的信息技术上
的革命。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。
在新一代系统芯片领域，需要重点突破的创新点主要包括实现系统功能的算法和电
路结构两个方面。在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革，
例如维特比算法、小波变换等均对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用,目
前神经网络、模糊算法等也很有可能取得较大的突破。提出一种新的电路结构可以带动
一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯
片领域研究的重点学科之一。在电路结构方面,在系统芯片中，由于射频、存储器件的
加入，其中的电路结构已经不是传统意义上的CMOS结构，因此需要发展更灵巧的新型电
路结构。另外，为了实现胶联逻辑（Glue Logic）新的逻辑阵列技术有望得到快速的发
展,在这一方面也需要做系统深入的研究。
5 微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点
微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精
度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科
和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是MEMS（微机电系统）技术和DNA生物芯片
。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合
的产物。
微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工
技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界联系
起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成
电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成
该指令。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接
口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉
的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术
、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等〖3〗。
MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本
，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具
有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无
法比拟的优点,因而MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人
们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型
惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系
统（ABS）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息
MEMS系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同
时MEMS系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端
直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机
等。
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎
来MEMS产业化高速发展的时期。2000年，全世界MEMS的市场达到120到140亿美元，而带
来的与之相关的市场达到1000亿美元。
目前，MEMS系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路
在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人
们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新
换代的速度，对CPU和RAM的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路
和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命。现阶段的
微机电系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于CPU和RAM这
样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广
泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。
当前MEMS系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与
基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造
出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领
域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系统产业的发展。在MEMS发展中需要继续解
决的问题主要有：MEMS建模与设计方法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制
造；微小尺度力学和热学研究；MEMS的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。
微电子与生物技术紧密结合诞生的以DNA芯片等为代表的生物芯片将是21世纪微电
子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组
织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相
结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用
少等一系列特点，正日益受到广泛**************。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种DNA基因
片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这
无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映
出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人
员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他们制作的DNA芯片
是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维。不同的DNA纤
维图案分别表示不同的DNA基因片段，该芯片共包括6000余种DNA基因片段。DNA（脱氧
核糖核酸）是生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，DNA芯片的
作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而
且随着DNA芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、
工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的IC芯片
一样无处不在。
目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片
表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组
分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具
体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计、检测方法学等等。
