芯片级微电子技术是军事信息系统的决定因素及核心技术。美国国防部与国防先进研究计划局在这一领域的投资历史悠久。如果从电路速度(或时钟频率)以及晶体管数量(或密度)的角度来衡量，可以看出在过去25~30年的时间里，微电子技术是沿着两条并行相关而独立的轨迹向前发展的。 两条轨迹

     第一条轨迹反映了摩尔定律在硅CMOS数字电路方面的进步。就速度而言，CMOS通常不属高性能技术，它反映的是摩尔定律每平方厘米晶体管数量的增加，面临的挑战是如何解决芯片结构的复杂性及设计问题。为了解决这一难题，人们开发了计算机辅助设计(CAD)以设计更加复杂的含有数百万晶体管的数字芯片。半导体行业协会制订了一种符合摩尔定律的技术发展路线图。光刻及材料/材料处理研究部门也按照这一发展路线图进行了成功的研发，形成行业发展主流。

     美国国防先进研究计划局在历史上的开发也是符合上述路线图的，不过最近几年，它已跳出了这个框框。例如，几年前路线图预计特征尺寸70nm以下的CMOS是不可能实现的，但在2001年国防先进计划局的一个微电子项目演示了临界尺寸在20nm以下并具有优良晶体管特性的器件。

     今天这一先进结果已得到全行业的证实。而根据摩尔定律的预测，该尺寸产品在下个年代也不能实现商品化。

     目前，IC的特征尺寸已成功跨越100nm，并且90nm器件也已取得成果，加之许多技术问题正在研究之中，毫无凝问，未来可以设计出包含几万亿个纳米级CMOS晶体管的芯片。但从军事上看，比高集成度更为引人注目的是它表现出的皮秒(10-12秒)开关速度，它对应着THz(1012Hz)的带宽能力。皮秒速度，集成几万亿个晶体管芯片的应用，标志着硅的又一场革命，使高速电路应用从商用无线SoC扩充到许多新的军事特别应用，混合应用独特的RF电路和高速DSP，开拓由工作在20~30GHz钟频的DSP芯片来控制算法。

     进入亚微米CMOS电子技术领域，人们面临的挑战主要有以下两个：①如何应用含有1万亿个晶体管的DSP芯片？军事上能否充分利用？②如何在军事RF系统中应用几GHz速度的CMOS芯片？

     第二条轨迹迄今为止主要由军事应用推动。为了开发高性能、高频率、单片集成微波集成电路 (MIMIC)以及相应的高速混合模拟/数字电路技术，国防先进计划局在化合物半导体技术领域不断投资。影响是显而易见的：一是军用射频系统的广泛应用，二是承包公司将MIMIC技术推广到商用无线领域。

     这条道路面临的挑战和CMOS电路不同，MIMIC的挑战主要有三点：①为了获得器件一致性，在构成单个晶体管的材料结构控制方面必须实现高精度；②芯片需要许多无源阻抗匹配元件；③实现布线管理以控制芯片中的信号传输阻抗。

     这些挑战不但使电路设计增加了负担，也限制了MIMIC芯片的生产。目前还没有通用的MIMIC核心电路设计，这意味着还需要继续开发EDA工具，以获得所需的数字设计技术。即使对化合物材料的沉积控制已很精密，但也没有达到硅材料的程度，因而今天前沿的混合信号、射频/模拟芯片的集成度只能做到几千个晶体管。只有大大提高了更复杂化合物半导体芯片的设计与制作，军用射频系统的能力才能大幅增强。 后硅新技术

     有鉴于此，国防先进计划局的微电子技术处(MTO)推出了若干新的微电子技术项目，当深亚微米的传统MOS器件的性能开始受制于量子效应，因而其发展遇到了难以逾越的物理界限。人们只好超越传统办法，寻求替代技术，“微米世界”让位于未来基于量子力学的“纳米世界”。

     为了探索崭新的领域，国防先进计划局制定了名为“超越硅CMOS”的多单位合作研究项目，包括；①分子电子技术；②自旋电子学(spintronics)；③量子信息与科学技术；④生物计算技术。

     这些领域的研究工作正在取得巨大进步。分子电子学项目获得初步成功之后正开发大规模电路技术和纳米级分子器件与传统硅CMOS电路的接口问题，解决在分子计算机的什么地方接入键盘等问题。

     第二个项目是探索如何提高深亚微米CMOS电路的信号处理能力，现在CMOS的特征尺寸是100nm，下一年代将缩小到10nm。此外，国防先进计划局近两年还做了一些专门研究。其中一项主要研究是在摩尔定律走向极限时的微处理器结构，以继续发展传统计算机。

     更重要的是其结果使我们看清了以下两个值得注意的发展趋势，将给数字信号处理技术带来真正的革命。

     ①随着时钟频率的不断增加，芯片内信号传输将采用多个时钟周期。这使目前基于冯·诺依曼结构的信号处理器的效率将越来越低。到2010年，目前设计的芯片处理能力和基于新结构所设计的芯片处理能力相比，可相差4个数量级以上。

     这种挑战要求研究人员从目前的计算密集的串行处理设计转向通信密集的并行处理设计，同时要求新设计和制造的芯片是具有相当于芯片级局域网或“纳米局域网”芯片，其数据流与管理方式有点类似于当前的网络化工作站。这种新的设计规范将基于如何最彻底地实现这种转变，成为具有类似人认识能力的芯片。

     ②随着数字芯片时钟频率增加至几十GHz，有可能给射频及模拟电路带来实时数字控制与智能功能。这样，在未来的军事系统应用中，就可以实现实时监视与控制。例如，利用30GHz处理器控制电调谐电源元件时，可以实时地使信号性能最优化，因为输入信号具有较宽的频率范围。在最简单的状况，对MIMIC的智能控制将使电路无源元件具有适应性，克服处理能力限制。大大提高应用效率。为了适应环境变化，并满足所需的应用，芯片具有实时思考及自适应能力。

     在硬件发展过程中，一个重要的挑战就是寻找将硅与III-V族化合物进行正确混合的方法，人们期望把GHz速度的纳米级硅器件的智能与传统化合物半导体MIMIC技术的强大处理能力有机地结合起来。其它研究工作包括确定正确的芯片结构与控制算法，从而把这些新的能力充分挖掘出来。 化合物半导体

     在微电子技术领域，国防先进计划局正继续探索一些新的制造方法，以提高传统半导体电子产品的性能。最近材料性能的改进，使得宽带隙半导体材料SiC和GaN前景看好。这些材料对高功率射频与直流准静态高功率开关的研发将起促进作用。由于其带隙能量大于3eV，导热性与电子迁移率都明显优于其它竞争材料。不过，制作上述器件所需的高质量原始材料的准备十分困难。

     主要受工作于近紫外与蓝绿波段发光二极管应用的刺激，材料研究获得大量投资。人们重又对SiC和GaN发生兴趣，已出现了射频与高压晶体管原型的小规模演示，但在克服缺陷及高质量外延材料的沉积方面还面临着颇大的障碍。

     为此，国防先进计划局制订了两个项目，以解决这些制约材料实际应用的关键问题，这两个项目是：

     ①高频大功率宽带隙半导体技术。目前，正与有关部门密切合作，以使这些项目的研究成果尽快转到最终用户手中。同时，推动商业界对工作在可视光领域的GaN LED发生兴趣。此外，基于GaAlN的极短波紫外源项目将用于生物技术威胁的探测。

     ②研究人员正在测试III-V族化合物半导体的极高频性能的局限性。这方面的一个项目是锑化合物半导体项目，研究人员主要利用基于锑化合物的低带隙能量材料，以获得低功耗的超高速电路。

     一个有希望的项目是利用共振隧道器件及其低功耗开关特性，实现极高速IC，目标是展示工作在100GHz以上的极高频电路，并且每次工作的功耗极低，仅为1 飞焦耳(10-15焦耳)，而集成度至少有几千个器件。值得一提的是，这些材料对光子器件的应用来说，也是一个不错的机会。

     此外，人们还寄希望于磷化铟材料，因为实验证明该材料性能不错。不过目前磷化铟集成度只能达到几千个晶体管，导致其运算时钟频率比分立晶体管截止频率下降了不止一个数量级，这与硅基集成电路没法相比。对此，采取的办法是开发新的制作技术，充分挖掘每个器件的最大性能，通过提高其高频性能，明显增加了电路密度与时钟速度。最终目的是使每个电路的器件数增加至10~10万个，以适用于更复杂的高速信号处理，运算时钟速度最高能达100GHz。一旦开发成功，那将给未来多功能射频系统使用的混合信号处理技术带来一场革命。 MEMS(微电子机械系统)

     MEMS研发始自止世纪90年代，这也是国防先进计划局一个成功的投资领域。1992年无论在世界什么地方，几乎没有那个行业介入，更没有MEMS生产设施。自从国防先进计划局作了重点投资，产生了革命性的成果，出现了从投影显示技术以及惯性传感技术的商业应用，到导弹与发射准备的监视，以及引信/保险和进入应用状态弹药的监视等的军事应用。

     此外，RF MEMS在实验室和系统应用中比同类产品的优势也很明显，它具有很低的插入损耗。国防先进计划局在MEMS方面还有其它一些研究，包括： 不过，从诸多方面看，更令人兴奋的是纳米级特征尺寸的MEMS谐振器的前景。这种谐振器具有很高的频率响应特性，使MEMS技术可以用于射频滤波与信号处理。同时，通过原子跃迁法正寻求稳定的射频信号源全新设计，以便在单一芯片上实现原子钟精确定时。这一成功将使定时方式发生根本性的变化，避免了目前多数关键应用依赖于GPS信号定时的状况。

     军事信息系统中光子技术的应用也是国防先进计划局从事的核心技术之一。光子项目一度集中于两个领域，光子传感器和高性能数字与射频系统中的光子互连技术，并且取得了一定的成功。 (转自 电子产品世界 李耐和)