芯片級微電子技術(shù)是軍事信息系統(tǒng)的決定因素及核心技術(shù)。美國國防部與國防先進(jìn)研究計(jì)劃局在這一領(lǐng)域的投資歷史悠久。如果從電路速度(或時(shí)鐘頻率)以及晶體管數(shù)量(或密度)的角度來衡量，可以看出在過去25~30年的時(shí)間里，微電子技術(shù)是沿著兩條并行相關(guān)而獨(dú)立的軌跡向前發(fā)展的。

兩條軌跡
第一條軌跡反映了摩爾定律在硅CMOS數(shù)字電路方面的進(jìn)步。就速度而言，CMOS通常不屬高性能技術(shù)，它反映的是摩爾定律每平方厘米晶體管數(shù)量的增加，面臨的挑戰(zhàn)是如何解決芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及設(shè)計(jì)問題。為了解決這一難題，人們開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)以設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的含有數(shù)百萬晶體管的數(shù)字芯片。半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)制訂了一種符合摩爾定律的技術(shù)發(fā)展路線圖。光刻及材料/材料處理研究部門也按照這一發(fā)展路線圖進(jìn)行了成功的研發(fā)，形成行業(yè)發(fā)展主流。

美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局在歷史上的開發(fā)也是符合上述路線圖的，不過最近幾年，它已跳出了這個(gè)框框。例如，幾年前路線圖預(yù)計(jì)特征尺寸70nm以下的CMOS是不可能實(shí)現(xiàn)的，但在2001年國防先進(jìn)計(jì)劃局的一個(gè)微電子項(xiàng)目演示了臨界尺寸在20nm以下并具有優(yōu)良晶體管特性的器件。
今天這一先進(jìn)結(jié)果已得到全行業(yè)的證實(shí)。而根據(jù)摩爾定律的預(yù)測，該尺寸產(chǎn)品在下個(gè)年代也不能實(shí)現(xiàn)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，加之許多技術(shù)問題正在研究之中，毫無凝問，未來可以設(shè)計(jì)出包含幾萬億個(gè)納米級CMOS晶體管的芯片。但從軍事上看，比高集成度更為引人注目的是它表現(xiàn)出的皮秒(10-12秒)開關(guān)速度，它對應(yīng)著THz(1012Hz)的帶寬能力。皮秒速度，集成幾萬億個(gè)晶體管芯片的應(yīng)用，標(biāo)志著硅的又一場革命，使高速電路應(yīng)用從商用無線SoC擴(kuò)充到許多新的軍事特別應(yīng)用，混合應(yīng)用獨(dú)特的RF電路和高速DSP，開拓由工作在20~30GHz鐘頻的DSP芯片來控制算法。

進(jìn)入亞微米CMOS電子技術(shù)領(lǐng)域，人們面臨的挑戰(zhàn)主要有以下兩個(gè)：①如何應(yīng)用含有1萬億個(gè)晶體管的DSP芯片？軍事上能否充分利用？②如何在軍事RF系統(tǒng)中應(yīng)用幾GHz速度的CMOS芯片？

第二條軌跡迄今為止主要由軍事應(yīng)用推動(dòng)。為了開發(fā)高性能、高頻率、單片集成微波集成電路 (MIMIC)以及相應(yīng)的高速混合模擬/數(shù)字電路技術(shù)，國防先進(jìn)計(jì)劃局在化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域不斷投資。影響是顯而易見的：一是軍用射頻系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，二是承包公司將MIMIC技術(shù)推廣到商用無線領(lǐng)域。

這條道路面臨的挑戰(zhàn)和CMOS電路不同，MIMIC的挑戰(zhàn)主要有三點(diǎn)：①為了獲得器件一致性，在構(gòu)成單個(gè)晶體管的材料結(jié)構(gòu)控制方面必須實(shí)現(xiàn)高精度；②芯片需要許多無源阻抗匹配元件；③實(shí)現(xiàn)布線管理以控制芯片中的信號傳輸阻抗。

這些挑戰(zhàn)不但使電路設(shè)計(jì)增加了負(fù)擔(dān)，也限制了MIMIC芯片的生產(chǎn)。目前還沒有通用的MIMIC核心電路設(shè)計(jì)，這意味著還需要繼續(xù)開發(fā)EDA工具，以獲得所需的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)。即使對化合物材料的沉積控制已很精密，但也沒有達(dá)到硅材料的程度，因而今天前沿的混合信號、射頻/模擬芯片的集成度只能做到幾千個(gè)晶體管。只有大大提高了更復(fù)雜化合物半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)與制作，軍用射頻系統(tǒng)的能力才能大幅增強(qiáng)。

后硅新技術(shù)
有鑒于此，國防先進(jìn)計(jì)劃局的微電子技術(shù)處(MTO)推出了若干新的微電子技術(shù)項(xiàng)目，當(dāng)深亞微米的傳統(tǒng)MOS器件的性能開始受制于量子效應(yīng)，因而其發(fā)展遇到了難以逾越的物理界限。人們只好超越傳統(tǒng)辦法，尋求替代技術(shù)，“微米世界”讓位于未來基于量子力學(xué)的“納米世界”。

為了探索嶄新的領(lǐng)域，國防先進(jìn)計(jì)劃局制定了名為“超越硅CMOS”的多單位合作研究項(xiàng)目，包括；①分子電子技術(shù)；②自旋電子學(xué)(spintronics)；③量子信息與科學(xué)技術(shù)；④生物計(jì)算技術(shù)。

這些領(lǐng)域的研究工作正在取得巨大進(jìn)步。分子電子學(xué)項(xiàng)目獲得初步成功之后正開發(fā)大規(guī)模電路技術(shù)和納米級分子器件與傳統(tǒng)硅CMOS電路的接口問題，解決在分子計(jì)算機(jī)的什么地方接入鍵盤等問題。

第二個(gè)項(xiàng)目是探索如何提高深亞微米CMOS電路的信號處理能力，現(xiàn)在CMOS的特征尺寸是100nm，下一年代將縮小到10nm。此外，國防先進(jìn)計(jì)劃局近兩年還做了一些專門研究。其中一項(xiàng)主要研究是在摩爾定律走向極限時(shí)的微處理器結(jié)構(gòu)，以繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

更重要的是其結(jié)果使我們看清了以下兩個(gè)值得注意的發(fā)展趨勢，將給數(shù)字信號處理技術(shù)帶來真正的革命。
①隨著時(shí)鐘頻率的不斷增加，芯片內(nèi)信號傳輸將采用多個(gè)時(shí)鐘周期。這使目前基于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的信號處理器的效率將越來越低。到2010年，目前設(shè)計(jì)的芯片處理能力和基于新結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的芯片處理能力相比，可相差4個(gè)數(shù)量級以上。

這種挑戰(zhàn)要求研究人員從目前的計(jì)算密集的串行處理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向通信密集的并行處理設(shè)計(jì)，同時(shí)要求新設(shè)計(jì)和制造的芯片是具有相當(dāng)于芯片級局域網(wǎng)或“納米局域網(wǎng)”芯片，其數(shù)據(jù)流與管理方式有點(diǎn)類似于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)化工作站。這種新的