現(xiàn)代電子集成技術(shù)剖析：集成的尺度和維度

作者：Suny Li ? ?

在這篇文章中，我們從尺度（Scale）和維度（Dimension）兩方面來剖析現(xiàn)代電子集成技術(shù)。 集成，integration，是指將不同的單元匯聚到一起，并能實(shí)現(xiàn)其特定功能的過程，集成多指人類的活動，而非自然的過程。 集成電路、系統(tǒng)集成是比較常見的名詞。 今天，集成電路發(fā)展的兩大方向就是：更小的尺度，更高的維度。 ?

Integration

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集成的尺度

尺度，一般理解為尺寸、尺碼，計(jì)量的長度，規(guī)定的限度，可引申為準(zhǔn)則、法度。在本文中，尺度就指的是被描述對象的尺寸或大小。 按照從小到大的順序來分析集成的尺度，我們就從最小的基本粒子開始吧！

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基本粒子? ??

人類已知的世界由61種基本粒子（Elementary Particles）組成。 61種基本粒子被分為了夸克 (quark)、輕子 (lepton)、玻色子?(boson)三大類。 其中，只有電子(Electron)、光子(photon)與中微子(neutrino)是穩(wěn)定存在于自然界且能作用于宏觀世界的粒子。大名鼎鼎的夸克，被禁閉在質(zhì)子與中子這樣的復(fù)合粒子中，終生不得釋放。

電子?(輕子)：電子是人類認(rèn)識最充分，應(yīng)用最廣泛的基本粒子。今天，現(xiàn)代科技基本上都是圍繞著電子開展，如果沒有了電子，整個世界都會停滯。

光子?(玻色子)：光子應(yīng)用比電子還早，從遠(yuǎn)古時代就開始應(yīng)用，現(xiàn)代從日常生活到最新的科學(xué)領(lǐng)域都離不開光子。

中微子?(輕子)：中微子很難探測，因此被稱作神秘粒子，雖然目前應(yīng)用不多，卻被看作很有潛力的一種粒子。它速度極快，接近光速，并且可以無阻礙地穿越一切物體，未來可應(yīng)用于中微子通訊，地層掃描等領(lǐng)域。 而那些不能獨(dú)立存在于自然界的基本粒子，無法和宏觀世界直接打交道，因此無法實(shí)用，對人類的影響就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子、光子和中微子了。

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原子 ? ?

我們將尺度放大到原子。

人類目前已知的118種元素中，來自自然界的元素有92種，其余的元素則是由人工合成的。代表元素的最小單位我們稱之為原子，不同的原子構(gòu)成了不同的物質(zhì)。

原子的結(jié)構(gòu)，原子由原子核和繞核運(yùn)動的電子組成。原子核只占原子體積的幾千億分之一，因此，原子的體積是由核外電子決定的。

電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運(yùn)動那樣有確定的軌道，無法預(yù)測它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只知道它在某處出現(xiàn)的幾率有多少，如同一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此被稱為 “電子云”。

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我們以半導(dǎo)體中最常用的硅元素為例，硅原子核外有14個電子，其中第一層有2個電子，第二層有8個電子，最外層4個電子為價電子。 硅晶體中沒有明顯的自由電子，硅原子最外層的4個電子，既不像導(dǎo)體中那樣活躍，也不像絕緣體那樣被緊緊束縛住，其活躍度介于導(dǎo)體與絕緣體之間，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度升高而增加。

原子的尺度，原子沒有一個精確定義的最外層，通常所說的原子半徑是根據(jù)相鄰原子的平均核間距測定的。那么，在硅晶體中，硅原子之間的距離到底是多少呢？ 構(gòu)成晶體的最基本的幾何單元稱為晶胞(Unit Cell)，硅晶體是一個面立方體，其晶胞的邊長為0.543nm，以硅原子晶胞的一個面作為平面，硅原子排列如下圖所示，硅原子在該平面的最小間距為0.384nm，三個硅原子的排列寬度為1.152nm。

那么，一立方納米中有多少硅原子呢？ 在由硅原子構(gòu)成的一個面心立方體的晶胞內(nèi)，8個頂點(diǎn)和6個面各有一個硅原子，另外還有4個硅原子，分別位于四個空間對角線的 1／4處，平均到每一個硅晶胞中的原子數(shù)為8 （8 × 1/8 + 6 × 1/2 + 4 = 8）。

硅的晶胞邊長為a（晶格常數(shù)），在300K時，a=5.4305?（0.543nm）。 8 ÷（0.5433）=49.97≈50，也就是說，1nm3 中的硅原子數(shù)量為50個，通過硅材料的密度和硅原子質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，也會得到同樣的結(jié)果。 為了改善硅的導(dǎo)電性質(zhì)，在其中摻入少量5價元素，形成N型半導(dǎo)體，或者摻入少量3價元素，形成P型半導(dǎo)體。 無論摻入何種元素，基本不會改變硅的晶格結(jié)構(gòu)，因此，原子之間的距離也不會變化，1nm3?中的原子數(shù)量也不會變化，依然是50個。 到了納米尺度，原子也是可以論個來數(shù)的。 ?

從原子到功能細(xì)胞? ??

什么是功能細(xì)胞（Function Cell）？我們定義其為功能的最小單位，在集成電路中，晶體管就可以被定義為功能細(xì)胞。當(dāng)然，電阻、電容、電感、二極管等也是功能細(xì)胞。 功能細(xì)胞是由原子組成的，而功能的實(shí)現(xiàn)則是通過控制電子而實(shí)現(xiàn)的，也可以說，功能細(xì)胞的功能是由電子賦予的，能夠合理地控制電子，就具備了相應(yīng)的功能。 功能的實(shí)現(xiàn)則來源于現(xiàn)實(shí)的需求、人類的智慧和那些堪稱偉大的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)。 我們就以集成電路中最典型的功能細(xì)胞晶體管為例。 晶體管之所以能成為功能細(xì)胞，就在于其能有效地控制電子。

下圖是目前主流的FinFET晶體管，通過在柵極(Gate)施加合理的電壓，電子就能從源極(Source)流向漏極(Drain)，從而產(chǎn)生電流并導(dǎo)通。

通過晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以表示不同的狀態(tài)，多個晶體管組合在一起，就能形成不同的邏輯電路，從而完成不同的功能。

只要能執(zhí)行相同的功能，功能細(xì)胞的體積自然是越小越好。那功能細(xì)胞能小到什么程度呢？

針對現(xiàn)有的硅基晶體管而言，大致受兩個因素的制約，一個是晶體管內(nèi)最小的結(jié)構(gòu)寬度，另一個是晶體管自身所占的面積（體積）。

從上面分析我們知道，三個硅原子并排排列的寬度就超過了1nm，晶體管的最小結(jié)構(gòu)寬度可能達(dá)到甚至小于1nm嗎？現(xiàn)在不好下論斷，這么小的寬度除了工藝制作很難，按照現(xiàn)有理論工作的晶體管也難以正常工作。

新型的晶體管，例如單原子晶體管，其最小結(jié)構(gòu)寬度僅為一個原子，通過操作單個原子來控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

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據(jù)稱，單原子晶體管的能耗將只有硅基晶體管的萬分之一（1/10000），這對未來應(yīng)用是一個決定性的優(yōu)勢。

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從功能細(xì)胞到常系統(tǒng)? ??

功能細(xì)胞可以很小，現(xiàn)在的技術(shù)可以支持在指甲蓋大小的芯片上集成超過100億以上的晶體管。多個功能細(xì)胞可以組成功能塊（Function Block），多個功能塊又組成了功能單元（Function Unit），多個功能單元組成了微系統(tǒng)（MicroSystem）。 然而，對于人類來說，其產(chǎn)品的尺度需要適合人類的需要，必定要和人類自身的尺度相當(dāng)。 例如手機(jī)和電腦，前者需要經(jīng)常拿在手中，因此需要和人手的尺度相當(dāng)，后者需要放在桌面或者膝蓋上，因此和人體橫向的尺度相當(dāng)。

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這一類系統(tǒng)，我們稱之為常系統(tǒng)（Common System），意為常人可以接觸并經(jīng)常使用的系統(tǒng)。常系統(tǒng)由微系統(tǒng)、功能單元組成，最終也是由功能細(xì)胞組成。 ? 常系統(tǒng)由于需要和人類的尺度相匹配，即使科技發(fā)展的再先進(jìn)，其尺度也不會變化太大，但為了滿足人類更多的功能需求，其內(nèi)含的功能細(xì)胞會不斷地增加，即系統(tǒng)的功能密度（Function Density）會不斷增加。 并且，在人類文明發(fā)展的過程中，這種趨勢會一直延續(xù)下去，這也符合功能密度定律（Function Density Law）的描述。 ?

從常系統(tǒng)到大系統(tǒng)? ??

另外，還有一類系統(tǒng)，雖然也是為人服務(wù)的，但并非為個人服務(wù)，而是為群體服務(wù)，因此其尺度可以很大，這類系統(tǒng)我們稱之為大系統(tǒng)（Giant System）。例如載人航天系統(tǒng)，無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等等。 大系統(tǒng)通常都很復(fù)雜，一般由很多的常系統(tǒng)、微系統(tǒng)或者功能單元組成。

例如GPS系統(tǒng)，分為三大部分：空間部分，一共由24顆衛(wèi)星組成；地面部分，由主控制站，監(jiān)測站，地面天線組成；用戶設(shè)備部分，即各式各樣的GPS 信號接收機(jī)。

GPS系統(tǒng)可對地面車輛、船只、飛機(jī)、衛(wèi)星和飛船等各種移動用戶進(jìn)行實(shí)時的高精度定位測速和精確授時。

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大系統(tǒng)和常系統(tǒng)一樣，為了滿足更多的功能需求，其功能密度也會不斷增加，并且這種趨勢會隨著人類文明的發(fā)展一直延續(xù)下去，同樣也符合功能密度定律的描述。

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集成的尺度總結(jié)? ??

這里，我們用兩張圖對集成的尺度做個總結(jié)。 我們將電子系統(tǒng)按照層次分為6級，稱為電子系統(tǒng)6級分類法。 其中，功能細(xì)胞是最小的功能單位，功能細(xì)胞→功能塊→功能單元，為三級不同的功能單位，并由此組成了微系統(tǒng)→常系統(tǒng)→大系統(tǒng)，如下圖所示。

然后，我們對功能細(xì)胞進(jìn)行解析，將功能細(xì)胞按照層次分為4級：基本粒子組成了原子，原子形成晶胞，晶胞組成了功能細(xì)胞。

在本文中，從基本粒子到人類目前可實(shí)現(xiàn)的最復(fù)雜系統(tǒng)，我們按照尺度將其分成了9（4+6-1）個層次，其中，功能細(xì)胞是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是功能的基本單位和載體，就如同人類的細(xì)胞一樣，是人類生命的組成單位和智慧的載體。 ? 每一個層次或環(huán)節(jié)，都需要不同的人去探索、去實(shí)現(xiàn)，去創(chuàng)新，去發(fā)展，并將人類的智慧融入其中。 ? ?

Integration

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集成的維度

人類可以感知的世界，空間維度只有三個，加上時間，常被稱為四維時空。

弦理論里描述的11維時空，無法證實(shí)其是否真實(shí)存在。即使存在，也如同那些被禁錮在微觀世界的基本粒子，在人類的宏觀世界根本無法感知，因此，對人類的活動幾乎沒有任何影響。

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在我們通常的認(rèn)識中，零維是點(diǎn)，一維是線，二維是平面，三維是立體。

集成，是將不同的單元匯聚到一起，并能實(shí)現(xiàn)其特定功能的過程，因此，零維的點(diǎn)，一維的線都不適應(yīng)于集成，現(xiàn)實(shí)中主要的集成方式就是兩維的平面集成和三維的立體集成。

實(shí)際應(yīng)用中，僅僅用兩維和三維來對集成進(jìn)行分類確實(shí)有些勉為其難，例如有的人就用“假3D”，“真3D”來區(qū)分不同類型的芯片堆疊方式。

在本文中，我們將集成分為：2D、2D+、2.5D、3D、4D，共五種集成維度，目的是為了便于集成的分類和區(qū)分，同時也兼容目前的主流說法。

此外，我們給出了兩個重要的判據(jù)，物理結(jié)構(gòu)和電氣互連。

下面描述的集成主要針對集成電路封裝領(lǐng)域，對于其他領(lǐng)域也可以此類推。 ?

2D集成? ??

2D 集成是指在基板的表面水平安裝所有芯片和無源器件的集成方式。

以基板 (Substrate) 上表面的左下角為原點(diǎn)，基板上表面所處的平面為XY平面，基板法線為Z軸，創(chuàng)建坐標(biāo)系。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均安裝在基板平面，芯片和無源器件和 XY 平面直接接觸，基板上的布線和過孔均位于 XY 平面下方；電氣互連：均需要通過基板（除了極少數(shù)通過鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）。

我們最常見的2D集成技術(shù)應(yīng)用于MCM、部分SiP以及PCB。

MCM（Multi Chip Module）多芯片模塊是將多個裸芯片高密度安裝在同一基板上構(gòu)成一個完整的部件。

在傳統(tǒng)的封裝領(lǐng)域，所有的封裝都是面向芯片的，為芯片服務(wù)，起到保護(hù)芯片、尺度放大和電氣連接的作用，是沒有任何集成的概念的。隨著MCM興起，封裝中才有了集成的概念，所以封裝也發(fā)生了本質(zhì)的變化，MCM將封裝的概念由芯片轉(zhuǎn)向模塊、部件或者系統(tǒng)。

2D集成的SiP，其工藝路線和MCM非常相似，和MCM主要的區(qū)別在于2D集成的SiP規(guī)模比MCM大，并且能夠形成獨(dú)立的系統(tǒng)。

2D 集成示意圖

此外，基于FOWLP的集成，例如INFO，雖然沒有基板，也可以歸結(jié)為2D集成。目前，集成電路中的晶體管排列也基本上屬于2D集成。 2D集成對EDA設(shè)計(jì)工具來說最為簡單，下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D集成設(shè)計(jì)。

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EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D集成設(shè)計(jì)

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2D+集成? ??

2D+集成是指的傳統(tǒng)的通過鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會有人問，芯片堆疊不就是3D嗎，為什么要定義為2D+集成呢？

主要基于以下兩點(diǎn)原因：1）3D集成目前在很大程度上特指通過3D TSV的集成，為了避免概念混淆，我們定義這種傳統(tǒng)的芯片堆疊為2D+集成；2）雖然物理結(jié)構(gòu)上是3D的，但其電氣互連上均需要通過基板，即先通過鍵合線鍵合到基板，然后在基板上進(jìn)行電氣互連。這一點(diǎn)和2D集成相同，比2D集成改進(jìn)的是結(jié)構(gòu)上的堆疊，能夠節(jié)省封裝的空間，因此稱之為2D+集成。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接觸基板，基板上的布線和過孔均位于XY平面下方；電氣互連：均需要通過基板（除了極少數(shù)通過鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）。

下圖所示幾種集成均屬于2D+集成。

2D+ 集成示意圖

此外，對于PoP (Package on Package) 類的集成方式，也可以根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)和電氣連接進(jìn)行判定，將其歸結(jié)為2D+集成。 EDA設(shè)計(jì)工具對2D+集成一直有很好的支持，下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D+集成設(shè)計(jì)。

EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D+集成設(shè)計(jì)

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2.5D集成? ??

2.5D顧名思義是介于2D和3D之間，通常是指既有2D的特點(diǎn)，又有部分3D的特點(diǎn)的一種維度，現(xiàn)實(shí)中并不存在2.5D這種維度。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和無源器件安裝在中介層上（Interposer），在XY平面的上方有中介層的布線和過孔，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。電氣互連：中介層（Interposer）可提供位于中介層上的芯片的電氣連接。

2.5D集成的關(guān)鍵在于中介層Interposer，一般會有幾種情況，1）中介層是否采用硅轉(zhuǎn)接板，2）中介層是否采用TSV，3）采用其他類型的材質(zhì)的轉(zhuǎn)接板；在硅轉(zhuǎn)接板上，我們將穿越中介層的過孔稱之為TSV，對于玻璃轉(zhuǎn)接板，我們稱之為TGV。

硅中介層有TSV的集成是最常見的一種2.5D集成技術(shù)，芯片通常通過MicroBump和中介層相連接，作為中介層的硅基板采用Bump和基板相連，硅基板表面通過RDL布線，TSV作為硅基板上下表面電氣連接的通道，這種2.5D集成適合芯片規(guī)模比較大，引腳密度高的情況，芯片一般以FlipChip形式安裝在硅基板上。

有TSV的2.5D集成示意圖

硅中介層無TSV的2.5D集成的結(jié)構(gòu)一般如下圖所示，有一顆面積較大的裸芯片直接安裝在基板上，該芯片和基板的連接可以采用Bond Wire或者Flip Chip兩種方式，大芯片上方由于面積較大，可以安裝多個較小的裸芯片，但小芯片無法直接連接到基板，所以需要插入一塊中介層（Interposer），在中介層上方安裝多個裸芯片，中介層上有RDL布線，可將芯片的信號引出到中介層的邊沿，然后通過Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV，只需要通過Interposer上表面的布線進(jìn)行電氣互連，Interposer采用Bond Wire和封裝基板連接。

無TSV的2.5D集成示意圖

現(xiàn)在，EDA設(shè)計(jì)工具對2.5D集成有了很好的支持，下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計(jì)。

EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計(jì)

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3D集成? ??

3D集成和2.5D集成的主要區(qū)別在于：2.5D集成是在中介層Interposer上進(jìn)行布線和打孔，而3D集成是直接在芯片上打孔（TSV）和布線（RDL），電氣連接上下層芯片。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均位于XY平面上方，芯片堆疊在一起，在XY平面的上方有穿過芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。電氣互連：通過TSV和RDL將芯片直接電氣連接。

3D集成大多數(shù)應(yīng)用在同類芯片堆疊中，多個相同的芯片垂直堆疊在一起，通過穿過芯片堆疊的TSV互連，如下圖所示。同類芯片集成大多應(yīng)用在存儲器集成中，例如DRAM Stack，F(xiàn)LASH Stack等。

同類芯片的3D集成示意圖 不同類芯片的3D集成中，一般是將兩種不同的芯片垂直堆疊，并通過TSV電氣連接在一起，并和下方的基板互連，有時候需要在芯片表面制作RDL來連接上下層的TSV。

不同類芯片的3D集成示意圖

此外，現(xiàn)在的3D Nand Flash是在芯片上直接制作多層存儲單元，也是一種3D集成技術(shù)。

現(xiàn)在，EDA設(shè)計(jì)工具對3D集成有了很好的支持，下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計(jì)。

EDA工具中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計(jì)

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4D集成? ??

前面介紹了2D，2D+，2.5D，3D集成，4D集成又是如何定義的呢？

在前面介紹的幾種集成中，所有的芯片(Chip)，中介板（interposer）和基板（Substrate），在三維坐標(biāo)系中，其Z軸均是豎直向上，即所有的基板和芯片都是平行安裝的。在4D集成中，這種情況則發(fā)生了改變。

當(dāng)不同基板所處的XY平面并不平行，即不同基板的Z軸方向有所偏移，我們則可定義此類集成方式為4D集成。物理結(jié)構(gòu)：多塊基板以非平行方式安裝，每塊基板上都安裝有元器件，元器件安裝方式多樣化。電氣互連：基板之間通過柔性電路或者焊接連接，基板上芯片電氣連接多樣化。

基于剛?cè)峄宓?D集成示意圖

氣密性陶瓷4D集成示意圖

4D集成定義主要是關(guān)于多塊基板的方位和相互連接方式，因此在4D集成每一塊基板中都可能會包含有2D，2D+，2.5D，3D的集成方式。

通過4D集成技術(shù)可以解決平行三維堆疊所無法解決的問題，提供更多、更靈活的芯片安裝空間，解決大功率芯片的散熱問題，以及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用中關(guān)注的氣密性問題。 現(xiàn)在，EDA設(shè)計(jì)工具對4D集成也有了很好的支持，如下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計(jì)。

EDA工具中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計(jì)

4D集成技術(shù)提升了集成的靈活性和多樣化，展望未來，在多種集成維度中，4D集成也必定占有一席之地，并將成為繼2D、2D+、2.5D、3D集成技術(shù)之后重要的集成技術(shù)。

從嚴(yán)格物理意義上來說，以現(xiàn)有的人類認(rèn)知出發(fā)，所有的物體都是三維的， 二向箔并不存在，四維空間更待考證。

為了便于區(qū)分多種不同的集成方式，我們將其分為2D、2D+、2.5D、3D，4D，5種集成維度。

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集成的維度總結(jié)? ??

這里，我們用一張圖對集成的維度做個總結(jié)，如下圖所示，包含5種集成維度的EDA設(shè)計(jì)圖例和每種維度具體包含的集成類型。

后 記

集成一般指人類的活動，而非自然的過程，因此，集成也是人類改造世界的重要手段。 在這篇文章中，我們從尺度和維度兩個方面來剖析現(xiàn)代電子集成技術(shù)，二者都屬于空間的范疇，一個代表空間的大小，一個代表空間的方位。 集成的尺度從最小的基本粒子到最復(fù)雜的大系統(tǒng)，分為9個層次進(jìn)行描述；集成的維度定義了5個維度來進(jìn)行分類和描述。 這篇文章從空間軸對集成進(jìn)行了詳細(xì)描述。 今天，集成電路發(fā)展的兩大方向就是：更小的尺度，更高的維度，二者相輔相成，共同推動人類文明的發(fā)展。

編輯：黃飛

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