集成電路（Integrated Circuit，IC）是通過半導體技術將許多晶體二極管、三極管、電阻等元件制作在微小的硅單晶晶片上，并連接起來完成特定電子技術功能的電子電路。集成電路廣泛應用于計算機、通信、汽車、家用電器等領域。同時，它們是現代信息產業的基礎，已成為最具潛力和活力的產業之一。

集成電路的發展歷史可以追溯到20世紀50年代。經過幾十年的發展，它現在已經成為現代電子技術的核心。人們常常把電子設備的每一次重大變革作為衡量電子技術發展的標志。1904年出現的半導體器件（如真空三極管）稱為第一代，1948年出現的半導體器件（如半導體三極管）稱為第二代，1959年出現的集成電路稱為第三代，1974年出現的大規模集成電路稱為第四代。經過多年的產業更新迭代和技術轉型升級，半導體產業鏈已趨于穩定和完整。

集成電路有很多種，按集成度、封裝形式、制造工藝和電路功能可分為數字電路、模擬電路和接口電路。與分立元件電路相比，集成電路具有體積小、重量輕、壽命長、速度快、功耗低、成本低和可靠性高等特點。在信息時代，集成電路技術是最重要和最基礎的技術。沒有集成電路產業的支撐，信息社會將失去根基，這就是為什么集成電路被稱為現代工業的“糧食”。

1947年12月23日，世界上第一個晶體管誕生了。主要發明者是貝爾實驗室的三位半導體物理學家:威廉姆·肖克利、沃爾特·布拉坦和約翰·巴丁。1958年，基爾比將幾個鍺晶體管芯片粘在一個鍺芯片上，并用細金線將這些晶體管連接起來，形成了世界上第一個集成電路。與此同時，仙童半導體公司的羅伯特·諾伊斯于1959年1月23日推出了用于金屬互連的“平面技術”。他們被認定為集成電路的共同發明人。

在此期間，中國提出了“向科學進軍”的口號，國務院制定了12年科技發展規劃，并將電子產業列為重點發展目標。中國科學院成立了計算技術研究所。為了培養電子行業的人才，中國教育部集中了國內五所大學的科研資源，在北京大學設立了半導體專業。中國科學院半導體研究室、王守玨等人研制成功我國第一批鍺合金擴散高頻晶體管，頻率達到150MHz。

中小型集成電路誕生：1960年，諾伊斯用平面技術生產了第一個實用的集成電路芯片。1961年，飛兆半導體公司推出了平面集成電路。這個過程是使用拋光的硅片并采用“光刻”技術形成半導體電路的組件，如二極管、三極管、電阻器和電容器。只要“光刻機”的精度不斷提高，元件的密度就會相應增加，具有很大的發展潛力。因此，平面技術被認為是“整個半導體的工業紐帶”，是摩爾定律的技術基礎。同年，中國科學院成立了半導體研究所，同年成立了河北半導體研究所，開展產業技術攻關。1962年，中國科學院半導體研究所成立中國半導體測試中心。1963年，中國中央政府成立了第四機械工業部來管理中國的電子工業。

1962年，史蒂文·霍夫斯坦和另一位年輕工程師弗雷德里克·海曼研究的一個項目取得了成功。他們希望生產一種硅絕緣柵場效應晶體管，這種晶體管可以用于由數千個晶體管組成的電路。他們宣布共同開發金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。到今年年底，一個2500平方毫米（1毫米等于千分之一英寸）的集成電路芯片上可以容納16個MOSFET。到1963年，美國無線電公司已經制造出包含數百個這種設備的芯片。

1965年，時任仙童半導體公司研發實驗室主任的戈登·摩爾寫了一份觀察報告，他發現每個新芯片的容量大約是上一個芯片的兩倍，而且每個芯片都是在上一個芯片生產后的18至24個月內生產的。如果這種趨勢持續下去，計算能力將隨時間呈指數級增長。這種趨勢就是后來的摩爾定律，它成為許多行業業績預測的基礎。同年，上海華東計算技術研究所與上海冶金研究所、上海元件五廠等單位合作，開始研制655型數字集成電路主機，由陳仁福副研究員（照片右側）主持，重點研究TTL集成電路。1969年在上海無線電十三廠投產，命名為TQ-6計算機，每秒運算100萬次，裝有磁盤操作系統和語言編譯器。

1968年，中國國防科委成立了固態電路研究所（現中電集團24所），這是中國唯一的模擬集成電路研究所。同年，上海無線電十四廠率先制造出PMOS（P型金屬氧化物半導體）電路。它是我國MOS集成電路發展的序幕。

大規模和超大規模集成電路的誕生：20世紀70年代初，英特爾公司制造了4004微處理器系列。這款4位4004是第一款微處理器，采用P溝道MOS技術制造，面積為150x110平方英里。這種“準計算器”的出現極大地發展了MOS集成電路。

1970年，中國建造了北京878廠，主要生產TTU（配電變壓器監控終端）電路、CMOS（互補金屬氧化物半導體）時鐘電路和A/D轉換電路。同年，上海無線電19廠建成，主要生產TTL和HTL數字集成電路。是中國最早生產雙極型數字集成電路的專業工廠。1973年8月26日，中國第一臺集成電路電子計算機——105號計算機問世。該計算機是在北京大學、北京電纜廠和燃料化學工業部的協助下研制成功的。隨后，由王陽元等人領導的北京大學物理系半導體研究組設計了中國第一批三種類型（硅柵NMOS、硅柵PMOS和鋁柵NMOS）的1k DRAM動態隨機存儲器。1979年，上海元件五廠和上海無線電十四廠聯合仿制5G8080八位微處理器（編號5G8080）。8080是英特爾公司于1974年推出的第二款CPU處理器。它集成了6000個晶體管，每秒可執行29萬次操作。后來由于大躍進運動，為了控制嚴重的宏觀經濟混亂和減少投資數額，中國中央突然停止和推遲了400多個大中型項目，1981年又停止和推遲了22個大型項目。

20世紀80年代，超大規模集成電路（VLSI）技術得到廣泛應用，它可以集成數千萬個晶體管，提高電子元件的密度和性能。超大規模集成電路和射頻芯片誕生，移動通信蓬勃發展。隨后，人們簡化了復雜的CPU功能，并將其與GPU相結合，推出了適用于移動智能終端的APU。在同一時期的開始，中國也建立了許多相關部門。然而，由于中國中央政府完全停止了對電子行業的投資，電子企業不得不自己去市場尋找資源。所以中國電子工業的技術升級完全停止了。后來，為了解決問題，電子工業部在廈門召開了集成電路戰略研討會并提出了“531戰略”。即“普及5μm技術，發展3μm技術，攻關1μm技術”，實施南北兩個微電子基地。南方集中在江浙滬，北方集中在北京。在政策的支持下，中國誕生了五家大型國有半導體企業，從而慢慢步入正軌。

20世紀90年代后，在半導體敏感器件和集成電路微加工技術的基礎上，MEMS技術應運而生。在互聯網和射頻技術的參與下，物聯網應運而生，并有望成為電子信息領域最大的產業。

1990年8月，中國國務院決定在第八個五年計劃中啟動總投資20億元的“908工程”，屆時半導體技術將達到1μm工藝。1996年7月，歐美33國正式簽署了《瓦森納協定》。該協議的民用技術管制清單包括九個類別:電子設備、計算機和傳感器。《軍事技術管制清單》包括22個類別。中國是被禁運的國家之一。到20世紀90年代末，中國微電子技術與國外的差距至少有10年。

進入21世紀，隨著新材料和新工藝的應用，集成電路的發展取得了更大的進步。三維集成電路和片上系統技術已經成為集成電路的主流。三維集成電路采用多層芯片的垂直堆疊方式，大大提高了電子元器件的集成度。片上系統將整個電子系統集成在一個芯片上，具有高度的集成度和靈活性。

石墨烯場效應晶體管是目前研究進展最深入的新型原理器件。石墨烯是由單層蜂窩狀晶格中的碳原子組成的二維材料，載流子遷移率高達15000cm2/VS，熱導率高達5000W/mk，均為硅的100倍以上。2010年2月，IBM開發了一種頻率高達100GHz、柵極長度為240nm的石墨烯FET。之后，全球范圍內開展了石墨烯基電子器件特別是RF-FET的研究。提高了半導體原理器件的豐富性和靈活性。

經過多年的產業更新迭代和技術轉型升級，半導體產業鏈已趨于穩定和完整。完整的集成電路產業鏈包括上游的材料和設備行業、設計行業、制造行業、封裝和測試行業以及下游行業，如車聯網、人工智能、物聯網、智能汽車和可穿戴電子設備。

全球集成電路產品市場規模和產業集聚集中度較高。全球集成電路市場主要包括美國、歐盟、日本和亞太地區，從產業集聚度來看，美國、歐盟、日本、韓國和亞太地區，其中中國和中國臺灣省也是產業集聚的重點地區。從產品區域來看，亞太地區一直是全球最大的集成電路市場，其銷售收入占全球集成電路市場的一半以上。2018年亞太地區的銷售收入相當于其他國家和地區總和的0.66倍。在全球集成電路市場份額中，亞太地區、美國、歐盟和日本分別占60.34%、21.97%、9.16%和8.52%。

作為集成電路行業的技術領導者，美國在集成電路的增長速度上遙遙領先于其他國家和地區。在某種程度上，美國集成電路的增長趨勢代表了全球整體趨勢。2011年以來，全球集成電路市場增速放緩，增速從2010年的31.82%降至0.40%，同比下降25.70%。直到2017年全球集成電路市場才逐漸復蘇，成為新一輪集成電路市場的轉折點，增長率為211.62%，其中美國的增長率為35.03%。2018年美的增速為16.39%，銷售收入為1029億美元。歐盟和日本集成電路銷售收入分別為429.57億美元，增速為12.13%和399.61億美元，增速為9.20%。

功能分類

根據功能的不同，集成電路可以分為三種設計模式:數字電路設計、模擬電路設計和混合電路設計。數字電路設計:數字電路設計是設計和實現數字電路的過程，數字電路用于處理數字信號。數字電路設計通常包括邏輯器件（CPU、FPGA、CPLD）、存儲器（RAM、ROM）和微處理器（MCU、DSP）。

模擬電路設計:模擬電路設計是處理模擬信號的電子電路設計。自然界中絕大多數信號都是模擬信號，它們具有連續的幅度值。模擬電路設計可用于設計此類信號，例如，功率放大器可設計為通過模擬電來放大聲音信號或圖像信號。模擬電路設計通常包括電源管理、RF、PLL和放大器，常用的設計工具包括SPICE。

混合信號電路設計:混合信號電路設計是一種將數字電路與模擬電路相結合的設計過程。它通常包括數字信號處理、模擬信號處理、數據轉換等。常見的設計工具包括Cadence等。

特殊電路設計:特殊電路設計是一些特殊應用場景中的電路設計，如功率放大器、射頻電路、高速X電路、低功耗電路等。常用的設計工具包括廣告。

集成級別

小規模集成電路（SSI）:每個芯片的元件少于100個，也稱為普通集成電路。

中規模集成電路（MSI）:每個芯片上有100到1000個組件的集成電路。

大規模集成電路:每個芯片上有1000到100000個元件的集成電路。

超大規模集成電路（VLSI）:一個芯片上有10萬到100萬個集成電路的集成電路。

超大規模集成電路:一個芯片上有一百萬到一億個集成電路。

大規模集成電路（GSI）:在一個芯片上有超過1億片集成電路。

導電類型 

它可分為雙極集成電路、單極集成電路和兼容集成電路。雙極集成電路:雙極集成電路具有導電性，具有空穴和自由電子，其制造工藝復雜且功耗高。有TTL、ECL、HTL、LST-TL和STTL集成電路，如74LS系列集成電路。

單極集成電路:單極集成電路只有大部分載體導電，制造工藝簡單，功耗低，易于制造大規模集成電路。代表性的集成電路包括CMOS、NMOS和PMOS，如CD4000系列和74HC系列集成電路。

制造過程分類 

薄膜集成電路:它是通過在絕緣襯底上涂覆或印刷電路元件而形成的某種形式的電路。

混合集成電路:是將薄膜集成電路和半導體集成電路技術相結合而制成的集成電路。混合集成電路具有便于拼湊的優點。

半導體集成電路:是用所謂的“平面工藝”方法在半導體材料（主要是硅）晶片上制作各種有源或無源元件，并形成一定功能的電路。

目的分類

按用途可分為電視集成電路、音頻集成電路、DVD播放機集成電路、消費類集成電路、通信集成電路、攝像機集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警集成電路、電源集成電路和各種專用集成電路。在集成電路制造企業中，一般按用途分類。

主集成電路：專門為特定應用或特定電子產品開發的集成電路性能穩定、功能強大、保密性好。目前，門陣列（CA）、標準單元集成電路（CBIC）、可編程邏輯器件（PLD）、模擬陣列和數模混合陣列以及完全定制的集成電路得到了廣泛應用。

集成電路設計和仿真：模擬集成電路的設計過程包括拓撲選擇、電路參數設計、版圖設計、制造和測試。模擬集成電路設計的早期階段主要由手工完成，效率低下。模擬電路參數的自動優化方法對于解放人力、降低時間成本具有重要意義。

半導體技術：半導體技術是制造集成電路的關鍵技術之一。該工藝包括晶體生長、晶片制備、掩模工藝等步驟。晶體生長是指制備單晶硅的過程，通常采用直拉生長法或區熔法。晶圓制備包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、化學機械拋光等步驟。掩模技術是通過光刻技術將芯片上的電路圖案顯影到硅片上的過程。

高純試劑的制備：超凈高純試劑是超大規模集成電路制造過程中的關鍵基礎化學材料之一，具有品種多、用量大、技術要求高、保質期短、腐蝕性強等特點。其純度和清潔度對集成電路的成品率、電性能和可靠性有非常重要的影響。制備高純度試劑的關鍵是控制和達到所需的雜質含量和粒度。

化學機械拋光：化學機械拋光是一種結合化學反應和機械摩擦對材料表面進行加工的技術。它通常用于集成電路的制造過程中，以平滑晶片表面并去除表面上的缺陷和污染物。化學機械拋光的優點是可以產生非常光滑的表面，但缺點是工藝復雜且成本高。

其他技術：濺射靶材制備:濺射沉積工藝，即在一定的真空環境下，用帶電粒子轟擊材料表面，使粒子從材料表面濺射并沉積在基底表面形成厚度均勻的薄膜，是制備薄膜的主要技術之一，被轟擊的靶材稱為濺射靶材。靶材的制備方法主要包括鑄錠法、粉末冶金法等。

封裝技術:封裝的主要目的是保護芯片并使其穩定工作。包裝方式包括金屬包裝、塑料包裝、陶瓷包裝、玻璃包裝等等。金屬封裝和塑料封裝廣泛應用于電路中。

光刻:光刻是集成電路技術中最常用和最關鍵的技術之一。隨著芯片集成度的不斷提高，晶體管的器件特征尺寸也在縮小。這項技術有三個主要部分:光學系統、掩模技術和光刻膠，而光刻技術也決定了制造技術的先進程度。

蝕刻工藝:與薄膜沉積技術相反，蝕刻工藝的傳統定義是通過物理手段去除光刻工藝后未被光刻膠覆蓋或保護的部分，從而完成將掩模上的圖案轉移到薄膜上的目的。

沉積工藝:在一定的襯底上，通過濺射、氧化、外延、蒸發和電鍍等方法制成絕緣體、半導體、金屬和合金的薄膜，薄膜的厚度在納米和微米之間。薄膜的沉積方法通常是指薄膜的生長過程與基底之間沒有相互作用，即在基底材料上疊加一層或幾層其他材料，而不改變基底材料的厚度和晶體取向。

清洗工藝:主要原理是通過有機化合物化學或其他有機物理相互作用，有效氧化和去除各種新型工件材料內表面的化學污垢分子，從而有效去除工件產品內部分子中濃度水平較低的各種固體化學污染物，一般分為化學反應清洗（ppe）和物理清洗（又稱濺射腐蝕）。

封測工藝:傳統封裝工藝為來料檢驗-加工減薄-劃片-壓焊-塑封-電鍍-印刷-切筋成型和質檢。

曝光技術:常用的曝光方法有接觸、接近和投影。其中投影曝光系統是最常用的一種，是目前集成電路生產中最常用的曝光方法。

金屬蒸發:金屬蒸發是制作金屬電路的過程，包括真空蒸發和電鍍。

分離技術:分離技術是一種用于從混合物中分離所需組分的方法。在集成電路的制造中，分離技術通常用于從材料中分離所需的或其他高純度的材料。一些常用的分離技術包括離心、電泳和過濾。

改性和摻雜過程:改性和摻雜過程不會改變基底材料的厚度，而只是改變材料本身的性質。它可以通過擴散和離子注入來實現。

集成電路是半導體集成電路，即以半導體材料為襯底，將至少兩個元件和部分或全部互連線與襯底中或襯底上的至少一個有源元件集成在一起，然后通過擴散或滲透工藝形成N型、P型半導體或P-N結。讓它與電路板上的其他元件結合，完成一些具有特定功能的電路模塊。通常，它們由半導體材料獨特的電子空穴傳導能量提供能量，使電流可以通過半導體上的引線和引腳輸入或輸出，以完成半導體集成電路所需的特定功能。集成電路是電子設備中最重要的部分，承擔著運算和存儲的功能。

數字集成電路的實現包括FPGA和ASIC，下面重點介紹FPGA的設計方法。FPGA（現場可編程門陣列）具有性能好、規模大、可重復編程、開發投資低等優點。，并廣泛應用于現代電子產品中。

芯片設計通常分為兩類:正向設計和反向設計。正向設計一般用于實現一種新的設計，而逆向設計則是在理解他人設計的基礎上進行一些修改或改進。這兩個類別可以分為“自上而下”和“自下而上”的設計步驟。在FPGA設計中，經常采用分層設計方法，以模塊和層次進行設計描述。分層設計方法相對自由，可以采用自頂向下設計或自底向上設計，可以在任何級別使用原理圖輸入和硬件描述語言HDL設計。傳統的電路設計方法是自下而上的，即首先確定可用的元件，然后根據這些元件進行邏輯設計，并在完成后將模塊連接起來，最終形成系統。基于EDA技術的集成電路設計主要是自頂向下的設計方法，具體流程如下。

采用FPGA技術的數字邏輯系統設計的大部分工作都是在EDA軟件平臺上完成的，其設計過程包括設計輸入、設計處理、設計驗證和器件編程，以及相應的功能仿真、時序仿真和器件測試。采用可編程邏輯器件的數字集成電路的EDA設計的典型過程主要包括六個步驟:設計輸入、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時序仿真和器件編程下載。

設計輸入:通常有兩種方式，一種是HDL輸入。幾乎所有設計軟件都支持這兩種語言的設計輸入。HDL輸入具有良好的便攜性和通用性。但對于初學者來說，很難寫出恰當的句子來準確反映設計意圖。另一種常用的輸入方法稱為示意輸入。與HDL輸入相比，直觀易懂，元件庫資源豐富。但可移植性較差，特別是在設計大規模電路時，這種方法的可維護性較差。

功能模擬:是在不考慮器件延遲的情況下模擬一個設計項目，以驗證其邏輯功能的正確性，也稱為預模擬。

邏輯綜合:是將高級系統描述翻譯成低級門級邏輯電路的過程，即將設計輸入的高級語言或原理圖合成為底層軟件可識別的網表文件。現在最廣泛使用的是電子設計交換格式（EDIF）網表文件。

布局布線:通過功能仿真初步驗證設計后，根據所選PLD的規格，將合成的網表文件轉換為器件中宏單元和邏輯門之間的連接關系。

時序仿真:與之前的仿真相比，在布局和布線中可以獲得更精確的RC參數。根據這些參數，在考慮特定適配器的各種延遲以確保在所有可能條件下正確響應的情況下，通過仿真軟件再次驗證電路的功能和時序。這一步也稱為后模擬。

設備編程下載:通過仿真確認設計后，將文件編譯為設備可以識別的二進制代碼并下載到芯片中。

一個集成的EDA開發工具（如Quartus和Vivado）應該能夠完成上述所有過程，并可以使用第三方軟件（如ModelSim）來幫助設計。

電參數：靜態工作電流:指集成電路信號輸入引腳無輸入信號時電源引腳回路中的DC電流。通常給出三個指標:典型值、最大值和最小值。

增益:指集成電路內部放大器的放大能力。通常會標注開環增益和閉環增益，還會給出典型值、最大值和最小值等三個指標。

最大輸出功率:指輸出信號失真不變（通常為10%）時，集成電路輸出引腳輸出的電信號的功率。一般也給出三個指標:典型值、最大值、最小值。主要用于功率放大器集成電路。

極限參數：最大電源電壓:指集成電路的電源引腳和接地引腳上可加的DC工作電壓的極限值。使用時不要超過該值，否則會損壞集成電路。

容許功耗:指集成電路中可以承受的最大功耗。主要用于大功率集成電路。

工作環境溫度:指集成電路能維持正常工作的最高和最低環境溫度。

儲存溫度:指集成電路在儲存條件下所能承受的最高和最低溫度。

集成電路覆蓋面廣，幾乎涉及各行各業，如計算機系統、汽車工程、航空航天工程、生物醫學工程等。同時，它們在軍事領域的應用也非常廣泛，例如直升機控制系統和各種終端設備。人們生活中的許多設備也需要集成電路的支持，例如手機和電腦。

MEMS（微機電系統）:在半導體制造技術基礎上發展起來的新領域，目前主要應用于消費電子、汽車等領域。隨著產品的不斷成熟，在航空航天、醫學和工業上的應用逐漸普及。

智能可穿戴終端是指可以直接穿戴在身上或集成到衣服和配飾中的設備，并可以通過軟件支持與云進行交互。目前可穿戴終端多以手機輔助設備的形式出現，其中以智能手環、智能手表和智能眼鏡最為常見。

集成電路

工業機器人:從應用行業來看，工業機器人服務于國民經濟，其中3C制造業和汽車制造業在國內工業機器人總銷量中占比最高。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種利用計算機仿真系統生成具有多源信息融合的交互式三維動態真實場景和動作模擬的技術，使用戶具有身臨其境的體驗。

人工智能（AI）是一門研究和開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術和應用系統的新技術科學。該領域的研究包括機器人技術、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統。

通信設備:通信設備是用于實現通信功能的設備，如手機、路由器、調制解調器等。在集成電路中，通信器件通常需要使用高速電路和射頻電路等專用電路來實現高速傳輸和頻率調整。

消費電子:消費電子是指消費者日常使用的電子設備，如電視、音響和相機。在集成電路中，消費電子通常需要使用低功耗電路、嵌入式系統等技術來實現小尺寸和低功耗。

醫療設備:醫療設備是用于醫療保健的設備，如醫療儀器和醫療監護設備。在集成電路中，醫療設備通常需要使用高精度和高可靠性的電路設計來確保其準確性和安全性。

汽車電子:隨著汽車工業的快速發展，集成電路在汽車電子領域的應用越來越廣泛。汽車電子包括發動機管理系統、車身電子、車載信息娛樂系統等。常見的芯片包括處理器芯片、傳感器芯片、車載通信芯片等。集成電路的應用可以提高汽車的性能、安全性和便利性。