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一、制造业与先进制造技术·
·
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1、制造业的地位·
2、先进制造技术的提出背景·
3、制造技术的进步和发展·
2、芯片制造技术和纳米技术的综合运用·
(3)
1、微处理器的发展历程·
2、芯片产品的纳米时代·
(6)
3、纳米技术对芯片的重要影响·
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三、纳米技术·
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1、纳米技术的战略地位·
2、生活中的纳米技术·
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3、纳米技术的发展目标·
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4、纳米新材料·
(14)
5、对纳米技术的看法·
4、参考文献·
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五、作业·
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一、制造业和先进制造技术
1、制造业的地位
制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱,其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。
在一个国家的企业生产力构成中,制造技术的作用一般占60%左右。
专家认为,世界上各个国家经济的竞争,主要是制造技术的竞争。
其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。
随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化,这种竞争日趋激烈,因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。
2、先进制造技术的提出
进入80年代以来,各国制造业面临复杂多变的外部环境:
科学技术突飞猛进,供求关系变化频繁,产品更新日新月异,各国经济与国际市场纵横交错,竞争对手林立等等。
因此,企业界都在寻求对策,以获取全球范围内竞争优势。
传统的制造技术已变的越来越不适应当今快速变化的环境,先进的制造技术,尤其是计算机技术和信息技术在制造业中的广泛应用,使人们正在或已经摆脱传统观念的束缚,跨入制造业的新纪元。
先进制造技术AMT就是在这种大环境下,美国根据本国制造业的挑战与机遇,对制造业存在的问题进行了深刻反省,为了加强其制造业的竞争能力和促进贵民经济增长而提出来的。
从技术的角度来看,以计算机为中心的新一代信息技术的发展,使制造业技术达到了前所未有的新高度。
“先进制造技术”这个专有名词一经提出,立即获得欧洲各国、日本及亚洲新兴工业化国家的响应。
先进制造技术是集制造技术、电子技术、信息技术、自动化技术、能源技术、材料科学以及现代管理技术等众多技术的交叉、融合和渗透而发展起来的,涉及到制造业中产品设计、加工装配、检验测试、经营管理、市场营销等产品生命周期全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的一项综合性技术。
3、制造技术的进步和发展
人类社会在步入新世纪的同时也逐渐由工业经济时代步入了知识经济时代。
在知识经济时代,知识和技术被认为是提高生产率和实现经济增长的驱动器。
因而先进制造技术已经成为制造企业在激烈市场竞争中立于不败之地并求得迅速发展的关键因素,成为世界经济发展和满足人类日益增长需要的重要支撑,成为加速高新技术发展的助推器。
自18世纪以来,制造技术的发展经历了五个发展时期:
1)工厂式生产时期
2)工业化规模生产时期
3)刚性自动化发展时期
4)柔性自动化发展时期
5)综合自动化发展时期
人类科学技术的每次革命必然引起制造技术的不断发展;
随着人类的不断进步,需求不断产生变化,制造业也从而得到了迅速的发展和进步。
先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是面向21世纪的技术制造业是社会物质文明的保证,是与人类社会一起动态发展的,因此,制造技术必然也将随着科技进步而不断更新。
先进制造技术是由传统的制造技术发展而来,是制造技术的最新发展阶段,既保持了过去制造技术中的有效要素;
又随着高新技术的渗入和制造环境的变化,产生了质了变化,先进制造技术是制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群,是一类具有明确范畴的新的技术领域,是面向21世纪的技术。
二、芯片制造技术和纳米技术的综合应用
制造业从20世纪初开始逐步走上科学发展的道路。
智能自动化,如智能计算机、智能机器人、智能加工设备、智能生产线等,成为了全球各个国家先进制造计划的核心目标。
提到智能,离不开微处理器(microprocessor),它是微型计算机的运算及控制部件,也称中央处理单元CPU(CentralProcessingUnit)。
它本身不构成独立的工作系统,因而它也不能独立地执行程序。
通常,微处理器由算术逻辑部件(ALU)、控制部件、寄存器组和片内总线等几部分组成。
微处理器是一种芯片,微处理器制造工艺的更新换代从侧面表现了芯片制造技术的发展,同时也代表了先进制造技术的发展。
1、微处理器制造的发展历程
第一代微处理器是1971年Intel公司推出的4040和8008。
它们是采用PMOS工艺的4位及8位微处理器,只能进行串行的十进制运算,集成度达到2,000个晶体管/片,用在各种类型的计算器中已经完全能满足要求。
作为人类历史上最具革新性的产品之一“4004”含有2300个晶体管,晶体管之间的距离是10微米(也就是10000纳米,和现在的45纳米相差甚远),能够处理4bit的数据,每秒运算6万次,主频0.74MHz,运行的频率为108KHz,成本不到100美元。
Intel4004微处理器最初是Intel专门为日本一家名为Busicom的公司设计制造,用于该公司的计算器产品。
第二代微处理器是1974年推出的8080,M6800及Z-80等。
它们是采用NMOS工艺的8位微处理器,集成度达到9,000个晶体管/片。
这些8位微处理器构成的计算机系统对许多算术运算和其他操作都必须编制程序。
典型8位微处理器有一条16位地址线,因此最多可寻址64K个存储单元,在许多要求不高的工业生产和科研开发中已可运用,但对于具有大量数据的大型复杂程序都可能是不够的。
20世纪70年代后期,超大规模集成电路(VLSI)投入使用,出现了第三代微处理器。
20世纪80年代以来,Intel公司又推出了高性能的16位微处理器80186及80286。
80286是为满足多用户和多任务系统的微处理器,速度比8086快5~6倍。
处理器本身包含存储器管理和保护部件,支持虚拟存储体系。
1985年,第四代微处理器80386及M68020推出市场,集成度达45万个晶体管/片。
它们是32位微处理器,时钟频率达40MHz,速度更快,性能更高。
20世纪90年代出现了一门新兴技术——纳米技术。
它是在0.10~100纳米(即十亿分之一米)尺度的空间内,研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。
由于纳米技术将最终使人类能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子,以实现对微观世界的有效控制,所以对21世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响,被世界各国列为21世纪的关键技术之一,并投入大量的人力物力进行研究开发。
1990年,IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排,他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置,组成了IBM三个字母使纳米技术取得一项关键突破。
这证明范曼是正确的,二个字母加起来还没有3个纳米长。
不久,科学家不仅能够操纵单个的原子,而且还能够“喷涂原子”。
使用分子束外延长生长技术,科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法,每次只造出一层分子。
目前,制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。
2、芯片产品的“纳米时代”已经来临
利用纳米技术将氙原子排成IBM
1995年以后,这一技术被英特尔公司看中。
芯片制造工艺有了质的飞跃,从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、65纳米一直发展到目前最新的45纳米(45纳米广泛运用于智能手机中的cpu,如iphone的A4处理器、高通msm8255、德州仪器OMAP3630/3640等),而32纳米制造工艺将是下一代CPU的发展目标。
2009年Intel已推出被看作是Nehalem的衍生物的命名为Westmere的32nm处理器,在2010年Intel又推出了一款新的32nm架构的代号为SandyBridge的32nm处理器。
在2011年,32nmSandyBridge将被22nm的IvyBridge替代。
目前,Intel的工程师已经着手研发22nm芯片,可以想像,它们应该载有更多的缓存,更多的内核,并应最终速度超过任何我们今天的处理器。
3、纳米技术对芯片的重要影响
纳米技术使芯片的集成电路进一步缩小,超越了目前发展中遇到的极限,使芯片在制造的过程中不再遵循传统晶体管工作的物理规律。
因此,它能使CPU内部集成更多的晶体管,从而实现更多的功能和更高的性能;
使处理器的核心面积进一步减小,也就是说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的CPU产品,直接降低了CPU的产品成本,从而最终会降低CPU的销售价格使广大消费者得利;
使处理器的功耗减少,从而减少其发热量,解决处理器性能提升的障碍.....处理器自身的发展历史也充分的说明了这一点,先进的制造工艺与CPU的性能和功能一直增强和发展密不可分,随着价格则一直下滑,电脑也从以前大多数人可望而不可及的奢侈品变成了现在所有人的日常消费品和生活必需品。
如今,生活中芯片的应用随处可见,芯片制造工艺的每一次飞跃都会对电子产品产生决定性的影响。
只有让芯片变的更小、更冷、更快及更经济智能,才会造就无处不在的电子产品。
芯片的不断变小,促使电子产品也不断变小,才能更好地满足应用要求。
例如,嵌入到人体内的心脏起搏器,现在已经变得只有一个硬币大小了。
随着芯片集成度的不断上升,很多毫米级的小小芯片本身就是一个电子产品。
图为心脏起搏器
功耗越高,芯片发热量越大。
因此,电子产品的功耗越低越好。
因为功耗高到一定程度时,就必须通过集成技术对芯片进行改进,而集成技术遇到瓶颈时,功耗高便成为了芯片变小的障碍,所以,怎么让电子产品变的节能也是芯片制造时必不可少的考虑因素。
例如,心脏起搏器的功耗现在已低到不用只有10年寿命的电池方式供电了。
因此,降低电子产品的功耗成了芯片制造技术更新的焦点。
目前有降低动态功耗和静态功耗的技术。
据说,日本物质材料研究机构和东京大学共同开发了一种新的晶体管架构,不是依靠电子移动,而
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