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歷史追溯——開啟電子世界的大門
集成電路對一般人來說也許會有陌生感，但其實我們和它打交道的機會很多。計算機、電視機、手機、網站、取款機等等，數不勝數。除此之外在航空航天、星際飛行、醫療衛生、交通運輸、武器裝備等許多領域，幾乎都離不開集成電路的應用，當今世界，說它無孔不入並不過分。 在當今這信息化的社會中,集成電路已成為各行各業實現信息化、 智能化的基礎。無論是在軍事還是民用上,它已起著不可替代的作用。
所謂集成電路（IC），就是在一塊極小的硅單晶片上，利用半導體工藝製作上許多晶體二極管、三極管及電阻、電容等元件，並連接成完成特定電子技術功能的電子電路。從外觀上看，它已成為一個不可分割的完整器件，集成電路在體積、重量、耗電、壽命、可靠性及電性能方面遠遠優於晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應用於電子設備、儀器儀表及電視機、錄像機等電子設備中。
集成電路的發展經歷了一個漫長的過程，以下以時間順序，簡述它的發展過程：
1906年，第一個電子管誕生；
1912年前後，電子管的製作日趨成熟引發了無線電技術的發展；
1918年前後，逐步發現了半導體材料；
1920年，發現半導體材料所具有的光敏特性；
1932年前後，運用量子學說建立了能帶理論研究半導體現象(這也為經典工藝所能達到的集成尺寸極限下了定論——7NM)；
1946年，威廉.肖克利(硅谷創始人，傑出的電子工藝學家，物理學家)的研發小組成功研發半導體晶體管，使得IC大規模地發揮熱力奠定了基礎；
1956年，硅檯面晶體管問世；
1960年12月，世界上第一塊硅集成電路製造成功；
1966年，美國貝爾實驗室使用比較完善的硅外延平面工藝製造成第一塊公認的大規模集成電路；
1988年，16M DRAM問世，1平方釐米大小的硅片上集成有3500萬個晶體管，標誌著進入超大規模集成電路階段的更高階段；
1997年，300MHz奔騰Ⅱ問世,採用0.25μｍ工藝，奔騰系列芯片的推出讓計算機的發展如虎添翼，發展速度讓人驚歎；
2009年，intel酷睿i系列全新推出，創紀錄採用了領先的32納米工藝，並且下一代22納米工藝正在研發。集成電路製作工藝的日益成熟和各集成電路廠商的不斷競爭，使集成電路發揮了它更大的功能，更好的服務於社會。由此集成電路從產生到成熟大致經歷瞭如下過程：電子管——晶體管——集成電路——超大規模集成電路
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現狀概述——代表性硬件
幾根零亂的電線將五個電子元件連接在一起，就形成了歷史上第一個集成電路。雖然看起來並不美觀，但事實證明，其工作效能要比使用離散的部件要高得多。歷史上第一個集成電路出自傑克-基爾比之手，當時，晶體管的發明彌補了電子管的不足，但工程師們很快又遇到了新的麻煩。為了製作和使用電子電路，工程師不得不親自手工組裝和連接各種分立元件，如晶體管、二極管、電容器等。
圖為晶體管之父：威廉.肖克利
在上個世紀八十年代初期，消費類電子產品(立體聲收音機、彩色電視機和盒式錄相機)是半導體需求的主要推動力。從八十年代末開始，個人計算機成為半導體需求強大的推動力。至今，PC仍然推動著半導體產品的需求。
從九十年代至今，通信與計算機一起佔領了世界半導體需求的2／3。其中，通信的增長最快。信息技術正在改變我們的生活，影響著我們的工作。信息技術在提高企業競爭力的同時，已成為世界經濟增長的新動力。
事實上，早在上世紀50年代，工程師們早就就萌生了集成電路的想法，其中，仙童、德州儀器以及摩托羅拉、ARM公司即是其中的典型代表，如上文所述，起初的開發板並不美觀，更不如現今的開發板性能優良——麵包板和覆銅板便是所有開發板的原型鼻祖。
如今，半個世紀過去了，當年的BIT在如今的TB面前已經顯得微不足道，從最初的上百微米級，到如今的十餘納米級，IC的性能簡直猶如指數爆炸般扶搖直上，電子設備的性能更是以知名的“摩爾定律”描述的奇蹟速度飛速提升，甚至2017年INTEL公司聲稱將實現的7納米工藝——經典工藝於平面集成的技術極限，我們將在實現這種工藝的那一天，將傳統意義上的IC性能發揮到極限。
圖為今天的開發板與IC板中的佼佼者——ARM，不但精準，而且功能全面，集成度高，穩定性好，
設計上可謂巧奪天工，性價比高，開發者使用要方便且稱心如意得多。
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未來展望——硬件何處去
上世紀30年代，就普朗克為首的物理學家揭示了微觀世界與經典力學的差異，而量子效應的發現則更是給經典工藝對於微觀世界的干預難上加難，實際上，納米級別的事物受到的量子波動影響要遠高於宏觀物體，而理論推導表明，一旦元件的特徵尺寸小於7納米，這種影響將不可再忽略不計，這也就意味著，經典工藝對於平面集成的極限也只是7納米，而摩爾定律並不是真正的自然規律，它是在描述人文世界產業狀況的函數模型，隨著INTEL實現7納米工藝，摩爾時代將迎來它的黃昏——後摩爾時代，那時的我們，將利用3D技術和摺疊工藝來實現立體集成，甚至很可能在並不久遠且可預見的未來，摩爾時代即將迎來它的終結——同時，第五代計算機，即電子計算機，也將完結它的傳奇——硅時代也許將畫上句號。
當然，這不意味著IT也已經發展到了極限，不，這只是個開始，當第五代計算機使命完結之日，也將是第六代計算機重裝上陣之時，其中，仿生計算機、光子計算機、量子計算機將是未來IT業的主角。其中，仿生計算機（即生物計算機）的研發進程目前走的最遠，生物計算機也稱仿生計算機，主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作為生物芯片來替代半導體硅片，利用有機化合物存儲數據，通過控制DNA分子間的生化反應來完成運算。運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質相互作用的過程。其轉換開關由酶來充當，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中明顯表示出來。
信息以波的形式傳播，當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。運算速度要比當今最新一代計算機快10萬倍，它具有很強的抗電磁干擾能力，並能徹底消除電路間的干擾。能量消耗僅相當於普通計算機的十億分之一。
且具有巨大的存儲能力。生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能，自動修復芯片上發生的故障，還能模仿人腦的機制等。它有以下優勢：
1） 集成度、功效更高
生物計算機的電路以分子為單位，在一平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，相比於傳統計算機的半導體硅片製成的芯片，生物芯片能容納電路的電路數量級提高了不只一個層次。（說的通俗些，一臺高配置的微型電子計算機的ROM才2T而已，而0.2g的 DNA就能儲備超過700T的信息。）
2）可靠性高，壽命更長
具有生物性質的生物計算機能做到自我修復，並且可以編碼設置其自我再生和複製的功能，因此有傳統計算機所沒有的高可靠性和超長使用壽命。（遭遇損壞如若不超過活性限度可以自行修復，甚至衍生出新的電路，自發在一定程度上提升硬件性能！）
3）耗能少
生物計算機的元件是由有機分子組成的生物化學元件，只需很少的能量就能就行所需的化學反應，耗能比傳統的消耗電能並不斷產生熱能的計算機大大減少，並且能量利用率大幅度提高。（等規模的生物PC與電子PC的能耗功率比相當於節能燈之於聚光燈）
4）方便適用
生物計算機由於體積下且具有生物特性，可以置於很多傳統計算機無法置放的地方生物計算機具有生物活性，能夠和人體的組織有機地結合起來，尤其是能夠與大腦和神經系統相連。這樣，植入人體的生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴充部分，並能由人體細胞吸收營養補充能量，成為幫助人類學習、思考、創造和發明的最理想的夥伴。，可以隨意設置在我們身邊的任何事物中，並且可以發揮其生物特性更方便地為生命體服務。（可以想象，手掌大小的生物PC的性能比如今高配的電子PC還要強上百倍，而耐用性、便攜性卻好得多得多）
5） 性能大幅度提升
生物計算機由於其蛋白質分子可以並行工作的原理，可以輕鬆實現大量的並行運算，並且速度提高了10萬倍以上，同時DNA作為儲存信息的媒介，其佔用空間也大幅縮小，僅佔傳統計算機的百億億分之一。（2007年，獨眼巨人研究中心將一臺生物PC運行了整整24小時，其間其完成的運算量相當於人類誕生以來全部計算量的總和，不幸的是，提取出其中的一條指定信息卻花費了近一個星期，這也是目前生物計算機的技術難題——運算速度綽綽有餘，而提取速度較之不足。）
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生物計算機的發展現狀
生物計算機的概念最早出現在1983年的美國。自那以後，研製生物計算機的熱潮就在各個發達國家被掀起。
首先，生物學家通過對生命體組織細胞的研究，將仿生學應用到計算機這一領域，從而產生了用生物化學分子製造計算機的想法。生物計算機的研究方向目前大致有兩類：一類是研製分子計算機，即製造有機分子元件去代替目前的半導體邏輯元件和存儲元件；另一方面是深入研究人腦的結構、思維規律，再構想生物計算機的結構。生物計算機所研究的內容有很多，目前大致有如下一些研究內容：生物分子或超分子芯片；與生物現象類比的自動機模式；以生物智能為基礎的仿生算法、立足於可控生化反應的生物化學算法、DNA計算機、採用各種生物化學技術實現的細胞計算機等等。其中，生物計算機研究領域中很關鍵的一環是尋找關鍵DNA，由於DNA是控制生命的最終核心，並且有著能儲存巨大信息的特點，因此尋找或人工製造符合計算機需求的DNA是此領域的一個關鍵。
目前，生物計算機的最新研究成果是美國最新研製的可以讓科學家對分子進行“編程”，並由活細胞執行“命令”的生物計算機。
此外生物計算機目前仍舊處於起步階段，科學家仍在積極地研製生物芯片。
雖然生物計算機至今還沒有取得革命性的進展，而且有的學者也提出生物計算機在現階段出現的一系列缺點，例如以遺傳物質為基礎的生物計算機會受環境的干擾、計算結果難以檢測、生物化學反應不是百分之百成功等，此外我們目前還不知道如何能在一個以蛋白質分子為主的生物芯片上運行一個文本編輯器，但這些並不影響生物計算機作為一個有著巨大潛力的領域而存在，因為人類技術的進步是如此令人驚訝，就像在一百年前人們無法想象如今的電子計算機一樣，相信隨著生物技術的不斷進步，這些技術上的問題終究會被解決，終有一天，生物計算機能像如今的電子計算機一樣成為神話。
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挑戰雅各布的天梯——光子計算機
基於光纜和光纖可以更加高效快捷地傳輸信息，人們自然會聯想到為何不用“光”來處理信息——實驗室中的事實證明，這是可行的。實際上，在人們意識到光就是電磁波時，想要利用光來表達信息的想法就已經萌芽了，在我們開始詳細展開之前，請讓我們先來認識光子計算機的概念。
首先，它是是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。它由激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備構成（相較之下，電子計算機由一大堆的電元件及相應機制組成），靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理，工作特點是以光子代替電子，光運算代替電運算。而相應的優點亦極為誘人：光的並行、高速，天然地決定了光子計算機的並行處理能力很強，具有超高運算速度。
光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統中某一元件損壞或出錯時，並不影響最終的計算結果。光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低，對環境條件的要求比電子計算機低得多。此外，超大規模的信息存儲容量和優良的節能性亦是其不可忽略的優勢。與電子計算機相比，光子計算機具有超大規模的信息存儲容量。光子計算機具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導是可以不需要導線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會產生絲毫的相互影響。光子計算機無導線傳遞信息的平行通道，其密度實際上是無限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過能力竟是全世界現有電話電纜通道的許多倍。能量消耗小，散發熱量低，是一種節能型產品。光子計算機的驅動，只需要同類規格的電子計算機驅動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發的熱量，而且為光子計算機的微型化和便攜化研製，提供了便利的條件。科學家們正試驗將傳統的電子轉換器和光子結合起來，製造一種“雜交”的計算機，這種計算機既能更快地處理信息，又能克服巨型電子計算機運行時內部過熱的難題。
為此，我們正在快速推進進程……
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回到創世紀——量子計算機
儘管上述兩種計算機的性能是如此的卓越，然而比起量子計算機卻仍是小巫見大巫，實際上，得益於量子糾纏、量子階躍等微粒子獨特的性質，量子計算機的能力之強大，是難以描述的。
作為量子學的創始人之一，理查德.費曼很早就提出了量子計算機的概念，他發現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德•費曼當時就想到，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。
1982年，理查德•費曼在一個著名的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法。緊接著1985年大衛•杜斯提出了量子圖靈機模型 。人們研究量子計算機最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。當使用計算機模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間而數據量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德•費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生。
但這在1980年之前，始終處於紙上談兵狀態——現實中並沒有人知道怎麼實現它。直到1994年彼得•秀爾提出量子質因子分解算法後，因其對通行於銀行及網絡等處的RSA加密算法破解而構成威脅後，量子計算機變成了熱門的話題。除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。
實際上用原子實現的量子計算機只有5個q-bit，放在一個試管中而且配備有龐大的外圍設備，只能做1+1=2的簡單運算，正如Bennett教授所說，“現在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以後”，我國量子信息專家中國科技大學的郭光燦教授則宣稱，他領導的實驗室將在5年之內研製出實用化的量子密碼，來服務於社會！科學技術的發展過程充滿了偶然和未知，就算是物理學泰斗愛因斯坦也決不會想到，為了批判量子力學而用他的聰明大腦假想出來的EPR態，在六十多年後不僅被證明是存在的，而且還被用來做量子計算機。在量子的狀態下不需要任何計算過程，計算時間，量子進行空間跳躍。可以說量子芯片，是終極的芯片！
遺憾的是迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案並不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用和意義遠不止是解決一些經典計算機無法解決的問題。
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中國的硬件及IC發展
2004年，亞太地區已成為世界最大的半導體市場，其主要的推動力是中國國內需求的增長和中國作為世界生產基地所帶來的快速增長。電子終端產品的生產將不斷從日本和亞洲其他地區轉移到中國。
中國的集成電路產業起步於20世紀60年代中期，1976年，中國科學院計算機研究所研製成功1000萬次大型電子計算機所使用的電路為中國科學院109廠研製的ECL型電路；1986年，電子部提出“七五”期間，我國集成電路技術“531”發展戰略，即推進5微米技術，開發3微米技術，進行1微米技術科技攻關；1995年，電子部提出“九五”集成電路發展戰略：以市場為導向，以CAD為突破口，產學研用相結合以我為主，開展國際合作，強化投資；在2003年，中國半導體佔世界半導體銷售額的9%，電子市場達到860億美元，中國成為世界第二大半導體市場，中國中高技術產品的需求將成為國民經濟新的增長動力。到現在已經初具規模，形成了產品設計、芯片製造、電路封裝共同發展的態勢。
但是，值得特別注意的是：由於上世紀50年代後我國的外交窘境，基礎薄弱，人才缺乏，外加雪上加霜的自然及社會問題，使得中國以IC為代表的電子硬件技術行業一度停滯不前，甚至有一種持續至今仍頗具影響的偏激理念認為：對於電子設備而言，軟件的進步要遠重要於硬件的進步，而硬件上的不足，可以靠軟件的不斷進步來幾乎完全地抵消彌補。
這也導致了當今中國電子科技行業的軟肋：軟件水平與硬件水平的極端不協調，與硬件水平的巨大短板(直到14年，我國才真正獨立開發出本土的CPU——龍芯)。這也是當今高校中，IT方面教材中，軟件開發所佔比例遠遠大於硬件開發的原因。
直至21世紀初，當電腦、手機這類第三次技術革命的產物終於得以走進千家萬戶，而我國的電子行業卻依舊羸弱無力時，這種幼稚理念終於被推倒，市場規律使得中國電子行業為他們在近40年來對於技術進步的錯誤認知付出了高昂的代價，卻也給了那些固步自封者一個極大的教訓——實際上，由於意識形態及封建餘毒的原因，對此瞭解甚少的人們在此前一直將電子行業視作“旁門左道”，而較之硬件開發，等程度上軟件開發所需的成本低於硬件開發，因此可想而知，當時的國人對於硬件開發並不熱忱。
於是，在21世紀的頭10年，我國本土的電子行業只能眼睜睜地看著外國同行在本土的巨大市場賺得滿盆金箔，而自己，除了眼紅，也只能默默發展實力，窮追猛趕並靜待時機了。而值得慶幸的是，我們已經意識到了過往觀念中的錯誤，國家已將推動芯片國產化上升至國家安全的高度，今年信息安全政策的重點將落實在硬件領域，特別是對集成電路產業的扶持力度堪稱近十年之最。與此同時，隨著集成電路發展綱要及地方扶持政策的相繼落地，集成電路產業將獲得前所未有的發展機遇。
作為未來30年發展最重要的工業物資，半導體與集成電路產業發展正在受到前所未有的重視。其中，資本在促進集成電路產業發展中的重要性和必要性已獲認可，通過政府財政引導加股權投資基金協同運作的方式被認為是有效手段。繼2013年12月，北京宣佈成立總規模300億元的股權投資基金打造集成電路產業後，武漢、上海、深圳等地也正在制訂自己的扶持政策，其中集成電路設計及封測領域最受關注。此外，包括合肥、天津、瀋陽等地區也正在籌劃促進芯片國產化的產業扶持基金。
繼2013年12月，北京宣佈成立總規模300億元的股權投資基金打造集成電路產業後，武漢、上海、深圳等地也正在制訂自己的扶持政策，其中集成電路設計及封測領域最受關注。此外，包括合肥、天津、瀋陽等地區也正在籌劃促進芯片國產化的產業扶持基金。
但國內集成電路產業規模與市場規模之比始終未超過20%。如扣除集成電路產業中接受境外委託代工的銷售額，則中國集成電路市場的實際國內自給率還不足10%，國內市場所需的集成電路嚴重依靠進口的局面並未發生實質性改變。
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結語
路漫漫兮，而求索。前途光明，然而路途艱辛，長路漫漫，我們仍然任重道遠。
我們相信，隨著我國經濟的發展和對集成電路的重視程度的提高，我國以集成電路為代表之一的電子技術行業也會有更大的發展！
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