数字电路逻辑实验箱

基于DNA碱基之间的互补配对原则，可以设计组装多种复杂的二级结构，进而开发出具有特定功能的DNA分子器件，包括分子开关、纳米机器、分子框架、逻辑电路等。这些分子器件不仅在生命科学研究领域内发挥着重要的作用，而且在能源、信息、生物计算等研究领域内都具有重要的意义。DNA逻辑门是将DNA等生物分子或其他外界信息作为输入(input)，通过DNA结构变化引发的各种表征结果作为输出(output)，布尔运算后可以使得各种输入之间的相互识别关联关系得以明确。此外，通过将前一个逻辑门的输出作为后一个逻辑门的输入，可以构建多个级联的逻辑门，即逻辑电路。逻辑电路的组合、信号输出方式具有多样化的特点，具有广泛的应用前景。近期苏州医工所缪鹏研究员课题组发展了一种基于DNA双足步行的电化学纳米机器，并通过级联链置换构建出一系列的DNA逻辑电路，用于研究复杂生物样本中多种生物分子的关联关系。首先在电极界面修饰茎环结构的轨道探针分子；在上游均相体系中引入目标触发的链置换聚合反应用于特定序列单链的大量合成；利用DNA三通结结构完成双足步行链的组装；在茎环结构驱动链的存在条件下使其在电极界面交替行走，完成电化学信号分子的富集探测（图1）。进一步地，利用不完整三通结及双链结构的设计，进行级联链置换反应构建出AND, OR门，并与NOT门联合发展出NAND, NOR, XOR, XNOR门。所构建的双输入逻辑电路表现出良好的逻辑运算、操作性能（图2）。随后，通过四通结及双链结构的设计完成了三输入AND, OR门的搭建。发展的一系列逻辑电路不仅可应用于超灵敏生物医学检验，也为生物分子信息控制、通信、生物计算机等领域的研究工作提供了新的思路。相关工作得到了国家重点研发计划（2017YFE0132300）、国家自然科学基金（81771929）等项目的资助。结果已发表ACS Cent. Sci. 2021, 7, 1036-1044 (IF=14.553)。　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.1c00277 图1 DNA双足步行器的示意图及结果 图2 双输入的逻辑电路示意图及结果 图3 三输入的逻辑电路示意图及结果

p 　　1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。 /p p 　　1956 年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元(北京大学微电子所所长)、工程院院士许居衍(华晶集团中央研究院院长)和电子工业部总工程师俞忠钰(北方华虹设计公司董事长)。 /p p 　　1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。 /p p 　　1958 年，美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路(IC)之后，发展极为迅猛，从SSI(小规模集成电路)起步，经过MSI(中规模集成电路)，发展到LSI(大规模集成电路)，然后发展到现在的VLSI(超大规模集成电路)及最近的ULSI(特大规模集成电路)，甚至发展到将来的 GSI(甚大规模集成电路)，届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。 /p p 　　1959年，天津拉制出硅(Si)单晶。 /p p 　　1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所(河北半导体研究所)。 /p p 　　1962年，天津拉制出砷化镓单晶(GaAs)，为研究制备其他化合物半导体打下了基础。 /p p 　　1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。 /p p 　　1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。 /p p 　　1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。 /p p 　　1965 年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型(二极管――晶体管逻辑)数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。 /p p 　　1968年，组建国营东光电工厂(878厂)、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。 /p p 　　1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS(P型金属-氧化物半导体)电路(MOSIC)。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所(现电子第24所)、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。 /p p 　　七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂(永红器材厂)、 871(天光集成电路厂)、878(东光电工厂)、4433厂(风光电工厂)和4435厂(韶光电工厂)等。各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体(一)厂、航天部西安691厂等等。 /p p 　　1972年，中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。 /p p 　　1973年，我国7个单位分别从国外引进单台设备，期望建成七条3英寸工艺线，最后只有北京878厂，航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。 /p p 　　1976年11月，中国科学院计算所研制成功1000万次大型电子计算机，所使用的电路为中国科学院109厂(现中科院微电子中心)研制的ECL型(发射极耦合逻辑)电路。 /p p 　　1982 年，江苏无锡的江南无线电器材厂(742厂)IC生产线建成验收投产，这是一条从日本东芝公司全面引进彩色和黑白电视机集成电路生产线，不仅拥有部封装，而且有3英寸全新工艺设备的芯片制造线，不但引进了设备和净化厂房及动力设备等“硬件”，而且还引进了制造工艺技术“软件”。这是中国第一次从国外引进集成电路技术。第一期742厂共投资2.7亿元(6600万美元)，建设目标是月投10000片3英寸硅片的生产能力，年产2648万块IC成品，产品为双极型消费类线性电路，包括电视机电路和音响电路。到1984年达产，产量达到3000万块，成为中国技术先进、规模最大，具有工业化大生产的专业化工厂。 /p p 　　1982年10月，国务院为了加强全国计算机和大规模集成电路的领导，成立了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小组”，制定了中国IC发展规划，提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。 /p p 　　1983年，针对当时多头引进，重复布点的情况，国务院大规模集成电路领导小组提出“治散治乱”，集成电路要“建立南北两个基地和一个点”的发展战略，南方基地主要指上海、江苏和浙江，北方基地主要指北京、天津和沈阳，一个点指西安，主要为航天配套。 /p p 　　1986年，电子部厦门集成电路发展战略研讨会，提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略，即普及推广5微米技术，开发3微米技术，进行1微米技术科技攻关。 /p p 　　1988年，871厂绍兴分厂，改名为华越微电子有限公司。 /p p 　　1988年9月，上无十四厂在技术引进项目，建了新厂房的基础上，成立了中外合资公司――上海贝岭微电子制造有限公司。 /p p 　　1988年，在上海元件五厂、上无七厂和上无十九厂联合搞技术引进项目的基础上，组建成中外合资公司――上海飞利浦半导体公司(现在的上海先进)。 /p p 　　1989年2月，机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会，提出了“加快基地建设，形成规模生产，注重发展专用电路，加强科研和支持条件，振兴集成电路产业”的发展战略。 /p p 　　1989年8月8日，742厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。 /p p 　　1990年10月，国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会，并向党中央进行了汇报，决定实施九O八工程。 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年4月，集成电路“九0八”工程九个产品设计开发中心项目验收授牌，这九个设计中心为信息产业部电子第十五研究所、信息产业部电子第五下四研究所、上海集成电路设计公司、深圳先科设计中心、杭州东方设计中心、广东专用电路设计中心、兵器第二一四研究所、北京机械工业自动化研究所和航天工业771研究所。这些设计中心是与华晶六英寸生产线项目配套建设的。 /p p 　　1998年6月，上海华虹NEC九0九二期工程启动。 /p p 　　1998年6月12日，深港超大规模集成电路项目一期工程――后工序生产线及设计中心在深圳赛意法微电子有限公司正式投产，其集成电路封装测试的年生产能力由原设计的3.18亿块提高到目前的7.3亿块，并将扩展的10亿块的水平。 /p p 　　1998年10月 /p p 　　，华越集成电路引进的日本富士通设备和技术的生产线开始验收试制投 片，-该生产线以双极工艺为主、兼顾Bi-CMOS工艺、2微米技术水平、年投5英寸硅片15万片、年产各类集成电路芯片1亿只能力的前道工序生产线及动力配套系统。 /p p 　　1998年3月，由西安交通大学开元集团微电子科技有限公司自行设计开发的我国第一个-CMOS微型彩色摄像芯片开发成功，我国视觉芯片设计开发工作取得的一项可喜的成绩。 /p p 　　1999年2月23日，上海华虹NEC电子有限公司建成试投片，工艺技术档次从计划中的0.5微米提升到了0.35微米，主导产品64M同步动态存储器(S-DRAM)。这条生产线的建-成投产标志着我国从此有了自己的深亚微米超大规模集成电路芯片生产线。 /p p 　 strong 　◎分立器件发展阶段(1956--1965) /strong /p p 　　1956年中国提出“向科学进军”，国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”，明确了目标。根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究发展半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。从半导体材料开始，自力更生研究半导体器件。为了落实发展半导体规划，中国科学院应用物理所首先举行了半导体器件短期训练班。请回国的半导体专家内昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制技术和半导体线路。参加短训班的约100多人。 /p p 　　当时国家决定由五所大学-北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学半导体物理专来，共同培养第一批半导体人才。五校中最出名的教授有北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德和吉林大学的高鼎三。1957年就有一批毕业生，其中有现在成为中国科学院院士的王阳元(北京大学)、工程院院士的许居衍(华晶集团公司)和电子工业部总工程师俞忠钰等人。之后，清华大学等一批工科大学也先后设置了半导体专业。 /p p 　　中国半导体材料从锗(Ge)开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。1957年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一研究所开发锗晶体管。前者由王守武任半导体实验室主任，后者由武尔桢负责。1957可国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。 　　为了加强半导体的研究，中国科学院于1960年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所，即现在的河北半导体研究所。到六十年代初，中国半导体器件开始在工厂生产。此时，国内搞半导体器件的已有十几个厂点。当时北方以北京电子管厂为代表，生产了II-6低频合金管和II401高频合金扩散管 南方以上海元件五厂为代表。 /p p 　　在锗之后，很快也研究出其他半导体材料。1959年天津拉制了硅(Si)单晶。　1962年又接制了砷化镓(GaAs)单晶，后来也研究开发了其他种化合物半导体。 /p p 　　硅器件开始搞的是合金管。1962年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在1963年搞出了硅平面型晶体管，1964年搞出了硅外延平面型晶体管。在平面管之前不久，也搞过错和硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。 /p p 　　当时接制的单晶棒的直径很小，也不规则。一般将硅片切成方片的形状，如7*7、　10*10、15*15mm2。后来单晶直径拉大些后，就开始采用不规则的圆片，但直径一般在35-40mm之间。 /p p 　　在半导体器件批量生产之后，六十年代主要用来生产晶体管收音机，电子管收音机在体积上大为缩小，重量大为减轻。一般老百姓把晶体管收音机俗称为“半导体”。它在六十年代成为普通居民所要购买的“四大件”之一。(其他三大件为缝纫机、自行车和手表)另一方面，新品开发主要研究方向是硅高频大功率管，目的是要把部队所用的采用电子管的“八一”电台换装为采用晶体管的“小八一”电台，它曾是河北半导体所和北京电子管厂当年的主攻任务。 /p p 　　除了收讯放大管之外，之后也开发了开关管。中国科学院在半导体所之外建立了一所实验工厂，取名109厂。(后改建为微电子中心)它所生产的开关管，供中国科学院计算研究所研制成第二代计算机。随后在北京有线电厂等工厂批量生产了DJS-121型锗晶体管计算机，速度达到1万次以上。后来还研制出速度更快的108机，以及速度达28万次、容量更大的DJS-320型中型计算机，该机采用硅开关管。 /p p 　　总之，向科学进军的号如下，中国的知识分子、技术人员在外界封锁的环境下，在海外回国的一批半导体学者带领下，凭藉知识和实验室发展到实验性工厂和生产性工厂，开始建立起自己的半导体行业。这期间苏联曾派过半导体专家来指导，但很快因中苏关系恶化而撤走了。这一发展分立器件的阶段历时十年，与国外差距为十年。 /p p 　　 strong ◎IC初始发展阶段(1965-1980年) /strong /p p 　　在有了硅平面工艺之后，中国半导体界也跟随世界半导体开始研究半导体集成电路，当时称为固体电路。国际上是在1958年由美国的得克萨斯仪器公司(TI)和仙兰公司各自分别发明了半导体集成电路。当初研制的是采用RTL(电阻一晶体管逻辑)型式的最基本的门电路，将单个的分立器件：电阻和晶体管，在同一个硅片上集合而成一个电路，故称之为“集成电路”(Integrated　Circrrit，简称IC)。中国第一块半导体集成电路究竟是由哪一个单位首先研制成功的?这一问题有过争议。在相差不远的时间里，有中国科学院半导体研究所，河北半导体研究所，它在1965年12月份召开的产品鉴定会上鉴定了一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型(二极管-晶体管逻辑)数字逻辑电路。这是十室提交鉴定的，当时采用的还不是国外普遍使用的P-N结隔离，而是仅在国外文献中有所报导的Sio2介质隔离，通过反外延方法制备基片。 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　　文化大革命开始后，陈伯达向毛泽东主席提出了“电子中心论”。一时间采用群众运动的方式“全民”大搞半导体.为了打破尖端迷信，报上宣传说城市里了道老太太在弄堂里拉一台扩散炉，也能做出半导体.批判878厂建厂时铺了水磨石地板为“大，洋，全”。这股风使工厂里不重视产品质量，这曾导致878厂为北京大学电子仪器厂生产TTL和S-TTL(肖特基二极管钳位的TTL)电路研制百万次大型电子计算机“推倒重来”。最后质量改进后的电路才使北大在 /p p 　　文化大革命开始后，陈伯达向毛泽东主席提出了“电子中心论”。一时间采用群众运动的方式“全民”大搞半导体.为了打破尖端迷信，报上宣传说城市里了道老太太在弄堂里拉一台扩散炉，也能做出半导体.批判878厂建厂时铺了水磨石地板为“大，洋，全”。这股风使工厂里不重视产品质量，这曾导致878厂为北京大学电子仪器厂生产TTL和S-TTL(肖特基二极管钳位的TTL)电路研制百万次大型电子计算机“推倒重来”。最后质量改进后的电路才使北大在1975年研制成中国第一台真正达到100万次运算速度的大型电子计算机-150机。(在此之前，由上无十九厂生产的TTL电路，供华东计算所研制出达到80多万次速度的大型计算机，号称“百万次”。) /p p 　　随后，中国科学院109厂研制了ECL型(发射极藕合逻辑)电路，提供给中国科学院计算所，在1976年11月研制成功1000万次大型电子计算机。 /p p 　　总之，在中国IC初始发展阶段的十五年间，在开发集成电路方面，尽管国外实行对华封锁，中国还是能够依靠自己的技术力量，相继研制并生产了DTL、TTL、 ECL各种类型的双极型数字逻辑电路，支持了国内计算机行业，研制成百万次、千万次级的大型电子计算机。但这都是小规模集成电路。 /p p 　　在发展双极型电路(Bipolar　IC)之后，不久也开始研究MOS(金属--氧化物一一半导体)电路(MOS　IC)。 1968年研究出PMOS电路，这是上海无线电十四厂首家搞成的。到七十年代初期，永川半导体研究所，即24所，(它由石家庄13所十一室搬到四川水川扩大而建的)上无十四厂和北京878厂相继研制成NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。 　　在七十年代初期，由于受国外IC迅速发展和国内“电子中心论”的影响，加上当时IC的价格偏高(一块与非门电路不变价曾哀达500元，利润较大f销售利润率有的厂高达40%以上)，而货源又很紧张，因而造成各地IC厂点大量涌现，曾经形成过一股“IC热”。不少省市自治区，以及其他一些工业部门都兴建了自己的IC工厂，造成--哄而起的局面。 在这期间，全国建设了四十多家集成电路工厂。四机部直属厂有749厂(永红器材厂)、 871厂(天光集成电路厂)、 878厂(东光电工厂)、 4433厂(风光电工厂)和4435厂(韶光电工厂)等。各省市所建厂中有名的有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京市半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体(一)厂、航天部西安691厂等等。 /p p 　　集成电路一经出现，随着设备和工艺的不断发展，集成度迅速提高。从小规模集成　　(SSI)，经过中规模集成(MSL)，很快发展到大规模集成(LSI)，这在美国用8年时间。而中国在初始发展阶段中出仅用7年时间走完这段路，与国外差距还不是很大。 /p p 　　1972年中国第一块PMOS型LST电路在四川永川半导体研究所研制成功，为了加速发展LSI，中国接连召开了三次全国性会议，第一次1974年在北京召开，第二次 /p p 　　1975年在上海召开 第三次1977年在大三线贵州省召开。 /p p 　　为了提高工艺设备的技术水平，并了解国外IC发展的状况，在1973年中日邦交恢复一周年之际，中国组织了由14人参加的电子工业考察团赴日本考察IC产业，参观了日本当时八大IC公司：日立、NEC、东芝、三菱、富士通、三洋、冲电气和夏普，以及不少设备制造厂。原先想与NEC谈成全线引进，因政治和资金原因没有成匀丢失了一次机迂。后来改为由七个单位从国外购买单位台设备，期望建成七条工艺线。最后成线的只有北京878厂，航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。 /p p 　　这一阶段15年，从研制小规模到大规模电路，在技术上中国都依靠自己的力量，只是从国外进口了一些水平较低的工艺设备，与国外差距逐渐加大。在这期间美国和日本已先后进入IC规模生产的阶段。 /p

p 近日，合肥工业大学电子科学与应用物理学院（微电子学院）集成电路设计研究中心提出并实现一种具有高分辨率、高位宽的数字脉宽调制器混合结构，相关成果以“A High Resolution DPWM Based on Synchronous Phase-Shifted Circuit and Delay Line”为题发表在电子工程类国际著名期刊IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers（2020, 67(8):2685-2692）。 /p p 数字控制开关电源是目前开关电源领域的研究重点和发展趋势，具有集成度高、稳定性好、控制算法易于实现、可重构等优点。然而，数字电路固有的采样误差、延时等问题，成为影响数字电源性能的关键因素。作为数字电源控制系统的重要模块，数字脉宽调制器（DPWM）的作用是将多位数字控制信号转换成一位占空比信号，类似于数模转换器，其性能直接决定数字电源的整体性能。 br/ /p p 该团队针对高性能数字脉宽调制器展开一系列研究，前期工作包括首次提出DPWM关键路径中的逻辑和互连延时所引起的占空比增量现象，并对该占空比增量进行补偿，最终实现11位、时间分辨率53ps的数字脉宽调制器，该成果发表在电子工程类国际著名期刊IEEE Trans. Power Electron.（2018, 33(12):10794-10802）。在此基础上，该团队进一步对DPWM关键路径的时序进行优化设计，并提出新型相移同步电路和快速进位链构成数字脉宽调制器，最终实现14位、时间分辨率41.3ps的数字脉宽调制器。上述工作为高性能数字开关电源的实现提供了有力技术支持。 br/ /p p 该论文得到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。合肥工业大学为该论文唯一署名单位，作者包括程心副教授（第一作者）、解光军教授、张章教授（通讯作者）。 br/ /p p 论文链接： a href=" https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.2977146" _src=" https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.2977146" https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.2977146 /a br/ /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/f30e1c1f-6965-44f7-89e6-5fe8b1fb7581.jpg" title=" 基于同步相移电路和延时链的高分辨率数字脉宽调制器结构.png" / br/ /p p style=" text-align: center " 图一& nbsp 基于同步相移电路和延时链的高分辨率数字脉宽调制器结构 /p p br/ /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/17858686-4ed3-4374-92db-92b6d67087f2.jpg" title=" 数字脉宽调制器的线性度、时间分辨率测试曲线.png" / /p p style=" text-align: center " 图二& nbsp 数字脉宽调制器的线性度、时间分辨率测试曲线 /p