History of CMOS Technology CMOS技术的历史

Origins and Invention 起源与发明

Early 1960s: Conception and Patents  20世纪60年代初：概念和专利

• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology was invented in 1963 by Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor  CMOS（互补金属氧化物半导体）技术是由飞兆半导体的Frank Wanlass于1963年发明的
• First CMOS patent (US Patent 3,356,858) filed in 1963, granted in 1967  1963年提交的第一项CMOS专利（美国专利3356858）于1967年获得授权
• Revolutionary concept: using complementary pairs of p-type and n-type MOSFETs for logic functions   革命性概念：使用互补的p型和n型MOSFET对实现逻辑功能

Early Development 早期发展

1968-1975: First Commercial Applications  1968-1975年：首次商业应用

• RCA pioneered early commercial CMOS with the CD4000 series in 1968  RCA于1968年率先推出了CD4000系列的早期商用CMOS
• Initial adoption was slow due to manufacturing challenges  由于制造业的挑战，最初的采用速度很慢
• Primary advantage: extremely low power consumption (nanowatts when static) 主要优点：极低的功耗（静态时为毫瓦）
• Early applications were in battery-powered devices and watches 早期的应用是电池供电的设备和手表

Key Early Limitations:  主要早期限制：

• Slower switching speeds than TTL 切换速度比TTL慢
• Lower integration density  集成密度更低
• Manufacturing complexity 制造复杂性
• Susceptibility to static discharge damage  易受静电放电损伤

Evolution and Improvement  进化与改进

Late 1970s: Growing Adoption  20世纪70年代末：采用率上升

• Manufacturing processes improved, reducing costs  改进制造工艺，降低成本
• Supply voltages standardized around 5V to maintain compatibility with TTL  电源电压标准化为5V左右，以保持与TTL的兼容性
• CMOS began appearing in consumer electronics and industrial equipment  CMOS开始出现在消费电子产品和工业设备中

1980s: TTL-Compatible CMOS Logic Families 20世纪80年代：TTL兼容CMOS逻辑系列

• 74HC (High-speed CMOS) series: CMOS technology with TTL pinout compatibility  74HC（高速CMOS）系列：兼容TTL引脚的CMOS技术
• 74HCT series: TTL-compatible input thresholds for mixed systems 74HCT系列：用于混合系统的TTL兼容输入阈值
• Began to challenge TTL's dominance in digital logic  开始挑战TTL在数字逻辑领域的主导地位

1980s-1990s: Advanced CMOS Families  20世纪80年代至90年代：先进的CMOS系列

• 74AC (Advanced CMOS): Faster operation comparable to advanced TTL 74AC（高级CMOS）：与高级TTL相比，操作速度更快
• 74ACT: TTL-compatible inputs with advanced CMOS performance  74ACT:TTL兼容输入，具有先进的CMOS性能
• 74FCT, 74ABT, 74LVT: Various specialized CMOS families targeting specific needs  74FCT、74ABT、74LVT：针对特定需求的各种专用CMOS系列

CMOS in Microprocessor Technology 
微处理器技术中的CMOS

1970s: Early CMOS Processors  20世纪70年代：早期CMOS处理器

• RCA CDP1802: One of the first CMOS microprocessors (1976)  RCA CDP1802：最早的CMOS微处理器之一（1976年）
• Low power consumption made it suitable for space applications 低功耗使其适用于太空应用

1980s: Major Shift to CMOS 20世纪80年代：向CMOS的重大转变

• Intel 80C85 and 80C86: CMOS versions of popular processors 英特尔80C85和80C86：流行处理器的CMOS版本
• CMOS became the dominant technology for microprocessors CMOS成为微处理器的主导技术
• Motorola 68HC11 and similar low-power microcontrollers gained popularity 摩托罗拉68HC11和类似的低功耗微控制器越来越受欢迎

1990s: Universal Adoption 1990年代：普遍采用

• Virtually all new processor designs used CMOS technology 
  几乎所有新的处理器设计都使用了CMOS技术
• Power efficiency became critical as portable computing emerged 随着便携式计算的出现，电源效率变得至关重要

Manufacturing Evolution 制造业的演变

Process Scaling  流程扩展

• 1970s: 10μm (10,000nm) manufacturing processes
• 1980s: Scaling down to 3-1μm processes
• 1990s: Sub-micron processes (800nm to 350nm)
• 2000s: Deep sub-micron (180nm to 45nm)
• 2010s: Ultra-deep sub-micron (28nm to 7nm)
• 2020s: Extreme ultraviolet lithography enabling 5nm and smaller

20世纪70年代：10μm（10000nm）制造工艺
20世纪80年代：缩减到3-1μm工艺
20世纪90年代：亚微米工艺（800nm至350nm）
2000年代：深亚微米（180nm至45nm）
2010年代：超深亚微米（28nm至7nm）
2020年代：实现5nm及更小尺寸的极紫外光刻

Voltage Scaling 电压调节

• Original CMOS: 5-15V operation
• 1990s: Transition to 3.3V standard
• 2000s: Further reduction to 1.8V, 1.5V, and lower
• Modern: Sub-1V core voltages with multiple voltage domains
• 原始CMOS：5-15V操作
• 20世纪90年代：向3.3V标准过渡
  2000年代：进一步降至1.8V、1.5V及以下
  现代：具有多个电压域的Sub-1V核心电压

Modern CMOS Technology 现代CMOS技术

Key Innovations: 关键创新：

• FinFET technology (3D transistors) FinFET技术（3D晶体管）
• High-k dielectric materials 高k电介质材料
• Metal gates replacing polysilicon  金属栅极取代多晶硅
• Strained silicon 应变硅
• Multi-patterning lithography  多图案光刻
• Extreme ultraviolet lithography   极紫外光刻

Beyond Traditional CMOS: 超越传统CMOS：

• FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) FDSOI（绝缘体上全耗尽硅）
• Gate-all-around (GAA) transistors  全栅极（GAA）晶体管
• Carbon nanotube transistors 碳纳米管晶体管
• Quantum computing elements 量子计算元件

Impact and Legacy   影响和遗产

CMOS technology revolutionized electronics by:  CMOS技术通过以下方式彻底改变了电子产品：

• Enabling massive integration (billions of transistors per chip)  实现大规模集成（每个芯片数十亿个晶体管）
• Providing the foundation for Moore's Law to continue for decades  为摩尔定律持续数十年提供基础
• Dramatically reducing power consumption  大幅降低功耗
• Making portable computing practical  使便携式计算实用化
• Supporting the mobile revolution  支持移动革命
• Enabling IoT and edge computing  实现物联网和边缘计算

Today, CMOS remains the dominant technology for digital logic, with ongoing research pushing its physical limits while exploring potential successor technologies. 今天，CMOS仍然是数字逻辑的主导技术，正在进行的研究在探索潜在的后续技术的同时突破了其物理极限。