芯片業(yè)變化的范例

變化的范例
圖1是芯片市場(chǎng)結構變化圖。這20年的變化很有趣：起先計算機部分發(fā)展很快，消費、通信與汽車(chē)業(yè)處于低谷。從80年代到90年代，計算機的市場(chǎng)份額從30%多達到了50％左右?？梢?jiàn)10年前是PC驅動(dòng)；從90年代中期到2006年，消費電子、通信與汽車(chē)將起飛，達到超過(guò)50%的市場(chǎng)份額，驅動(dòng)力是DC(數字消費類(lèi)電子)。

圖1  芯片市場(chǎng)結構變化圖

翻開(kāi)PC業(yè)的創(chuàng )業(yè)史，跨度約為30年?；氐?975年計算機被Altair/MITS發(fā)明，1978年蘋(píng)果公司發(fā)明了Apple II，被稱(chēng)為是世界上第一例最成功的PC。不過(guò)，影響最大的PC是1981年IBM公司研發(fā)的，它采用了微軟的MS DOS及Intel的i8088微處理器，這被稱(chēng)為Wintel平臺或Wintel聯(lián)盟，拉開(kāi)了PC業(yè)發(fā)展的序幕。隨后，PC的營(yíng)業(yè)額與裝機量逐年遞增(圖2)。
消費電子的模擬向數字的轉變說(shuō)白了就是銀與硅的對抗。在技術(shù)領(lǐng)域的主題變遷是非常迅疾的。例如，數碼相機(DSC)1995年才出現，由于技術(shù)的進(jìn)步，迫使傳統的膠卷式相機在1997年前后到達發(fā)展頂峰，然后開(kāi)始下降。2003年，DSC已達到4千萬(wàn)臺的出貨量(圖3)。
再例如，VCR向DVD的轉變。DVD播放機于1997年向市場(chǎng)推出，2002年出貨量超過(guò)了VCR，去年涌現了另一個(gè)新秀——DVD刻錄機。預計2006年刻錄機會(huì )超過(guò)傳統的VCR(圖4)。
另一個(gè)例子是日本的電視。2000年日本拉開(kāi)了龐大的數字電視市場(chǎng)序幕，去年，數字廣播在日本已經(jīng)開(kāi)始，并宣布模擬廣播將持續到2011年(圖5)。
模擬電視向數字電視的過(guò)度，意味著(zhù)對硅的需求更大。2003年12月1日，日本又有地面數字電視出現，是日本消費類(lèi)電子歷史上值得紀念的一天。完全的模擬到數字轉變將于2011年完成，意味著(zhù)1億臺電視要變成數字電視。

第二個(gè)數字浪潮涌現
綜觀(guān)電子產(chǎn)業(yè)的起伏(圖6)，可看到高潮迭起，主要有三個(gè)階段：1970年代~1980年代，TV、VCR與隨身聽(tīng)開(kāi)始盛行，稱(chēng)為模擬浪潮。1980年P(guān)C進(jìn)入市場(chǎng)，為人們的工作和生活帶來(lái)了巨大的影響，這場(chǎng)數字革命稱(chēng)為第一次數字浪潮。
1990年開(kāi)始，數字產(chǎn)品發(fā)生了轉變，消費類(lèi)電子受到了無(wú)線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的影響，產(chǎn)品如手機、數字電視、游戲機、DVD，這個(gè)階段稱(chēng)為第二次數字浪潮。我們現在正處于第一、二次數字浪潮的交替階段。
圖7是三次浪潮的比較，包括市場(chǎng)驅動(dòng)、關(guān)鍵器件、社會(huì )影響與領(lǐng)導者。來(lái)看看第二次數字浪潮，關(guān)鍵器件有SoC(系統芯片)和SiP(System-In-a-Package，單封裝系統)。人們可以隨時(shí)隨地地聯(lián)絡(luò )，環(huán)境更加清潔。在第二次數字浪潮中，全世界都在思考著(zhù)一個(gè)公開(kāi)的問(wèn)題：哪個(gè)國家將是領(lǐng)導者？
圖8顯示了增長(cháng)的數字消費電子市場(chǎng)，可以看到第二次數字浪潮正在掀起。
技術(shù)的新方向
由于需要更小的幾何尺寸，芯片的集成度在不斷增加，需要集成大量的芯核。因此如何在一個(gè)芯片上集成30億支晶體管？這是一個(gè)巨大的挑戰，不僅是對工具工程師的挑戰，而且是對所有領(lǐng)域工程師的挑戰。
圖9顯示了光刻工具的進(jìn)化圖，可見(jiàn)成本越來(lái)越高昂。
為了獲得更好的器件，遇到的問(wèn)題是：遷移率降低；由于晶體管距離的拉進(jìn)，線(xiàn)間電容增加；漏電流增加；漏極存在的寄生雜散電容(圖10)。
對于低功率器件來(lái)說(shuō)，降低功耗是個(gè)很大的挑戰(圖11)。一直以來(lái)，隨著(zhù)集成度的增加，信號傳輸距離也縮短，促使芯片的功耗持續下降。但是這種趨勢將在90nm時(shí)達到最低，至于在集成度更高的65nm及45nm工藝中，漏電流將成為耗電的主要因素，將產(chǎn)生功耗不降反升的現象(圖11)。
有多種方法來(lái)解決此問(wèn)題：工藝/器件方面，可采用高K介質(zhì)門(mén)材料，多門(mén)檻電壓；電流/系統方面，通過(guò)控制門(mén)時(shí)鐘、部分功率關(guān)閉、全面功率管理方法；除此之外，還需要各類(lèi)工程師協(xié)同工作的強大團隊。一個(gè)芯片業(yè)史無(wú)前例的新模式。
SoC與SiP
SONY公司的Playstaion 2(簡(jiǎn)稱(chēng)PS 2)三維圖形游戲機風(fēng)靡世界，其芯片是從SoB(System on a Board)到SoC進(jìn)化的范例之一。其模塊用了三塊芯片，包括編碼器、解碼器與DRAM芯片，成本降為最低。低價(jià)對便攜式產(chǎn)品非常非常重要。
由此可看到SoC有多么強大。毫無(wú)疑問(wèn)，SoC將成為一個(gè)趨勢，需要克服很多困難，例如掩膜成本的不斷增加(圖12)。
另一種降低成本、提高集成度的方法是SiP，從SoC與SiP的比較(圖13)可看出：SoC性能高、功耗低，但是開(kāi)發(fā)成本較高，上市時(shí)間較長(cháng)，因此適合大批量的產(chǎn)品，例如游戲機。SiP開(kāi)發(fā)成本低，上市時(shí)間快，因此適合小到中批量的應用。
圖14顯示了SiP不同結構的封裝形式。用戶(hù)可根據結構、成本、性能、上市時(shí)間等要求，選擇不同的形式。
SoC與SiP將成為第二代數字浪潮的發(fā)動(dòng)機，用于數字消費電子。
可編程性
不同于傳統產(chǎn)品，新的數字消費電子的生命周期(圖15)只有一年左右，而批量越來(lái)越大?？梢?jiàn)上市時(shí)間越來(lái)越快，市場(chǎng)非常集中，市場(chǎng)變化快。這導致了芯片可編程性的重要。

圖17顯示了ASPP的概念。ASPP的想法是一家IC公司1998產(chǎn)生的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，ASPP是一種特殊應用的標準產(chǎn)品，并嵌入了可編程的邏輯，因此成為了靈活的硬件。這是一個(gè)現場(chǎng)可編程方面的重要趨勢，并且有很多新產(chǎn)品在此方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)。例如，ASPP的一個(gè)例子是SONY的網(wǎng)絡(luò )隨身聽(tīng)，一個(gè)嵌入式CPU叫“Virtual Mobile Engine(VME)”，VME提供更高的性能，更低的功耗，使系統更加靈活。這種網(wǎng)絡(luò )隨身聽(tīng)可錄制1張CD，33小時(shí)不間斷工作。這可能是日本第一個(gè)用可重構芯片實(shí)現的消費產(chǎn)品。
FPL(現場(chǎng)可編程邏輯)之后將是什么？自動(dòng)化的SoC/SiP可能是下一個(gè)趨勢。當然需要借助先進(jìn)的EDA技術(shù)，及其他超級的技術(shù)(圖18)。

未來(lái)的預測
SONY公司2002年曾開(kāi)發(fā)了機器人QRIO。包括3個(gè)64位RISC CPU，59個(gè)16位MPU，190MB DRAM，16MB閃存。相當于一臺速度2300MIPS的高端PC。與PC不同的是，該機器人使用了大量的傳感器。這里QRIO使用了2部CCD彩色相機，還有麥克風(fēng)，4個(gè)紅外距離傳感器，18個(gè)間距(PINCH)探測傳感器，非常復雜。
圖19顯示了技術(shù)驅動(dòng)力的演變。PC驅動(dòng)了高性能的MPU與高密度存儲器的發(fā)展；下一波是數字消費電子，低功耗器件會(huì )成熱門(mén)，并出現了SoC與SiP。在這一階段的后期，將出現機器人，需要聰明(cleverness)的驅動(dòng)器件。
圖20顯示了機器人驅動(dòng)的器件市場(chǎng)的變化，也是由摩爾定律驅動(dòng)的。機械、光學(xué)與其他學(xué)科交融，產(chǎn)生了光學(xué)傳感器等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的研發(fā)也是對所有工程師的挑戰。
在日本東京地鐵高峰時(shí)期，冬天常見(jiàn)到強壯的工作人員費力地把乘客推入車(chē)廂。這個(gè)問(wèn)題最終會(huì )由半導體業(yè)解決。2050年，東京這樣的大城市早晨9點(diǎn)時(shí)，人們不必再由專(zhuān)業(yè)的工作人員推入車(chē)廂了。因為人們不必遷移，我們的社區將減少擁擠、減少能源的消耗，環(huán)境將更清潔。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)工作，人們將更加舒適，可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行通信。

結語(yǔ)
數字消費電子正獲得驅動(dòng)力，芯片市場(chǎng)從PC中心向DC中心轉移。技術(shù)方向正在多樣化，從業(yè)人員應該在這關(guān)鍵時(shí)刻，把握住第二次數字浪潮的風(fēng)口浪尖！■(編輯迎九根據牧本先生講演錄音整理)