最近世界半導體業(yè)發(fā)展特點(diǎn)漫談(下)

存儲器迎來(lái)新時(shí)代

半導體存儲器自30多年前上市以來(lái)，歷經(jīng)變遷，今天迎來(lái)了新時(shí)代，存儲“位”的需求將無(wú)限擴大。1971年Intel公司開(kāi)發(fā)出1Kb DRAM，開(kāi)創(chuàng )了DRAM歷史，70年代美國公司順理成章，君臨天下。進(jìn)入80年代，大型計算機市場(chǎng)擴大，DRAM技術(shù)要求十分殷切，以此為契機，日本DRAM公司乘時(shí)而起。DRAM技術(shù)要求較低，勝負在于大量生產(chǎn)技術(shù)，這正是日本公司的強項，美國以Intel公司為代表轉向了技術(shù)更高的MPU，因此，80年代成了日本半導體業(yè)的黃金時(shí)代，80年代中期日本不僅獨占世界80%的DRAM市場(chǎng)份額，且在半導體業(yè)整體上也超越美國，占有半壁江山。

世界跨進(jìn)90年代，大型機銷(xiāo)售趨淡，PC火爆，從而引起了DRAM生產(chǎn)的又一次巨大變化。日本生產(chǎn)的是高質(zhì)量DRAM，當時(shí)要求保證工作25年，但PC對DRAM的質(zhì)量要求沒(méi)有這樣高，而降低成本、提高產(chǎn)量才是成功的關(guān)鍵。韓國以及我國臺灣地區就是在這樣的形勢下乘時(shí)而起，到1998年韓國即趕過(guò)日本，成為世界第一DRAM生產(chǎn)國以迄于今?？偨Y韓國取勝之道有三，即經(jīng)營(yíng)、戰略和成本競爭。

iSuppli公司預測，以256Mb DRAM作單位計算，2006年世界共生產(chǎn)DRAM  114億塊，2007年可達185億塊，2010年可望增長(cháng)到626億塊，2006~2010年的年均增長(cháng)率高達53%。公司同時(shí)表示2006年世界DRAM產(chǎn)值為339億美元，2010年將達457億美元，年均增長(cháng)率7.7%。

iSuppli公司CEO Derek Lidon日前在韓國首爾的數字化論壇上預測，未來(lái)中國大陸/臺灣或將超越韓國。2006年韓國以三星和Hynix公司為代表所生產(chǎn)的DRAM，在世界市場(chǎng)上以產(chǎn)量計占45%，而中國大陸/臺灣的生產(chǎn)合計占17%。2007年韓國續增到占47%，中國大陸/臺灣占31%，其他地區占22%。但從2008年起差距將逐步縮小，屆時(shí)中國大陸/臺灣將增至35%，韓國略減到46%，并預期2010年前者有可能在生產(chǎn)上超過(guò)后者。

自DRAM市場(chǎng)1996年崩盤(pán)之后到2001年間半導體設備投資主角是以Intel為代表微芯片廠(chǎng)商，但自2002年微芯片加工工藝逐漸逼近界限，而以NAND flash為代表的存儲器投資比重卻日益增大，近年其比重在整個(gè)半導體投資中已超過(guò)了40%(圖6)，各主要存儲器公司的投資額如表2所示(表2)。投資是半導體存儲器發(fā)展的重大牽引力。

圖6 存儲器的投資比重

DRAM公司最近雖在開(kāi)發(fā)數字家電和移動(dòng)電話(huà)等方面的應用，但對PC的依存仍然過(guò)大，約占其生產(chǎn)的60%，故其命運隨PC而沉浮。NAND閃存則是替代DRAM以外的其他存儲媒體而發(fā)展壯大起來(lái)的。例如已大量取代膠卷的存儲卡就是NAND閃存，PC中的軟盤(pán)和CD-R/RW也都在為NAND閃存所取代，USB存儲器的本身就是NAND閃存，最近熱銷(xiāo)的Apple公司iPod系列也正配置NAND閃存，它的應用領(lǐng)域已涉及移動(dòng)電話(huà)、PC、數碼相機、便攜音頻產(chǎn)品、游戲機、攝像機等。

NAND閃存自2003年以后，產(chǎn)值急劇擴大。90年代它的產(chǎn)值不過(guò)DRAM的百分之幾，到2006年已占DRAM生產(chǎn)的34%，二者產(chǎn)值分別為320億美元和110億美元(圖7)。

圖7 世界DRAM和NAND閃存的生產(chǎn)

現在生產(chǎn)NAND閃存的公司最大的要算韓國三星，獨占世界生產(chǎn)50%以上，其次是日本東芝占20%，其后依次為韓國Hynix、日本Renesas、美國Micron公司、意法ST公司和德國Infineon公司等。NAND閃存大公司如三星和Hynix都是在一條生產(chǎn)線(xiàn)上同時(shí)生產(chǎn)NAND閃存和DRAM，這樣便可根據市場(chǎng)的需求情況靈活加以調節。

NAND flash隨著(zhù)存儲容量的擴大，并以?xún)r(jià)格為武器(它的降價(jià)速度保持在每年40%的速度)，積極侵蝕硬盤(pán)市場(chǎng)，有稱(chēng)它為“未來(lái)的硬盤(pán)”和生財的“搖錢(qián)樹(shù)”，因而原先生產(chǎn)NOR閃存的大公司如Intel的閃存部分已與Micron合并，建立NAND閃存生產(chǎn)公司。原在NOR市場(chǎng)上與Intel較勁的美國Spansion公司也于2006年年中進(jìn)入NAND市場(chǎng)。

Moore定律繼續有效

Intel公司創(chuàng )始之一Gordon Moore于1965年在一篇文章中提出的所謂Moore定律，開(kāi)初說(shuō)每一集成電路上以晶體管數為代表的集成度每年翻一番，后來(lái)因速度放慢，變?yōu)閮赡攴环?。這一定律40多年來(lái)被事實(shí)所證明是正確的，成為IC業(yè)發(fā)展經(jīng)典。近年也有人提出質(zhì)疑，認為已達不到這一速度，但Intel公司堅守這一原則，并認為還會(huì )繼續下去。

Intel 當初提出這一定律時(shí)集成電路上的晶體管也就100個(gè)，到了2004年的公司產(chǎn)品(itamium2)即達到5.9億晶體管，并預計2010年將達到10億個(gè)(圖8)。集成度的急速提高，使集成其上的晶體管單價(jià)按指數關(guān)系下降，1968年到2004年晶體管單價(jià)大約下降了6~7個(gè)數量級。

圖8 集成電路的集成度發(fā)展

此外，說(shuō)是產(chǎn)品生產(chǎn)的微細化也是按著(zhù)Moore定律在2年1代地發(fā)展著(zhù)，1999年是180nm時(shí)代，2001年130nm時(shí)代，2003年90nm時(shí)代，2005年65nm時(shí)代，2007年將是45nm時(shí)代，預計2009年則將是32nm時(shí)代。微細化發(fā)展一代，芯片面積約縮小一半，這是微細化所帶來(lái)的經(jīng)濟性。

圓片面積大口徑化，從150mm、200mm正積極轉向300mm，這一尺寸或許會(huì )使用長(cháng)久一些，而后再向450mm過(guò)渡(參見(jiàn)圖2)。
　　
代工業(yè)發(fā)展迅速

代工業(yè)在半導體業(yè)中的地位年年提高。據世界第一代工公司臺積電報道，上世紀90年代大多時(shí)間代工業(yè)產(chǎn)值在半導體業(yè)中不過(guò)占10%的樣子，最后幾年快速提升，到2000年已占到20%，2010年將提高到35%(圖4)。(但我們按WTST的世界半導體產(chǎn)值計，1993年代工業(yè)占9%，2006年也不過(guò)占10%。)。世界代工業(yè)產(chǎn)值據臺積電的估計，2006年在200~250億美元之間，預計2010年可望達500億美元(依SIA預測2010年世界半導體產(chǎn)值將達到3000億美元以上，那代工業(yè)占17%)。臺積電預測2005~2010年世界代工業(yè)的年均增長(cháng)率可達到20%左右，遠高于半導體產(chǎn)業(yè)的6. 1%.

代工業(yè)經(jīng)營(yíng)不易，投資巨大，臺積電公司每年的設備投資近30億美元，2006年在26~28億美元之間，每年的研發(fā)費4億美元，全部用于制造工藝上。

圖 9   世界代工業(yè)的發(fā)展

公司的工廠(chǎng)規模很大，月投產(chǎn)8~10萬(wàn)片，投資這樣的工廠(chǎng)需60~100億美元，一般集成器件制造商(IDM)恐不易做到，只有微處理器和存儲器大公司才能做到。臺積電公司從從0.5μm工藝做起，經(jīng)過(guò)0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm、90nm，2006 年進(jìn)入65nm的量產(chǎn)化，2007年將開(kāi)始45nm的量產(chǎn)。

Power  is  god

產(chǎn)業(yè)全球化成為潮流，人們經(jīng)歷了網(wǎng)絡(luò )社會(huì )和互聯(lián)網(wǎng)社會(huì )并將從Ubiquitous(隨時(shí)可用計算機)社會(huì )向Ambient(環(huán)境保護)社會(huì )前進(jìn)。計算機的應用更加深入人們的生活，同時(shí)環(huán)境保護已成了人類(lèi)生活在地球上的共同課題。

圖10  世界信息技術(shù)的發(fā)展

在走向環(huán)保社會(huì )時(shí)，節能無(wú)疑是關(guān)注焦點(diǎn)之一。據報道，電子信息技術(shù)所消費電力約占世界總消費電力的14%，次于發(fā)動(dòng)機(51%)、照明(19%)和空調(16%)而居第四。此外，能源成本也成為電子設備的主要問(wèn)題。日趨便宜的PC，其5年時(shí)間所消耗的電力成本有可能超過(guò)PC本身。且所用能源也很大；10億人每天使用100W的PC5小時(shí)，那么一天消費電力就需5億度，一年即達2000億度電。因此，發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)已不能只考慮性能的提高，而且要注意到節能。

今天消費者對便攜電子產(chǎn)品要求更多的功能、更高性能的同時(shí)，還希望產(chǎn)品能做到更加輕薄、功耗更低，以便使用時(shí)間更長(cháng)。Power is god(能源是上帝)。這對芯片制造商還是電源生產(chǎn)廠(chǎng)都提出了更高的要求。

圖11 邏輯電路和模擬電路的驅動(dòng)電壓

與此同時(shí)，人們也的確看到了電路的驅動(dòng)電壓正不斷走低。功耗與速度是有矛盾的，速度要求功耗，解決之道是微細化，我國一位專(zhuān)家稱(chēng)，一般線(xiàn)條減小一半，速度提高4倍。事實(shí)正是這樣，數字邏輯電路的不斷微細化，其驅動(dòng)電壓已突破了1伏關(guān)口，而模擬電路和微細化不如邏輯電路，當它們的加工工藝為180~130nm時(shí)，電壓為2.5~1.8V，最近有達到1.2V的，盡管有困難，還在向1V挺進(jìn)(圖11)。由于在系統芯片上是數?；旌系?，故此模擬能否突破1V成為人們議論的問(wèn)題。