芯片業(yè)變化的范例

變化的范例
圖1是芯片市場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化圖。這20年的變化很有趣：起先計(jì)算機(jī)部分發(fā)展很快，消費(fèi)、通信與汽車業(yè)處于低谷。從80年代到90年代，計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)份額從30%多達(dá)到了50％左右?？梢?jiàn)10年前是PC驅(qū)動(dòng)；從90年代中期到2006年，消費(fèi)電子、通信與汽車將起飛，達(dá)到超過(guò)50%的市場(chǎng)份額，驅(qū)動(dòng)力是DC(數(shù)字消費(fèi)類電子)。

圖1  芯片市場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)被Altair/MITS發(fā)明，1978年蘋(píng)果公司發(fā)明了Apple II，被稱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，這被稱為Wintel平臺(tái)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(jī)量逐年遞增(圖2)。
消費(fèi)電子的模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)變說(shuō)白了就是銀與硅的對(duì)抗。在技術(shù)領(lǐng)域的主題變遷是非常迅疾的。例如，數(shù)碼相機(jī)(DSC)1995年才出現(xiàn)，由于技術(shù)的進(jìn)步，迫使傳統(tǒng)的膠卷式相機(jī)在1997年前后到達(dá)發(fā)展頂峰，然后開(kāi)始下降。2003年，DSC已達(dá)到4千萬(wàn)臺(tái)的出貨量(圖3)。
再例如，VCR向DVD的轉(zhuǎn)變。DVD播放機(jī)于1997年向市場(chǎng)推出，2002年出貨量超過(guò)了VCR，去年涌現(xiàn)了另一個(gè)新秀——DVD刻錄機(jī)。預(yù)計(jì)2006年刻錄機(jī)會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)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(shù)字電視市場(chǎng)序幕，去年，數(shù)字廣播在日本已經(jīng)開(kāi)始，并宣布模擬廣播將持續(xù)到2011年(圖5)。
模擬電視向數(shù)字電視的過(guò)度，意味著對(duì)硅的需求更大。2003年12月1日，日本又有地面數(shù)字電視出現(xiàn)，是日本消費(fèi)類電子歷史上值得紀(jì)念的一天。完全的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)變將于2011年完成，意味著1億臺(tái)電視要變成數(shù)字電視。

第二個(gè)數(shù)字浪潮涌現(xiàn)
綜觀電子產(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(shù)字革命稱為第一次數(shù)字浪潮。
1990年開(kāi)始，數(shù)字產(chǎn)品發(fā)生了轉(zhuǎn)變，消費(fèi)類電子受到了無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，產(chǎn)品如手機(jī)、數(shù)字電視、游戲機(jī)、DVD，這個(gè)階段稱為第二次數(shù)字浪潮。我們現(xiàn)在正處于第一、二次數(shù)字浪潮的交替階段。
圖7是三次浪潮的比較，包括市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、關(guān)鍵器件、社會(huì)影響與領(lǐng)導(dǎo)者。來(lái)看看第二次數(shù)字浪潮，關(guān)鍵器件有SoC(系統(tǒng)芯片)和SiP(System-In-a-Package，單封裝系統(tǒng))。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(shù)字浪潮中，全世界都在思考著一個(gè)公開(kāi)的問(wèn)題：哪個(gè)國(guó)家將是領(lǐng)導(dǎo)者？
圖8顯示了增長(zhǎng)的數(shù)字消費(fèi)電子市場(chǎng)，可以看到第二次數(shù)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(zhàn)，不僅是對(duì)工具工程師的挑戰(zhàn)，而且是對(duì)所有領(lǐng)域工程師的挑戰(zhàn)。
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)，線間電容增加；漏電流增加；漏極存在的寄生雜散電容(圖10)。
對(duì)于低功率器件來(lái)說(shuō)，降低功耗是個(gè)很大的挑戰(zhàn)(圖11)。一直以來(lái)，隨著集成度的增加，信號(hào)傳輸距離也縮短，促使芯片的功耗持續(xù)下降。但是這種趨勢(shì)將在90nm時(shí)達(dá)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(xiàn)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)門材料，多門檻電壓；電流/系統(tǒng)方面，通過(guò)控制門時(shí)鐘、部分功率關(guān)閉、全面功率管理方法；除此之外，還需要各類工程師協(xié)同工作的強(qiáng)大團(tuán)隊(duì)。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PS 2)三維圖形游戲機(jī)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(duì)便攜式產(chǎn)品非常非常重要。
由此可看到SoC有多么強(qiáng)大。毫無(wú)疑問(wèn)，SoC將成為一個(gè)趨勢(shì)，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(zhǎng)，因此適合大批量的產(chǎn)品，例如游戲機(jī)。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(yīng)用。
圖14顯示了SiP不同結(jié)構(gòu)的封裝形式。用戶可根據(jù)結(jié)構(gòu)、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(shù)字浪潮的發(fā)動(dòng)機(jī)，用于數(shù)字消費(fèi)電子。
可編程性
不同于傳統(tǒng)產(chǎn)品，新的數(shù)字消費(fèi)電子的生命周期(圖15)只有一年左右，而批量越來(lái)越大。可見(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(dǎo)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(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)可編程方面的重要趨勢(shì)，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(tǒng)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(gòu)芯片實(shí)現(xiàn)的消費(fèi)產(chǎn)品。
FPL(現(xiàn)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(shì)。當(dāng)然需要借助先進(jìn)的EDA技術(shù)，及其他超級(jí)的技術(shù)(圖18)。

未來(lái)的預(yù)測(cè)
SONY公司2002年曾開(kāi)發(fā)了機(jī)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(dāng)于一臺(tái)速度2300MIPS的高端PC。與PC不同的是，該機(jī)器人使用了大量的傳感器。這里QRIO使用了2部CCD彩色相機(jī)，還有麥克風(fēng)，4個(gè)紅外距離傳感器，18個(gè)間距(PINCH)探測(cè)傳感器，非常復(fù)雜。
圖19顯示了技術(shù)驅(qū)動(dòng)力的演變。PC驅(qū)動(dòng)了高性能的MPU與高密度存儲(chǔ)器的發(fā)展；下一波是數(shù)字消費(fèi)電子，低功耗器件會(huì)成熱門，并出現(xiàn)了SoC與SiP。在這一階段的后期，將出現(xiàn)機(jī)器人，需要聰明(cleverness)的驅(qū)動(dòng)器件。
圖20顯示了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的器件市場(chǎng)的變化，也是由摩爾定律驅(qū)動(dòng)的。機(jī)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(duì)所有工程師的挑戰(zhàn)。
在日本東京地鐵高峰時(shí)期，冬天常見(jiàn)到強(qiáng)壯的工作人員費(fèi)力地把乘客推入車廂。這個(gè)問(wèn)題最終會(huì)由半導(dǎo)體業(yè)解決。2050年，東京這樣的大城市早晨9點(diǎn)時(shí)，人們不必再由專業(yè)的工作人員推入車廂了。因?yàn)槿藗儾槐剡w移，我們的社區(qū)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(jié)語(yǔ)
數(shù)字消費(fèi)電子正獲得驅(qū)動(dòng)力，芯片市場(chǎng)從PC中心向DC中心轉(zhuǎn)移。技術(shù)方向正在多樣化，從業(yè)人員應(yīng)該在這關(guān)鍵時(shí)刻，把握住第二次數(shù)字浪潮的風(fēng)口浪尖！■(編輯迎九根據(jù)牧本先生講演錄音整理)