半導體特征循環(huán)與可重構(gòu)芯片

　　1 引言

　　1965 年，摩爾用三個集成電路產(chǎn)品集成度隨時間的增長數(shù)據(jù)，外加1959 年的晶體管（集成度為1）和1965 年預(yù)計可推出的實驗室產(chǎn)品（有64 個元件），用半對數(shù)坐標，外插預(yù)測到十年后集成電路的集成度將達到65,000 個元件。1975 年預(yù)測成真，隨后被稱為“摩爾定律”。近40 年來，“摩爾定律”作為半導體發(fā)展的指南針對整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。由此我們可以體會到總結(jié)規(guī)律、預(yù)測發(fā)展的重要意義。半導體產(chǎn)品是半導體技術(shù)的載體，也是半導體經(jīng)濟的體現(xiàn)。因此，總結(jié)半導體產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)律，就成為另外一個重要的課題。

　　2 牧村浪潮與半導體產(chǎn)品特征循環(huán)

　　2.1 牧村浪潮

　　1987 年， 原日立公司總工程師牧村次夫（Tsugio Makimoto）提出半導體產(chǎn)品沿著“標準”與“定制”交替發(fā)展，每十年波動一次的思想，并于1991 年[2]第一次發(fā)表在Electronics Weekly上，稱之為“牧村浪潮”（Makimoto’s Wave）。當時，他總結(jié)與預(yù)測的時間尺度為1957-2007 年，共五次波動，如圖1（上圖）所示。2001 年（一說2002年）[3]他根據(jù)新的發(fā)展形勢，在原循環(huán)圖上又增加了一個以soc/SiP（System on a chip/system in a package）為特征的定制波動，時段為2007-2017年，如圖1（下圖）所示。近年來可編程芯片的高速發(fā)展，驗證了“牧村浪潮”的正確性，因而得到了Xilinx、Altera等可編程芯片商的響應(yīng)，反響頗大。德國Kaiserslauterin大學Hartenstein教授甚至把“牧村浪潮” 稱為“牧村定律”，認為在半導體技術(shù)逼近其極限的情況下，“牧村定律”完全可以成為超過摩爾定律的一張王牌，半導體技術(shù)也只有依靠“牧村定律”才能維持其高增長的創(chuàng)新速度。

　　2.2 半導體產(chǎn)品特征循環(huán)

　　1987 年，我們采用中德電子周報告會一篇有關(guān)半導體產(chǎn)品制造與應(yīng)用的交叉分類方法（分為通用標準、專用標準、通用定制和專用定制四類），從“造”與“用”的對立統(tǒng)一運動出發(fā)，以“應(yīng)用”為矛盾的主要方面，總結(jié)出了半導體產(chǎn)品主要特征將沿著“通用”與“專用”循環(huán)波動，每十年一次，見圖2（上圖）。這一提法于 1990-91 年在童志鵬院士組織編寫《未來軍事電子》[5]一書時，以“硅微電子產(chǎn)品史上的六次波動2”為子節(jié)編入。考慮到產(chǎn)品成熟應(yīng)用并形成主流又比技術(shù)本身遲后十年，因而六次波動所對應(yīng)的時間分別為1958-1968 年（半導體分立器件）、1968-1978（電視、音響等專用標準產(chǎn)品ASSP ）、1978-1988 （ 微處理器MPU ）、1988-1998（掩膜編程等專用電路ASIC）、1998-2008（用戶可編程等電路FPGA）和2008-2018(片上集成系統(tǒng)SoW-亦即現(xiàn)在講的SoC)，并與本書的另一子節(jié)“硅微電子發(fā)展史上的七次浪潮”（1948-58，晶體管；1958-68，SSI/MSI；1968-78， LSI；1978-88，VLSI；1988-98，ULSI；1998-2008，GLSI；2008-18，WSI）按產(chǎn)品成熟應(yīng)用滯后技術(shù)十年的關(guān)系，在時間上一一對應(yīng)起來。其中第七次浪潮（2008-18 年）所對應(yīng)的通用波動（第七波），當時由于尚難確定其應(yīng)用特征，因此用“ ?”表示。在2000 年[6]我們拉直了這個問號，指出其主流產(chǎn)品為多功能芯片（MFIC），稍后更名為“用戶可重構(gòu)SoC”（U-SoC），而第六波則明確為嵌入式編程芯片（EBIC），如圖2（下圖）所示。

　　2.3 比較

　　如上所述，我們提出的“產(chǎn)品特征循環(huán)”與牧村先生的“浪潮”在前六個波動大致相同。但是，我們預(yù)測時段比牧村長20 年、多兩個波動[5]。其中第六個（專用）波動，牧村先生到2001 [3]（或2002）年時也才在他的“浪潮”修正中，補充了進去。我們當時用SoW（System on a Wafer）表征第六波主流應(yīng)用產(chǎn)品，SoW就是現(xiàn)在講的SoC；牧村先生則以SoC/SiP為表征。

　　其次，我們當時就同時預(yù)見到第七波（通用）的可能。但從目前收集到的資料看，第七波是否存在還有分歧：牧村先生在2003 年[4]再度修正的報告中，仍然僅僅提到第六波（定制），而Hartenstein教授則明確表示不再有新的波動了[7]。我們從他對“牧村浪潮”波形的修正中（見圖3）可以看到，他把第五波（標準）的主流產(chǎn)品可編程改成了可重構(gòu)，并把第六波（定制）修改為半淺波，以粗粒度可編程芯片為主特征。從此可以猜想到，他或許認為第五波就開始了可重構(gòu)特征，而第六波不過是第五波的一個過渡而已。Hartenstein教授在可重構(gòu)計算（Reconfigurable Computer）方面深有 研究，他的看法是否有道理，要在今后的發(fā)展中判斷。我們之所以認為還存在第七波（通用），當時僅從發(fā)展規(guī)律上考慮到與微電子技術(shù)發(fā)展中的第七次浪潮（2008-2018，或許是傳統(tǒng)硅微電子技術(shù)的最后一個浪潮）相呼應(yīng)[5]。隨后,我們從技術(shù)本身發(fā)展上認識到，可重構(gòu)計算是一個難度頗大，涉及面甚廣的課題，盡管當前很多人在研究，但是無論在器件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是在設(shè)計方法學方面，均存在不少問題，仍有很長的路要走。我們相信，可重構(gòu)計算技術(shù)的發(fā)展，終將推動主流應(yīng)用進入U-soc通用波動，僅僅通過對“毛坯芯片” (Raw Chip)的配置編程就可以得到用戶自定義的功能電路，從而引導半導體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變，促進不做芯片設(shè)計而專事芯片應(yīng)用創(chuàng)新的Designless 商業(yè)模式的新興起[8]。

　　另外，兩者在在時間軸上也不盡相同。其一，起點我們之所以定于1958、1968……是考慮到雖然晶體管的發(fā)明時間是1947 年12 月，但申請專利則在1948 年，而且遲到1956 年晶體管主要發(fā)明人肖克萊才開始創(chuàng)辦公司（日本公司也大約在此時間里才開始把晶體管用于收音機）。因此，晶體管成熟應(yīng)用并成為主流約在1958-1968 年間；起點為1958年。同樣，1958 年9 月TI公司Jack S Killby發(fā)明臺式鍺集成電路，1959 年1 月Farchild公司RobertNoyce發(fā)明硅平面集成電路，他們兩人的專利申請分別遲到1964(Killby)年和1961 年(Noyce)才獲得授權(quán)。因此，中、小規(guī)模集成電路作為專用標準產(chǎn)品(ASSP)應(yīng)用于電視、音響并成為主流則大約位于1968-1978 年間；起點為1968 年。其他波動循環(huán)的主流產(chǎn)品與技術(shù)出現(xiàn)的時間對應(yīng)關(guān)系，也大致如此。這里需要特別提出的是，1980 年代中出現(xiàn)的可編程器件（如FPGA），只是在1990 年代才逐漸成熟，并在規(guī)模應(yīng)用與生產(chǎn)中，顯示出價格優(yōu)勢而對ASIC形成壓力。這個事實表明，產(chǎn)品特性循環(huán)所預(yù)示的可編程器件成熟應(yīng)用并成為主流的時間段 (1998-2008)是正確的。據(jù)此，我們確有充分理由相信，嵌入式系統(tǒng)級芯片成熟并成為主流的時間段為2008-2018，以及隨后第七波(2018 -2028)存在的合理性與合乎規(guī)律性了。ISuppli也認為牧村浪潮已經(jīng)走到盡頭，新一輪的“標準”波動繼續(xù)驅(qū)動半導體工業(yè)增長[9]。其二，終點我們預(yù)測在2028 年，這跟我們早年關(guān)于傳統(tǒng)硅的生命曲線研究有關(guān)。研究表明，基于近平衡態(tài)物理的硅微電子技術(shù)將于2014-2017 年進入其S曲線的拐點，發(fā)展速度明顯放慢，摩爾定律失效。這時，硅微電子的創(chuàng)新則主要依賴于芯片設(shè)計方法學的進步[10]。