芯片業(yè)變化的范例

變化的范例
圖1是芯片市場結(jié)構(gòu)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、通信與汽車業(yè)處于低谷。從80年代到90年代，計算機的市場份額從30%多達(dá)到了50％左右?？梢?0年前是PC驅(qū)動；從90年代中期到2006年，消費電子、通信與汽車將起飛，達(dá)到超過50%的市場份額，驅(qū)動力是DC(數(shù)字消費類電子)。

圖1  芯片市場結(jié)構(gòu)變化圖

翻開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，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平臺或Wintel聯(lián)盟，拉開了PC業(yè)發(fā)展的序幕。隨后，PC的營業(yè)額與裝機量逐年遞增(圖2)。
消費電子的模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)變說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(shù)碼相機(DSC)1995年才出現(xiàn)，由于技術(shù)的進(jìn)步，迫使傳統(tǒng)的膠卷式相機在1997年前后到達(dá)發(fā)展頂峰，然后開始下降。2003年，DSC已達(dá)到4千萬臺的出貨量(圖3)。
再例如，VCR向DVD的轉(zhuǎn)變。DVD播放機于1997年向市場推出，2002年出貨量超過了VCR，去年涌現(xiàn)了另一個新秀——DVD刻錄機。預(yù)計2006年刻錄機會超過傳統(tǒng)的VCR(圖4)。
另一個例子是日本的電視。2000年日本拉開了龐大的數(shù)字電視市場序幕，去年，數(shù)字廣播在日本已經(jīng)開始，并宣布模擬廣播將持續(xù)到2011年(圖5)。
模擬電視向數(shù)字電視的過度，意味著對硅的需求更大。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1億臺電視要變成數(shù)字電視。

第二個數(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，主要有三個階段：1970年代~1980年代，TV、VCR與隨身聽開始盛行，稱為模擬浪潮。1980年P(guān)C進(jìn)入市場，為人們的工作和生活帶來了巨大的影響，這場數(shù)字革命稱為第一次數(shù)字浪潮。
1990年開始，數(shù)字產(chǎn)品發(fā)生了轉(zhuǎn)變，消費類電子受到了無線、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，產(chǎn)品如手機、數(shù)字電視、游戲機、DVD，這個階段稱為第二次數(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，包括市場驅(qū)動、關(guān)鍵器件、社會影響與領(lǐng)導(dǎo)者。來看看第二次數(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公開的問題：哪個國家將是領(lǐng)導(dǎo)者？
圖8顯示了增長的數(shù)字消費電子市場，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。因此如何在一個芯片上集成30億支晶體管？這是一個巨大的挑戰(zhàn)，不僅是對工具工程師的挑戰(zhàn)，而且是對所有領(lǐng)域工程師的挑戰(zhàn)。
圖9顯示了光刻工具的進(jìn)化圖，可見成本越來越高昂。
為了獲得更好的器件，遇到的問題是：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)。
對于低功率器件來說，降低功耗是個很大的挑戰(zhàn)(圖11)。一直以來，隨著集成度的增加，信號傳輸距離也縮短，促使芯片的功耗持續(xù)下降。但是這種趨勢將在90nm時達(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)。
有多種方法來解決此問題：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，通過控制門時鐘、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)同工作的強大團(tuán)隊。一個芯片業(yè)史無前例的新模式。
SoC與SiP
SONY公司的Playstaion 2(簡稱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。毫無疑問，SoC將成為一個趨勢，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，但是開發(fā)成本較高，上市時間較長，因此適合大批量的產(chǎn)品，例如游戲機。SiP開發(fā)成本低，上市時間快，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)動機，用于數(shù)字消費電子。
可編程性
不同于傳統(tǒng)產(chǎn)品，新的數(shù)字消費電子的生命周期(圖15)只有一年左右，而批量越來越大。可見上市時間越來越快，市場非常集中，市場變化快。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。簡單地說，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。這是一個現(xiàn)場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)行開發(fā)。例如，ASPP的一個例子是SONY的網(wǎng)絡(luò)隨身聽，一個嵌入式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)隨身聽可錄制1張CD，33小時不間斷工作。這可能是日本第一個用可重構(gòu)芯片實現(xiàn)的消費產(chǎn)品。
FPL(現(xiàn)場可編程邏輯)之后將是什么？自動化的SoC/SiP可能是下一個趨勢。當(dāng)然需要借助先進(jìn)的EDA技術(shù)，及其他超級的技術(shù)(圖18)。

未來的預(yù)測
SONY公司2002年曾開發(fā)了機器人QRIO。包括3個64位RISC CPU，59個16位MPU，190MB DRAM，16MB閃存。相當(dāng)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個紅外距離傳感器，18個間距(PINCH)探測傳感器，非常復(fù)雜。
圖19顯示了技術(shù)驅(qū)動力的演變。PC驅(qū)動了高性能的MPU與高密度存儲器的發(fā)展；下一波是數(shù)字消費電子，低功耗器件會成熱門，并出現(xiàn)了SoC與SiP。在這一階段的后期，將出現(xiàn)機器人，需要聰明(cleverness)的驅(qū)動器件。
圖20顯示了機器人驅(qū)動的器件市場的變化，也是由摩爾定律驅(qū)動的。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(zhàn)。
在日本東京地鐵高峰時期，冬天常見到強壯的工作人員費力地把乘客推入車廂。這個問題最終會由半導(dǎo)體業(yè)解決。2050年，東京這樣的大城市早晨9點時，人們不必再由專業(yè)的工作人員推入車廂了。因為人們不必遷移，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。通過網(wǎng)絡(luò)來工作，人們將更加舒適，可以在任何時間、任何地點與任何人進(jìn)行通信。

結(jié)語
數(shù)字消費電子正獲得驅(qū)動力，芯片市場從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)