最近世界半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展特點(diǎn)漫談(下)

存儲(chǔ)器迎來(lái)新時(shí)代

半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(chǔ)“位”的需求將無(wú)限擴(kuò)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(guó)公司順理成章，君臨天下。進(jìn)入80年代，大型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)擴(kuò)大，DRAM技術(shù)要求十分殷切，以此為契機(jī)，日本DRAM公司乘時(shí)而起。DRAM技術(shù)要求較低，勝負(fù)在于大量生產(chǎn)技術(shù)，這正是日本公司的強(qiáng)項(xiàng)，美國(guó)以Intel公司為代表轉(zhuǎn)向了技術(shù)更高的MPU，因此，80年代成了日本半導(dǎo)體業(yè)的黃金時(shí)代，80年代中期日本不僅獨(dú)占世界80%的DRAM市場(chǎng)份額，且在半導(dǎo)體業(yè)整體上也超越美國(guó)，占有半壁江山。

世界跨進(jìn)90年代，大型機(jī)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(dāng)時(shí)要求保證工作25年，但PC對(duì)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(guó)以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)就是在這樣的形勢(shì)下乘時(shí)而起，到1998年韓國(guó)即趕過(guò)日本，成為世界第一DRAM生產(chǎn)國(guó)以迄于今?？偨Y(jié)韓國(guó)取勝之道有三，即經(jīng)營(yíng)、戰(zhàn)略和成本競(jìng)爭(zhēng)。

iSuppli公司預(yù)測(cè)，以256Mb DRAM作單位計(jì)算，2006年世界共生產(chǎn)DRAM  114億塊，2007年可達(dá)185億塊，2010年可望增長(zhǎng)到626億塊，2006~2010年的年均增長(zhǎng)率高達(dá)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(dá)457億美元，年均增長(zhǎng)率7.7%。

iSuppli公司CEO Derek Lidon日前在韓國(guó)首爾的數(shù)字化論壇上預(yù)測(cè)，未來(lái)中國(guó)大陸/臺(tái)灣或?qū)⒊巾n國(guó)。2006年韓國(guó)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(jì)占45%，而中國(guó)大陸/臺(tái)灣的生產(chǎn)合計(jì)占17%。2007年韓國(guó)續(xù)增到占47%，中國(guó)大陸/臺(tái)灣占31%，其他地區(qū)占22%。但從2008年起差距將逐步縮小，屆時(shí)中國(guó)大陸/臺(tái)灣將增至35%，韓國(guó)略減到46%，并預(yù)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(dǎo)體設(shè)備投資主角是以Intel為代表微芯片廠商，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(chǔ)器投資比重卻日益增大，近年其比重在整個(gè)半導(dǎo)體投資中已超過(guò)了40%(圖6)，各主要存儲(chǔ)器公司的投資額如表2所示(表2)。投資是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展的重大牽引力。

圖6 存儲(chǔ)器的投資比重

DRAM公司最近雖在開(kāi)發(fā)數(shù)字家電和移動(dòng)電話等方面的應(yīng)用，但對(duì)PC的依存仍然過(guò)大，約占其生產(chǎn)的60%，故其命運(yùn)隨PC而沉浮。NAND閃存則是替代DRAM以外的其他存儲(chǔ)媒體而發(fā)展壯大起來(lái)的。例如已大量取代膠卷的存儲(chǔ)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(chǔ)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(yīng)用領(lǐng)域已涉及移動(dòng)電話、PC、數(shù)碼相機(jī)、便攜音頻產(chǎn)品、游戲機(jī)、攝像機(jī)等。

NAND閃存自2003年以后，產(chǎn)值急劇擴(kuò)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(xiàn)在生產(chǎn)NAND閃存的公司最大的要算韓國(guó)三星，獨(dú)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(guó)Hynix、日本Renesas、美國(guó)Micron公司、意法ST公司和德國(guó)Infineon公司等。NAND閃存大公司如三星和Hynix都是在一條生產(chǎn)線上同時(shí)生產(chǎn)NAND閃存和DRAM，這樣便可根據(jù)市場(chǎng)的需求情況靈活加以調(diào)節(jié)。

NAND flash隨著存儲(chǔ)容量的擴(kuò)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(cái)?shù)摹皳u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(guó)Spansion公司也于2006年年中進(jìn)入NAND市場(chǎng)。

Moore定律繼續(xù)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(shù)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(rèn)為已達(dá)不到這一速度，但I(xiàn)ntel公司堅(jiān)守這一原則，并認(rèn)為還會(huì)繼續(xù)下去。

Intel 當(dāng)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(dá)到5.9億晶體管，并預(yù)計(jì)2010年將達(dá)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(shù)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(shù)量級(jí)。

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(xì)化也是按著Moore定律在2年1代地發(fā)展著，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(yù)計(jì)2009年則將是32nm時(shí)代。微細(xì)化發(fā)展一代，芯片面積約縮小一半，這是微細(xì)化所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性。

圓片面積大口徑化，從150mm、200mm正積極轉(zhuǎn)向300mm，這一尺寸或許會(huì)使用長(zhǎng)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(dǎo)體業(yè)中的地位年年提高。據(jù)世界第一代工公司臺(tái)積電報(bào)道，上世紀(jì)90年代大多時(shí)間代工業(yè)產(chǎn)值在半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)值計(jì)，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(jù)臺(tái)積電的估計(jì)，2006年在200~250億美元之間，預(yù)計(jì)2010年可望達(dá)500億美元(依SIA預(yù)測(cè)2010年世界半導(dǎo)體產(chǎn)值將達(dá)到3000億美元以上，那代工業(yè)占17%)。臺(tái)積電預(yù)測(cè)2005~2010年世界代工業(yè)的年均增長(zhǎng)率可達(dá)到20%左右，遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的6. 1%.

代工業(yè)經(jīng)營(yíng)不易，投資巨大，臺(tái)積電公司每年的設(shè)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(fèi)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

公司的工廠規(guī)模很大，月投產(chǎn)8~10萬(wàn)片，投資這樣的工廠需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(chǔ)器大公司才能做到。臺(tái)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(jì)算機(jī))社會(huì)向Ambient(環(huán)境保護(hù))社會(huì)前進(jìn)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用更加深入人們的生活，同時(shí)環(huán)境保護(hù)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(jié)能無(wú)疑是關(guān)注焦點(diǎn)之一。據(jù)報(bào)道，電子信息技術(shù)所消費(fèi)電力約占世界總消費(fèi)電力的14%，次于發(fā)動(dòng)機(jī)(51%)、照明(19%)和空調(diào)(16%)而居第四。此外，能源成本也成為電子設(shè)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(fèi)電力就需5億度，一年即達(dá)2000億度電。因此，發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已不能只考慮性能的提高，而且要注意到節(jié)能。

今天消費(fèi)者對(duì)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(zhǎng)。Power is god(能源是上帝)。這對(duì)芯片制造商還是電源生產(chǎn)廠都提出了更高的要求。

圖11 邏輯電路和模擬電路的驅(qū)動(dòng)電壓

與此同時(shí)，人們也的確看到了電路的驅(qū)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(xì)化，我國(guó)一位專(zhuān)家稱(chēng)，一般線條減小一半，速度提高4倍。事實(shí)正是這樣，數(shù)字邏輯電路的不斷微細(xì)化，其驅(qū)動(dòng)電壓已突破了1伏關(guān)口，而模擬電路和微細(xì)化不如邏輯電路，當(dāng)它們的加工工藝為180~130nm時(shí)，電壓為2.5~1.8V，最近有達(dá)到1.2V的，盡管有困難，還在向1V挺進(jìn)(圖11)。由于在系統(tǒng)芯片上是數(shù)?；旌系?，故此模擬能否突破1V成為人們議論的問(wèn)題。