?

　　本演講根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)“由簡(jiǎn)入繁”,、又“化繁為簡(jiǎn)”的螺旋式發(fā)展史事,，探討主流半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展哲理，供大家參考討論,。

?

　　發(fā)展歷程

　　根據(jù)IC Knowledge 的歸納^[1],，可以把集成電路(IC)的發(fā)展歷程劃分為四個(gè)階段：即奠定基礎(chǔ),、激情創(chuàng)新,、昂首闊步和走向成熟，每階段大約20年,。

?

　　“奠定基礎(chǔ)”發(fā)生于上世紀(jì)四五十年代,，此階段發(fā)明或提出了晶體管、集成電路,、平面工藝以及Si材料,、CMOS等涉及器件“物理基礎(chǔ)”、“基本結(jié)構(gòu)”,、“制造工藝”和“集成方法”等一系列基礎(chǔ)技術(shù)和方法,。

?

　　“激情創(chuàng)新”發(fā)生于上世紀(jì)六七十年代，主要是產(chǎn)業(yè)技術(shù)擴(kuò)散階段,。誕生了EPROM,、DSP、DRAM,、MPU等,。當(dāng)時(shí)有兩個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)是等比例縮小,，推動(dòng)器件小型化;另一個(gè)是摩爾定律,，推動(dòng)器件集成化;這兩個(gè)堪稱是半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展引擎。這時(shí)候制造裝備(可視為晶圓制造的“基因”)業(yè)開(kāi)始興起,，設(shè)計(jì)工具也涌現(xiàn)了出來(lái),。

?

　　“昂首闊步”發(fā)生于上世紀(jì)八九十年代，在此之前，大方向都已經(jīng)定了,，這時(shí)晶圓尺寸,、集成規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)?！鹊戎皇琼樌m(xù)擴(kuò)大,，而產(chǎn)業(yè)技術(shù)則按 “路線圖”發(fā)展，即在已知規(guī)律下推測(cè)未來(lái)的發(fā)展,，是一種邏輯的延伸,。這里要指出的是，雖然第一代CMOS DRAM是在1983~1984年間推出的,，但是CMOS早在奠定基礎(chǔ)階段就已經(jīng)“發(fā)明”了,。

?

　　“走向成熟”階段大致從2000年開(kāi)始到CMOS技術(shù)的“終結(jié)”。近年來(lái),，在認(rèn)識(shí)上大多共識(shí)到硅技術(shù)壽限大約在2020年前;而在實(shí)踐中則從“拜速度論”向“應(yīng)用為王”思路轉(zhuǎn)移,，發(fā)生了一些重大事件，例如出現(xiàn)了“雙核年”,，F(xiàn)abless(無(wú)生產(chǎn)線的公司)模式由懷疑到肯定并成為產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)等等,。

?

　　發(fā)展哲理

　　從發(fā)展的前兩個(gè)歷程，我們可以看到IC產(chǎn)業(yè)“確定了器件縮小(等縮比),、集成做大(摩爾定律)兩大引擎,，即如何做到又小又好!”而后兩個(gè)歷程則“全部基于馮?諾依曼范式和固體能帶論”，“抬頭拉車”,，闊步向前,，“即如何化繁為簡(jiǎn)，做得規(guī)則,、標(biāo)準(zhǔn)!”

?

　　因此,，從純產(chǎn)業(yè)技術(shù)這個(gè)角度看，我們可以把這個(gè)產(chǎn)業(yè)的“發(fā)展哲理”歸納為：“小”就是美(目標(biāo)),，崇尚“簡(jiǎn)約”(使命),，倚重“左腦”(思路)三大特點(diǎn)。

?

　　“小”就是美

　　可從機(jī)制,、性能,、成本、功能,、融合等五個(gè)角度來(lái)看,。 機(jī)制是比例縮小，體現(xiàn)了“小(尺寸)與大(規(guī)模)螺旋式前進(jìn),，低(價(jià)格)與高(性能)辯證統(tǒng)一”,。成本無(wú)論從每MIPS成本,，或每個(gè)晶體管的成本看，都在大幅度下降,。芯片功能越來(lái)越豐富,，尤其是現(xiàn)在的移動(dòng)多功能裝置，具有通信以外,、越來(lái)越多的功能,。融合的前景巨大，現(xiàn)在是硬件與軟件融合,，今后將是產(chǎn)業(yè)的融合,。

?

　　崇尚“簡(jiǎn)約”

　　體現(xiàn)在材料、結(jié)構(gòu),、制程,、設(shè)計(jì)和應(yīng)用五個(gè)方面。大自然恩賜了人類一種奇異的材料,，它既便宜又豐富,，既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。在MOS結(jié)構(gòu)中,，“兩點(diǎn)一線”構(gòu)成了一個(gè)有源器件,，并兼具“低進(jìn)高出”的優(yōu)異特性;而CMOS結(jié)構(gòu)則具有“功”盡其用，“耗”節(jié)其盡的特點(diǎn),。制程采用基于平臺(tái)的“印刷”,。產(chǎn)品則是基于平臺(tái)的設(shè)計(jì),，即把數(shù)以萬(wàn)計(jì)的以“實(shí)”元件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),，簡(jiǎn)化為按某些約束條件下的“虛”元件的“即插即用”“堆積”。應(yīng)用方面,，由于IC集成的深度,、廣度與成熟度的演進(jìn)，使得終端產(chǎn)品和應(yīng)用本身都大大地“簡(jiǎn)約化”了,，例如手機(jī)集成度越來(lái)越高,，并把“方案”都“集成”進(jìn)去，不僅僅做手機(jī)簡(jiǎn)單—出現(xiàn)了“山寨”現(xiàn)象,，而且使用也“傻瓜”化了,。

?

　　倚重“左腦”

　　左腦負(fù)責(zé)理性推理，屬于普通腦;右腦負(fù)責(zé)感性跳躍,，是天才腦,。IC發(fā)展倚重的是“左腦”，按照邏輯推理思路發(fā)展,，可以體現(xiàn)在核心結(jié)構(gòu),、核心工具和核心應(yīng)用(計(jì)算模式)三部分,。核心結(jié)構(gòu)就是如何把晶體管的特征尺寸做小，原來(lái)認(rèn)為32nm是一個(gè)坎,，但I(xiàn)BM在22nm時(shí)仍然采用傳統(tǒng)的平面柵結(jié)構(gòu);而把晶體管尺寸縮小的核心工具(圖形轉(zhuǎn)移工具)依然依賴于光學(xué)方法,，遵循簡(jiǎn)單的瑞利公式;至于核心應(yīng)用則涉及到計(jì)算模式問(wèn)題，由于馮?諾依曼范式積累了太多的人類知識(shí),，不會(huì)被輕易拋棄,，所以一定會(huì)繼續(xù)延用。

?

　　當(dāng)然,，技術(shù)革新仍然沒(méi)有停止,，只是這些革新都是在原有“基本模式”中的螺旋前進(jìn)。例如核心結(jié)構(gòu)沒(méi)有突破MOS結(jié)構(gòu),，過(guò)去是金屬鋁柵,，現(xiàn)在是金屬鉿柵，是一種在原有模式上的螺旋式上升,。其他也類似,，都是基于舊原理上的邏輯延伸和傳承更新。

?

　　幾點(diǎn)啟示

　　●從發(fā)展哲理中看成功的訣竅,。即基于最普通的材料,、最完美的匹配;采用最巧妙的“縮擴(kuò)”實(shí)現(xiàn)了最辨證的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)“輪回”。

?

　　●從發(fā)展哲理中思考顛覆性突破,。Si-CMOS由于本身的物理限制,，當(dāng)它在縮小進(jìn)程中變得愈來(lái)愈繁而又不能“化簡(jiǎn)”時(shí)，就意味著基于CMOS結(jié)構(gòu)在邏輯上不能延伸了,，這時(shí)就要發(fā)揮天才腦(右腦)的作用,，尋找顛覆性突破。但是,，目前已涌現(xiàn)的“新興器件”既不成熟又難與Si-CMOS性/價(jià)全面匹敵,，短時(shí)期內(nèi)還看不到全面替代Si-CMOS的可能，而馮?諾依曼范式也仍將主導(dǎo)SoC設(shè)計(jì),，這就是說(shuō),，我們現(xiàn)在還要盡力延伸并充分運(yùn)用硅技術(shù)。主要體現(xiàn)在下面兩點(diǎn),。

?

　　第一,，嵌入設(shè)計(jì)成為延伸創(chuàng)新主流。長(zhǎng)期以來(lái),，設(shè)計(jì)業(yè)的增速是整個(gè)IDM(集成設(shè)備制造商)的4倍,，整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)的3倍。即使在半導(dǎo)體業(yè)非常簫條時(shí)期,，設(shè)計(jì)業(yè)仍然是正增長(zhǎng),，這就使得Fabless成了2008年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最大亮點(diǎn),，有3家Fabless公司進(jìn)入了半導(dǎo)體的前20名，高通則進(jìn)入了前8名,。

?

　　幾年前有人認(rèn)為,，CPU和DSP作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品將要死亡，而實(shí)際上從數(shù)量上看,，CPU和DSP等通用產(chǎn)品確實(shí)比嵌入式芯片的數(shù)量少得非常多,。因此有人大膽預(yù)測(cè)，到2028年,，整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1萬(wàn)億美元,，其中絕大部分的芯片將用于嵌入式系統(tǒng)。

?

　　第二,，“嵌入”應(yīng)用離不開(kāi)SiP/3D封裝,。就電子裝置小型化而言，包括我們現(xiàn)在的手機(jī),，IC/SoC只占整個(gè)體積的很小一部分,，其他的大多數(shù)零件(如傳感器件、光學(xué)元件等)的小型化都要靠封裝來(lái)解決,。因此,，2005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖提出了在“More Moore(延伸摩爾定律)”的同時(shí)，要關(guān)注“More than Moore(超越摩爾定律)”即SiP(系統(tǒng)封裝)/3D(三維封裝)的發(fā)展,。

?

　　小結(jié)

　　硅技術(shù)將在延伸中尋找突破;現(xiàn)在,，我們正面臨著“More than Moore”時(shí)代;在這個(gè)時(shí)代里，要把“More Moore”和“More than Moore”的價(jià)值體現(xiàn)出來(lái),，設(shè)計(jì)創(chuàng)新就成為關(guān)鍵的關(guān)鍵,。注：本文源自“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)集成電路主題研討會(huì)”的發(fā)言(2009年3月)。

?

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] History of the integrated circuit[R/OL].http://www.icknowledge.com/history.html