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本演講根據半導體技術“由簡入繁”、又“化繁為簡”的螺旋式發展史事,探討主流半導體技術的發展哲理,供大家參考討論。
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發展歷程
根據IC Knowledge 的歸納[1],可以把集成電路(IC)的發展歷程劃分為四個階段:即奠定基礎、激情創新、昂首闊步和走向成熟,每階段大約20年。
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“奠定基礎”發生于上世紀四五十年代,此階段發明或提出了晶體管、集成電路、平面工藝以及Si材料、CMOS等涉及器件“物理基礎”、“基本結構”、“制造工藝”和“集成方法”等一系列基礎技術和方法。
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“激情創新”發生于上世紀六七十年代,主要是產業技術擴散階段。誕生了EPROM、DSP、DRAM、MPU等。當時有兩個非常重要的發現,一個是等比例縮小,推動器件小型化;另一個是摩爾定律,推動器件集成化;這兩個堪稱是半導體技術的發展引擎。這時候制造裝備(可視為晶圓制造的“基因”)業開始興起,設計工具也涌現了出來。
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“昂首闊步”發生于上世紀八九十年代,在此之前,大方向都已經定了,這時晶圓尺寸、集成規模、產業規模…等等只是順續擴大,而產業技術則按 “路線圖”發展,即在已知規律下推測未來的發展,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早在奠定基礎階段就已經“發明”了。
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“走向成熟”階段大致從2000年開始到CMOS技術的“終結”。近年來,在認識上大多共識到硅技術壽限大約在2020年前;而在實踐中則從“拜速度論”向“應用為王”思路轉移,發生了一些重大事件,例如出現了“雙核年”,Fabless(無生產線的公司)模式由懷疑到肯定并成為產業亮點等等。
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發展哲理
從發展的前兩個歷程,我們可以看到IC產業“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,做得規則、標準!”
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因此,從純產業技術這個角度看,我們可以把這個產業的“發展哲理”歸納為:“小”就是美(目標),崇尚“簡約”(使命),倚重“左腦”(思路)三大特點。
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“小”就是美
可從機制、性能、成本、功能、融合等五個角度來看。 機制是比例縮小,體現了“小(尺寸)與大(規模)螺旋式前進,低(價格)與高(性能)辯證統一”。成本無論從每MIPS成本,或每個晶體管的成本看,都在大幅度下降。芯片功能越來越豐富,尤其是現在的移動多功能裝置,具有通信以外、越來越多的功能。融合的前景巨大,現在是硬件與軟件融合,今后將是產業的融合。
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崇尚“簡約”
體現在材料、結構、制程、設計和應用五個方面。大自然恩賜了人類一種奇異的材料,它既便宜又豐富,既簡單又復雜。在MOS結構中,“兩點一線”構成了一個有源器件,并兼具“低進高出”的優異特性;而CMOS結構則具有“功”盡其用,“耗”節其盡的特點。制程采用基于平臺的“印刷”。產品則是基于平臺的設計,即把數以萬計的以“實”元件為基礎的系統設計,簡化為按某些約束條件下的“虛”元件的“即插即用”“堆積”。應用方面,由于IC集成的深度、廣度與成熟度的演進,使得終端產品和應用本身都大大地“簡約化”了,例如手機集成度越來越高,并把“方案”都“集成”進去,不僅僅做手機簡單—出現了“山寨”現象,而且使用也“傻瓜”化了。
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倚重“左腦”
左腦負責理性推理,屬于普通腦;右腦負責感性跳躍,是天才腦。IC發展倚重的是“左腦”,按照邏輯推理思路發展,可以體現在核心結構、核心工具和核心應用(計算模式)三部分。核心結構就是如何把晶體管的特征尺寸做小,原來認為32nm是一個坎,但IBM在22nm時仍然采用傳統的平面柵結構;而把晶體管尺寸縮小的核心工具(圖形轉移工具)依然依賴于光學方法,遵循簡單的瑞利公式;至于核心應用則涉及到計算模式問題,由于馮?諾依曼范式積累了太多的人類知識,不會被輕易拋棄,所以一定會繼續延用。
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當然,技術革新仍然沒有停止,只是這些革新都是在原有“基本模式”中的螺旋前進。例如核心結構沒有突破MOS結構,過去是金屬鋁柵,現在是金屬鉿柵,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。
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幾點啟示
●從發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”實現了最辨證的技術與經濟“輪回”。
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●從發展哲理中思考顛覆性突破。Si-CMOS由于本身的物理限制,當它在縮小進程中變得愈來愈繁而又不能“化簡”時,就意味著基于CMOS結構在邏輯上不能延伸了,這時就要發揮天才腦(右腦)的作用,尋找顛覆性突破。但是,目前已涌現的“新興器件”既不成熟又難與Si-CMOS性/價全面匹敵,短時期內還看不到全面替代Si-CMOS的可能,而馮?諾依曼范式也仍將主導SoC設計,這就是說,我們現在還要盡力延伸并充分運用硅技術。主要體現在下面兩點。
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第一,嵌入設計成為延伸創新主流。長期以來,設計業的增速是整個IDM(集成設備制造商)的4倍,整個半導體業的3倍。即使在半導體業非常簫條時期,設計業仍然是正增長,這就使得Fabless成了2008年半導體產業的最大亮點,有3家Fabless公司進入了半導體的前20名,高通則進入了前8名。
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幾年前有人認為,CPU和DSP作為一個標準產品將要死亡,而實際上從數量上看,CPU和DSP等通用產品確實比嵌入式芯片的數量少得非常多。因此有人大膽預測,到2028年,整個半導體市場規模將達到1萬億美元,其中絕大部分的芯片將用于嵌入式系統。
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第二,“嵌入”應用離不開SiP/3D封裝。就電子裝置小型化而言,包括我們現在的手機,IC/SoC只占整個體積的很小一部分,其他的大多數零件(如傳感器件、光學元件等)的小型化都要靠封裝來解決。因此,2005年國際半導體技術發展路線圖提出了在“More Moore(延伸摩爾定律)”的同時,要關注“More than Moore(超越摩爾定律)”即SiP(系統封裝)/3D(三維封裝)的發展。
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小結
硅技術將在延伸中尋找突破;現在,我們正面臨著“More than Moore”時代;在這個時代里,要把“More Moore”和“More than Moore”的價值體現出來,設計創新就成為關鍵的關鍵。注:本文源自“嵌入式系統聯誼會集成電路主題研討會”的發言(2009年3月)。
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參考文獻:
[1] History of the integrated circuit[R/OL].http://www.icknowledge.com/history.html