集成电路的现状和后摩尔时代.docx
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集成电路的现状和后摩尔时代
摘要:
集成电路是信息社会经济发展的基石。
通过对集成电路发展规律的分析,从集成电路的设计、制造、新产品研发和市场动态等方面,描述了集成电路的最新动态;探讨了集成电路的发展趋势;指出集成电路与其它学科、技术的结合,不断形成新的研究方向;新材料、新结构、新器件不断涌现,特征尺寸继续缩小,摩尔定律仍然起作用。
关键词:
集成电路;微电子技术;摩尔定律;标准加工线;系统集成芯片中
Abstract:
Integratedcircuitisthebaseofeconomicdevelopmentofaninformationsociety.ByanalyzingthedevelopmentlawofIC’s,recentprogressesinthedesignandfabricationofIC’saredescribed,aswellastheR&Dofnewproductsandmarkettrends.ThelatestdevelopmenttrendofIC’sisdiscussed.Itispointedoutthat,bycombiningwithothersubjectsandtechnologies,newresearchtopicsareemerging.Withtheadventofnovelmaterialsstructuresanddevices,thefeaturesizeofintegratedcircuitskeepsscalingdown,andtheMoore’slawstillworks.
Keywords:
Integratedcircuit;Microelectronics;Moore’slaw;Foundry;SOC
1引言
集成电路和软件是信息社会经济发展的基石和核心。
正如美国工程技术界最近评出20世纪世界20项最伟大工程技术成就中第五项电子技术时提到,/从真空管到半导体、集成电路,已成为当代各行各业智能工作的基石。
集成电路是最能体现知识经济特征的典型产品之一。
目前,以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。
随着集成电路技术的发展,整机与元器件之间的明确界限被突破,集成电路不仅成为现代产业和科学技术的基础,而且正创造着代表信息时代的硅文化[1]。
2集成电路的发展
2.1市场及其发展
30多年来,集成电路市场成长迅速,基本上是一条指数发展规律。
随着科学技术的进步,集成电路在电子产品销售额中所占的份额逐年提高。
目前,集成电路在整机中的应用,以计算机(PC)最大,通讯次之,第三位是消费类电子[2]。
集成电路的发明人J.Kilby认为:
集成电路产业一向是通过寻找新的应用领域发展起来的,如计算器、数字手表、PC、手机等,而每一种产品销售量都比前一种高出一个数量级。
21世纪,在移动中随时随地获取信息和处理信息成为把握先机而制胜的法宝。
如果说前20年PC是集成电路发展的驱动器,那么,后20年主要的驱动器应该是与因特网结合的可移动袖珍实时信息处理设备,其核心是数字信号处理器[3]。
20世纪90年代前半期,IC技术和市场发展的推动力是PC;进入后半期,手机成为仅次于PC的第二大推动力;进入21世纪,汽车将成为IC技术发展的新动力。
据日本野村证券金融研究所推算,2008-2009年,车载IC市场将超过PC。
汽车电子已成为半导体业界的另一热点。
微机电系统(MEMS)市场需求数量未来两年会达到约45%的复合成长率;美国使用微机电组件的比例,预计将从现在的每人低于2件增长到2007年每人超过6件。
2.2产业格局与结构
集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的结果。
集成电路根本的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产。
集成电路芯片价格约为101~102美元,而集成电路生产线的投资高达10~15亿美元(200mm,0.18Lm),即109美元。
要想赢利,产量必须在107~108量级。
集成电路是整机高附加值的倍增器,但它并不是最终产品,如果它不能在整机和系统中应用,那它既不能吃,也不能用,就没有价值,更谈不上高附加值。
这就决定了集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展,即市场的需求。
只有在市场足够大的情况下,才能开始建设芯片生产厂。
2.3Foundry建设
集成电路的加工正在向Foundry模式转变。
我国台湾的台积电公司(TSMC)于1987年最早建成Foundry。
现在全世界Foundry服务做得最好的都是华人,主要代表是中国台湾的TSMC、联电UMC、中芯国际SMIC、新加坡的特许半导体公司等,全世界67%的Foundry业务集中在东南亚。
Foundry的建设必须采用系统工程的方法,使其具备多进多出功能,即能接受行为描述级、逻辑级、版图级等不同层次的电路设计输入,可以有硅片级、封装后成品级等输出。
因此,Foundry要有自己的设计服务部和掩膜版制作部,并与封装厂和测试厂建立固定的战略同盟;提供多种工艺模块,以适应不同电路设计的加工需要;把适应自身生产线加工的标准工艺以单元库和IP库的形式提供给客户,并不断提升和扩展;在管理上要做好服务,要在世界各地和全国各地建立自己的服务站点[4]。
3集成电路动态
3.1设计技术
3.1.1R芯片—可重构芯片设计
随着IC产品的多样化和产品周期的缩短,新型逻辑的IC需要越来越旺盛,一种被称为可重构芯片(ReconfigurableChip,简称R芯片,也称为变色龙芯片)设计技术受到关注。
与通用处理器设计不同的是,这种芯片能够根据产品的目的和功能而改变自身逻辑电路。
3.1.2结构化ASIC方法
ASIC设计中最新的趋势表明,越来越多的公司将在较高成本、基于标准单元的ASIC与高性能、灵活的FPGA之间进行折中。
客户会被结构化ASIC方法的更快上市时间和更低流片成本吸引。
对于标准ASIC来说,0.13Lm到0.09Lm的流片费用比结构化ASIC高两倍多,上市时间也从18个月缩短到10个月。
Fujitsu表示,结构化ASIC将减少50%的芯片开发时间,降低约30%的非经常性工程成本。
3.1.3适应计算—新的手机芯片设计技术[5]
采用适应计算(AdaptiveComputing)技术,软件能有效地刷新芯片的实线电路。
相对现在固定不变的常用芯片,不仅能使单个芯片实现通常需要几个芯片才能实现的功能,而且还能提高芯片速度,节约成本和提高能效。
然而,适应计算仍是一个有争议的概念,硅谷一些设计师就对它持有怀疑态度,但英特尔(Intel)对此充满信心,还专门召开了有关适应计算的大会;IBM也对此芯片充满信心,还与德国芯片巨头英飞凌(Infineon)一同联手。
3.1.4设计中应用更多IP核
ARM是一家站在芯片产业链最顶端的公司,因为它是全球领先的16/32位嵌入式RISC芯片技术方案供应商,其芯片体系已成为全球标准,超过100家著名IT企业正在使用ARM的技术,市场份额超过70%。
ARM公司出售的是基于其架构的技术授权和解决方案,是知识产权(IP)。
ARM公司2001年两亿多美元的营业额中,50%属于专利授权费用,这是客户采用ARM设计专利时需一次性付出的费用;20%来自专利使用费;14%至17%是销售设计工具所得;剩下的来自设计顾问服务和培训支持服务。
3.2新产品开发
目前,芯片制造技术上采用更大尺寸的硅晶片(300mm);采用铜线互连技术替代铝线技术;进一步缩小芯片内部特征尺寸(采用90nm甚至65nm的制造技术)。
集成电路中的新技术、新产品不断涌现。
比如,Intel公司发布了集成4亿只晶体管的新款Itanium2,Xilinx公司以300mm晶圆90nm工艺推出了现场可编程门阵列(FPGA);Actel公司推出了新一代抗辐射FPGA;M-Systems发布了世界上最小的1GB多级单元闪存;苹果公司推出了全球首款64位台式PC/PowerMacG50;AgereSys-tems公司发布了业界首款0.25Lm锗硅(SiGe)前置放大器;CreeMicrowave公司推出了A/B级10W碳化硅(SiC)MESFET;英飞凌采用SiGe:
C双极技术,成功开发出110GHz以上的高速分频IC等等。
从2000年美国总统克林顿宣布了国家纳米计划(NationalNanotechInitiative)以来,美国政府在纳米技术的研发上已经投入了约20亿美元;欧盟在2002-2006年,投入10亿美元以上,进行纳米技术研究;日本纳米技术预算也从1997年的1.2亿美元提高到2002年的7.5亿美元[6]。
目前,最新的移动处理器采用的是28/32nm制造工艺,这是我们都知道的一件事情,比如已经曝光的三星Cortex-A15架构处理器Exyn5250。
不过,28nm肯定不是移动处理器制造工艺的终点,有消息称,三星正准备在新建的工厂内准备20nm甚至14nm的芯片,而高通和NVIDIA也正在和台积电商量它们的下一代移动处理器。
同ARM阵营相比,Intel在芯片制造工艺上无疑要领先许多:
现在已经达到了22nm工艺,不过目前只是针对桌面电脑以及笔记本电脑处理器。
不过,在新召开的一个工业大会上,英特尔宣布,计划将22nm工艺引入到即将问世的智能手机以及平板电脑芯片中。
4集成电路的发展趋势
集成电路已进入超深亚微米时代,体硅CMOS的批量生产已采用90nm工艺、300mm晶圆;65nm工艺也即将量产化;集成电路的发展仍以继续追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗为目标。
4.1器件的特征尺寸继续缩小
从纵向看,在新技术的推动下,集成电路自发明以来四十年间,集成电路芯片的集成度每三年提高4倍,而加工特征尺寸缩小2倍。
这就是由Intel公司创始人之一的GordonE.Moore博士1965年总结的规律,被称为摩尔定律。
基于市场竞争,不断提高产品的性能/价格比是IC技术发展的动力,缩小特征尺寸,从而提高集成度,是提高产品性能/价格比最有效的手段之一。
据国际半导体技术发展路线图(ITRS,2002年修订)[7],预计到2016年,将生产出特征尺寸为22nm的CMOS电路,实际栅长为9nm的MPU和RAM。
集成电路正在接近其物理极限,同时,受工艺加工极限和经济承受力的制约,到底什么尺度是其极限呢?
目前仍无定论,其微细化的方向仍有很大发展空间,集成电路技术仍然遵从摩尔定律快速发展。
随着IC设计与工艺技术水平的不断提高,IC规模越来越大,复杂程度越来越高。
目前,已经可以在一个芯片上集成108~109个晶体管,而且随着集成电路制造技术的发展,21世纪的集成电路技术将从目前的3G(G=109)时代逐步发展到3T(T=1012)时代,即存储容量由G位发展到T位、集成电路的速度由GHz发展到THz,数据传输速率由Gb-ps发展到Tbps(bitspersecond)。
IC技术是近50年来发展最快的技术,设计规则从1959年以来缩小了140倍,而平均晶体管价格降低了107倍。
如果小汽车也按此速度降价,那么现在小汽车的价格不到1美分。
4.2集成电路发展的机遇与挑战
从横向看,集成电路与其它学科和技术相结合,形成新的方向,新的学科或专业,不断改变着传统专业分工的格局。
这种技术结合融合的趋势,对集成电路来说,就是越来越复杂的片上系统(SOC,Sys-temonChip)。
SOC的概念在不断发展。
ITRS2002年修订版表明:
2000年以前已经实现了逻辑电路、SRAM、FLASH、E-DRAM、CMOSRF的SOC;2001年,实现了FPGA与FeRAM(铁电存储器)的SOC;接着实现了MEMS、化学传感器和集成光电器件的SOC;预计到2006年,将实现集成生物电子器件的SOC[8]。
SOC的发展在国内外引起高度重视,正在开展建立针对各种应用的SOC技术平台的研究,努力推进SOC的发展和应用。
如面向通讯的综合信息处理SOC平台,第三代移动通讯SOC平台;高速的信息安全SOC平台,高清晰度电视SOC平台及家庭网络SOC平台等[9]。
这一广阔的发展方向有着十分重要的意义和应用前景。
MEMS的发展非常迅速。
1988年,美国一批著名科学家提出/小机器、大机遇,并呼吁美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列;1993年,美国ADI公司将加速度计与IC集成在一起,成功地将MEMS加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术走向商品化。
MEMS的发展将对人类生产和生活方式产生革命性的影响,已引起了广泛的关注。
伴随着集成电路技术发展从一维模式向多维模式转变,对物理学基础理论提出了挑战,也对物理学研究提出了新的更高要求。
进入到纳米尺度,集成电路技术面临着系列物理限制的挑战,有来自于基本物理规律的物理极限,也有材料、技术、器件、系统和传统理论方面物理挑战。
一是基本物理规律挑战。
计算机处理信息是一个进行布尔逻辑运算的过程,涉及到布尔逻辑间的转换。
计算机或集成电路处理
信息过程是一个物理过程,需满足物理规律限制[10]。
包括电磁学、量子力学测不准、热力学限制。
这些是不可逾越的集成电路技术的物理极限。
二是材料方面的挑战。
传统微电子材料硅衬底、二氧化硅、多晶硅和金属导电材料等无法满足集成电路技术发展需要,需要寻找新材料。
三是技术方面的挑战。
传统的集成电路的光学光刻工艺、离子注入工艺等快接近物理极限,器件无法进一步缩小,需寻找新工艺方法和途径,包括新一代的替代光刻工艺等。
四是器件方面的挑战。
按摩尔定律预测,MOS器件开关仅需少数几个电子参与,MOS器件经典理论将不适用,须采用新器件结构和新器件工作原理。
五是系统方面的挑战。
包括互连延迟、系统散热问题等挑战。
在集成电路实现光互连,尚有许多基础物理和技术问题需解决[11]。
六是传统物理理论的挑战。
传统微电子学理论的挑战。
微电子学大部分理论基础是基于经典物理理论,需利用量子力学理论等。
上述来自理论与技术层面对集成电路的挑战,需要在多方面下功夫,首先应积极适应集成电路技术的多维发展模式。
其次是通过克服在材料、技术、物理基础方面遇到的挑战,按特征尺寸按比例缩小途径发展。
其三是发展纳米结构的自组装技术等。
其四是将纳米低维材料与集成电路技术结合,开发新型纳米电路。
其五是研究量子器件,发展量子逻辑运算等。
其六是将集成电路技术形成新学科和技术领域,提高处理信息和应用信息能力,提高社会信息化程度。
2010年,全球印制电路产业走出金融危机影响,进入新一轮增长期,中国是增长最快国家之一。
作为电子信息产业基础和支撑产业的与集成电路密切相关的PCB产业,我国表现出稳固发展态势,在全球所占分量快速攀升,产量、产值、利税总额均大幅度增长。
中国已成为全球最大的PCB生产国。
随着市场对集成电路与相关软件的巨大需求,使得国家把此技术提升为国家战略层面优先发展成为可能,这也是集成电路技术面对的巨大机遇。
我国集成电路产业快速发展,产业规模迅速扩张,技术水平不断提升,推动国家信息化建设。
但与国际先进水平比,我国集成电路产业发展基础较薄弱,科技创新和发展能力不强,应用开发水平待提高,产业链待完善等。
国家在不久前颁布专门文件,全方位为集成电路产业提供政策。
在财税政策方面,集成电路设计企业从事信息系统集成、咨询和运营维护,集成电路设计等业务,免征营业税;对集成电路线宽小于0.25微米或投资额超过80亿元的集成电路生产企业,实行所得税"五免五减半"优惠政策;新办集成电路设计企业,享受企业所得税"两免三减半"优惠政策。
在投融资政策方面,地方政府设立集成电路企业发展的股权投资基金或创业投资基金,引导社会资金投资集成电路产业;建立贷款风险补偿机制,积极推动集成电路企业利用知识产权等无形资产进行质押贷款。
在研究开发政策方面,国家积极支持集成电路重大关键技术研发,加快具有自主知识产权技术的产业化和推广应用;重点支持高端芯片、集成电路装备和工艺技术、集成电路关键材料、关键应用系统的研发。
4.3新材料、新结构、新器件不断涌现
集成电路以Si/CMOS为主流高速发展的同时,新材料、新结构、新器件不断涌现。
如绝缘体上硅(SOI),Ge/Si异质结和应变Si器件及FeRAM等。
由于SOI具有无闩锁、高速、低耗、抗辐射的优良性能,不但在军事上,而且在民用方面也很有前景,已成为研发高性能电路(如CPU)的重要技术,并被认为会成为0.1LmCMOS的主要技术。
Ge/Si异质结器件由于其高速特性,已成为在射频领域及在Si和GaAs之间性/价比最合适的应用。
Fe-RAM因其快速、低功耗、非挥发、长寿命、耐辐射等优势而发展迅速。
宽禁带的SiC、GaN和AlN等,由于其宽禁带、高击穿电压、抗辐射性能好等特点,其异质结器件在高频、高温、大功率方面具有很好的应用前景,已引起广泛重视,成为研究热点,尽管形成产业尚待时日,但仍是值得注意的发展方向。
5后摩尔时代
集成电路产业经过50多年的发展,产业技术链不断发展变化,产业结构逐渐细化,分工越来越细致。
集成电路制造环节仍然遵循着摩尔定律快速向前发展,延续摩尔定律的先导技术研究依然是全球热点。
芯片制造技术从45纳米拓展到32纳米和22纳米,而硅晶圆片的最大尺寸将达到450毫米(18英寸),进一步降低成本、节约能源,这些均对制造装备和工艺提出新的要求。
自从集成电路发明以来,芯片已无可辩驳地成为电子电路集成的基本形式。
从那以后,集成度增加的速度就按照摩尔定律的预测稳步前进。
摩尔定律的预测在未来若干年依然有效的观点目前仍被普遍接受。
然而,芯片制造的实践表明,制造尺寸的缩小会遇到各种技术挑战,其中有属于不可逾越的物理限制。
一个同样被广泛认同的观点是,芯片的尺寸缩小碰到物理限制,则物理定律将使摩尔定律最初描述的发展趋势停止。
根据摩尔定律“芯片的集成度每18个月至2年提高一倍,即加工线宽缩小一半”,人们普遍推测,在这一定律的描述下的摩尔定律时代还能延续十几年。
提出该定律的摩尔本人也曾公开表示十几年以后,摩尔定律将很难继续有效,因为硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽,受物理原理的制约,小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。
目前,全球集成电路技术的发展呈现出以下趋势:
一是基于经济因素的考虑,决定放弃超小型化制造技术的芯片厂日益增多;二是超小型化制造技术的发展仍在延续,但不会持续很长时间。
日本索尼公司半导体和元件研究组首席执行官兼副社长中川裕曾指出,利用超小型化技术不能生产出独具特色的半导体产品,也不能带来更多的附加值。
当集成电路制造愈接近摩尔定律极限时,全球半导体产品将进入微利时代。
自20世纪50—60年代起,集成电路产品从小规模集成电路逐渐发展到现在的特大规模集成电路,整个集成电路产品的发展经历了传统的板上系统到片上系统的过程。
在这一历史过程中,世界集成电路产业为适应技术的发展和市场的需求,其产业结构经历了三次变革。
第一次变革是加工制造为主导的集成电路产业发展的初级阶段;第二次变革体现为以制造加工为主的代工型公司与专注芯片设计的集成电路设计公司分离发展;第三次变革则出现“四业分离”的集成电路产成长经历了从进口—国内生产—出口三个阶段,如果把这一过程用曲线绘成图形,在一个以横轴为年代、纵轴为市场的坐标图上,这三个阶段就如三只大雁在飞翔。
在过去的近半个世纪,世界集成电路产业经历了两次产业“拓展”:
第一次在20世纪70年代末,从美国“拓展”到了日本,造就了富士通、日立、东芝、NEC等世界顶级的集成电路制造商;第二次在20世纪80年代末,韩国与我国台湾地区成为集成电路产业的主力,继美国、日本之后,韩国成为世界第三个半导体产业中心。
目前,凭借巨大的市场需求、较低的生产成本、丰富的人力资源,以及稳定的经济发展和优越的政策扶持等众多优势条件,中国已经成为集成电路制造、消费大国,亚洲制造从某种程度上正被“中国制造”取代。
未来,随着全球集成电路制造技术的发展和制造成本等条件的变化,以及中国集成电路产业技术能力的提升,集成电路传统制造业将呈现出产业再次向外“拓展”的趋势,由中国等发展中国家向后发展中国家逐步“拓展”。
集成电路产业的发展进步不仅仅只与技术相关,还涉及到经营理念的转变、发展模式的转型和发展路径的创新,是全局性、战略性的庞大系统工程,我们有理由相信,对产业发展规律充分的认识,完善、有效的产业发展政策支撑体系和产业规划将对实现中国集成电路产业的健康发展必将起到重要的推动作用。
6结束语
不断提高性价比是集成电路产品迅速发展的动力。
在今后几年,集成电路的特征尺寸将继续缩小,摩尔定律仍然在起作用。
同时,集成电路与其它学科、技术结合,形成新的方向、新的学科或专业,不断改变着传统专业分工的格局。
集成电路与系统之间的明确界限已被突破,集成电路不仅成为现代产业和科学技术的基础,也成为当代各行各业智能工作的基石。
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