半导体技术与工业的未来及其产业备忘录.pdf

半导体技术与工业的未来及其产业备忘录半导体技术与工业的未来及其产业备忘录 Future Prospects of Semiconductor Technology and Industries 华中科技大学电子科学与技术系华中科技大学电子科学与技术系 集成电路设计中心集成电路设计中心 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 武汉武汉 430074 中国 中国 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 1 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 目目 录录 1 0 引言 4 2 0 未来展望 6 2 1 半导体工业如何才能恢复繁荣 6 2 1 1 互连 是新的增长引擎 而且它也预示着半导体有一个好的未来 6 2 1 2 新兴企业创业活动的减少可能是产业成熟的另一个标志 8 2 1 3 在PC产业发生的事情可能将在蜂窝电话产业重演 9 2 1 4 消费者的心理 11 2 1 5 问题是如何为现有的成熟的技术寻找合适的应用 11 2 1 6 未来的应用 12 3 0 同一个世界 13 3 1 欧洲把 生物芯片 视作长期努力 13 3 1 1 芯片供应商与医药厂商合作研究生物技术 13 3 1 2 从实验室到市场 13 3 1 3 生物芯片应用于临床 14 3 1 4 芯片供应商仍然可能仅仅扮演药物公司下游配套厂商的角色 15 3 1 5 强强联合 16 3 2 中国被宣传为当年美国的西部 但是 17 3 2 1 至少在近期内 台湾地区和韩国仍将是战术性投资热点 17 3 2 2 台湾正进入技术创新萌芽期 19 3 2 3 韩国 小型新兴企业重新涌现 20 3 2 4 今后 10 年的亚洲 22 3 3 后PC时代日本再行 联合研究开发计划 22 3 3 1 消费电子专家指出 世道正在好转 22 3 2 2 11 家巨头 23 3 2 3 基础研究 24 3 2 4 90 纳米的标准化工作 25 3 2 5 公司的结构重组 25 4 0 风云人物 26 4 1 对半导体技术发展有重大影响的 13 位人物 26 5 0 增长引擎 29 5 1 无线革命 无线世界更关注单一的CMOS技术 29 5 1 1 半导体制造商已做好建立一个纯CMOS射频电路乌托邦的准备 29 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 2 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 5 1 2 功耗降低 30 5 1 3 RF将变成整个系统中越来越小的部分 31 5 1 4 将转换器外置 32 5 1 5 对某些人而言RF设计工具是瓶颈 而对另外一些人而言则是机遇 32 5 2 显示技术 未来的像素将变得更智能 34 5 2 1 像素需要变得更小 而且更多的处理工作要在每个像素上完成 34 5 2 2 更大和更好 35 5 2 3 手持设备的鼠标 惯性传感器 36 5 3 机器人技术 机器人的大脑和四肢将越来越发达 37 5 3 1 智能机器人可做清洁和娱乐工作 并具备新的类似人类的能力 37 5 3 2 当把小机器人应用于战场时 精确度是必然的要求 38 5 3 3 分布式控制成本 39 5 4 生物芯片技术 生物芯片吸取 蛋白质组学 的教训 40 5 4 1 对蛋白质形成原理的研究将导致 电子脑 的产生 40 5 4 2 生物阶梯上的下一个环节是研究蛋白质是如何形成和工作的 41 5 4 3 需要专门技术 42 6 0 技术分析 43 6 1 经典CMOS 快速充电型CMOS带来恼人的选择 43 6 1 1 材料和集成方案的选择将决定谁胜谁败 43 6 1 2 电流渗漏的问题 44 6 1 3 关于高k电介质 45 6 2 物理局限 物理问题并不是CMOS工艺升级的主要障碍 48 6 2 1 生产成本和功耗问题在阻碍产业的发展 48 6 2 2 0 9V电压推动CMOS技术发展 49 6 2 3 我们真正知道的降低功耗的唯一办法是降低供电电压 50 6 2 4 基础限制 50 6 2 5 锗的采用可能是业界的一项重大变革 50 6 2 6 FinFET是 救星 51 6 2 7 性能限制 52 6 2 8 架构和算法 52 6 2 9 业界仍不愿放弃晶体管和逻辑结构 52 6 2 10 绝热原理 53 6 2 11 计算引擎可以被设计得不需要消耗能量 53 6 2 12 模拟电路的问题 53 6 2 13 英特尔公司表示 传统的CMOS及其派生技术还能够继续发展升级 10 年 53 6 3 系统级芯片 深陷泥淖还是超前消费 54 6 3 1 复杂度的增加是以成本为代价的 但并不总是值得这么做 54 6 3 2 我们的手表需要的不仅仅是模拟电路 还要有射频端的模拟电路 55 6 3 3 其它替代方案 55 6 3 4 可以容纳各种器件的堆栈封装也许要好过系统芯片 56 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 3 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 6 3 5 无源电阻 56 6 3 6 对工艺集成商而言 嵌入式Flash是一场恶梦 这也是它落后于数字式内存的原因 57 6 3 7 MEMS方面的问题 57 6 4 存储器 新材料是满足未来存储需求的关键 58 6 4 1 由于芯片的复杂程度增加 满足所有逻辑需要的负担越来越重 58 6 4 2 嵌入式DRAM不是最后才需要考虑的事情 它是工艺过程的重要组成部分 60 6 5 生产力可能在 100 纳米节点遇到障碍 62 6 5 1 亚 100 纳米时代的芯片设计和验证要求在思想上有一个根本性的转变 62 6 5 2 从RTL到ESL的转变 63 6 5 3 ESL并不是非常成功的技术 但是 大用户要求使用ESL工具 64 6 5 4 从动态到静态 64 6 5 5 亚 100 纳米芯片设计的关键是出现新的 硅编译器 64 6 5 6 硅虚拟原型 65 6 5 7 可制造性问题 65 6 5 7 集成流程 66 6 5 8 统计工具平衡成品率和性能 67 7 0 发展方向 68 7 1 可重配置性 根据需要配置计算能力 68 7 1 1 可重配置架构使设备能够适合不同应用和协议的需要 68 7 1 2 配置向导 71 7 1 3 热点 72 7 2 现代感知技术 盲人将重见光明 失聪者不再回音无术 73 7 2 1 神经植入物能够欺骗大脑 从而使人类顽疾得以根治 73 7 2 2 潜伏的失明 74 7 2 3 统计数据 75 7 2 4 遗传学解决方案还需要 20 年的研究 植入培养细胞还需要 10 年 76 7 2 5 一些人工视觉系统公司 77 7 3 个人标签 识别技术渗透到我们的生活中 78 7 3 1 任何东西只要有一个表面 那么就可植入一个芯片来识别你和属于你的东西 78 7 3 2 传感器衬衫 79 7 3 3 数字军事装备 81 7 4 纳米竞赛 有机聚合物短期内还难以超越纳米半导体 81 7 4 1 有机半导体正在大步向前迈进 但要超越纳米半导体 它们还有一段距离要走 81 7 4 2 向纳米靠近 82 7 4 3 进一步缩小尺寸 82 7 4 4 硅晶片将继续存在 84 7 4 5 有机聚合物分子结构可能还有小问题 85 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 4 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 半导体技术与工业的未来及其产业备忘录半导体技术与工业的未来及其产业备忘录 Future Prospects of Semiconductor Technology and Industries 鄒雪城 編撰 1 0 引言引言 在过去的 50 多年里 半导体材料一直是现代电子学的核心 自从贝尔实验室研制出第一个晶体管 然后聪明的设计师们将其变成计算机与通信设备的大脑以来 我们便一直在为将晶体管做得更小更 快而努力 我们现在已经看到了新材料时代的曙光 我们已不再满足于开发更低微米的晶圆生产工艺 实际上 受我们总是喜欢寻找替代方法的天性驱使 很多研究人员和电子设计工程师正在为下一代芯片的生 产而评估各种化学元素的组合方案 此外 科学家也正在为未来可能出现的未知应用研究把生物细 胞单元与半导体材料结合起来的方案 未来是不会与现在一样的 瑜珈修行者 Berra 曾经说过 就算是苏格拉底与戈登摩尔进行一次 关于半导体未来的对话 我想这两个哲人说的话也未必比这句话更精彩 我们正处在一个全新的半导体时代的开端 在这个新时代里 我们将无法因循任何过去曾经指导我 们思考未来芯片技术的熟悉且可推断的方法 如果你对此还有任何疑问的话 那就请你看看器件制 造商在向 90 纳米设计工艺 300 毫米晶圆生产工艺以及超大规模系统级芯片设计工程方向升级路上 忍受的痛苦 我们现在正在一个新的轨道上朝着一个未知的命运飞速前进 自从平面生产工艺出现以来就一直是 半导体世界中心的硅谷应当为其在新时代的角色变换做好准备 事实上 朝更快 更小和更便宜方向前进的无情历史车轮无论从技术还是经济的角度而言都正在带 来越来越多的问题 此外 从市场 应用和更重要的全球视角来看 半导体工业和整个世界正在向 不同的方向发展 而更智能 更易于使用和更方便互联的半导体设备将成为推动下一波应用的主要力量 但硅谷是否 还能继续居于推动这一历史性变革的思想 技术和商业领导地位的中心 则是一个未知数 确实 最近所发生的一切都预示 一场改变现状的革命性变革即将在半导体工业发生 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 5 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 有人曾经说过 过去是地中海时代 现在是大西洋时代 而未来则是太平洋时代 当然 克里特文 明的微电路是不存在的 但在未来 太平洋国家 尤其是中国 将在半导体领域把这一预言变为现实 就像它创造其几百年的辉煌历史一样 半导体工业协会 SIA 在其最新的半导体产业评估报告中声称 半导体器件消费重心预计将从美 国向亚太地区转移 这反映了电子设备制造 包括元件外包和设计服务 正在向亚太地区转移 这一 趋势将对半导体的未来产生深刻的影响 经济学家指出 资本是没有国界的 这一论断也同样适用于知识资本 这解释了电子工业的全球特 性以及我们现在所看到的这一趋势 即软件开发和设计工程也已成为我们追逐全球范围内电子制造 领域的商业机会的重要一部分 硅谷需要重新审视其 大西洋 世界观 在某种程度上 它已经被迫在无晶园厂设计模式领域进行 反省 因为很早以前 大量的代工厂芯片制造能力和专门技术就已经被转移到亚洲了 更关键的是 对半导体工业未来至关重要的下一波应用热潮将是什么呢 太平洋地区的手机和 PC 市场已经接近零利润边缘 此外 尽管知识资本并不受地域国界的限制 但是在定义下一波更智能 更易用和更方便互联的应用系统的技术规范 外形和功能时 文化因素将变得和资本同样重要 我们为正在到来的半导体工业的太平洋时代做好准备了吗 我在互联网上找到一些文章 编辑成此文 将试图覆盖所有未来可能的和预言中的新技术 并讨论 如何以现有的技术或发展中的新技术来解决当前半导体工业面临的挑战 供大家参考并希望引起大 家对该领域技术发展的重视 为开展相关的研究和教学工作作一个思想上的准备并引发大家对该领 域科学和技术的思考 同时也将介绍可能对未来技术走向产生重大影响的 13 位风云人物 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 6 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 2 0 未来展望未来展望 2 1 半导体工业如何才能恢复繁荣 半导体工业如何才能恢复繁荣 2 1 1 互连 是新的增长引擎 而且它也预示着半导体有一个好的未来 互连 是新的增长引擎 而且它也预示着半导体有一个好的未来 每种技术都有它的生命周期 当它被引入到应用实践时 新技术通常需要一段时间才能走向应用 但是一旦开始获得应用 它将迅速扩散 一项技术的扩散阶段往往也是其生命周期中的全盛期 此 时 从事这项技术开发的新公司将如雨后春笋般涌现 而且它将给从业者和专家带来大量财富 下一个阶段是这项技术的广泛接受期 此时 该技术的财富效应蔓延到市场及社会 它被广泛使用 和标准化 并受到供求关系的制约 换言之 它变得大众化 该技术的供应商在变得强大的同时也 变得更脆弱 市场规模继续扩大 但厂商越来越难获利 因此 供应商不得不专注于提高生产效率 而创业活动开始减缓 随着该技术被更新的技术所取代 它开始进入衰退阶段 很少有一种技术会完全消失 替代技术可 能具有显著的优势 但通常是 1 对 1 的替代 于是 老的技术只能在特定的应用领域找到用武之地 20 世纪早期的三大革命性技术分别是铁路 汽车和飞机 所有这些发明都是为了连接世界 并使世 界变得更小 铁路已经衰落 但仍作为一种廉价 慢速和大容量运输工具而存在 汽车和飞机已经大众化 事实 上 汽车是我们定义的一种特别异乎寻常的大众商品例子 它们的销售量每年都在增长 但汽车制 造商从每辆车上赚取的利润却变得越来越少 我们可以用无利繁荣这个术语来形容汽车制造业 本文的目的是研究半导体技术的生命周期 以及最新 最强大的互联技术的生命周期 半导体工业 刚从收入和利润下滑的严重困境中解脱出来 我们的目标是探寻什么将使半导体工业重归繁荣 又 或者 我们会不会发现在许多方面面临的挑战是如此的严峻 以至于利润和这个产业的健康都将在 未来的一段时间内处于危险之中 除非整个产业发生了根本性的变革 有一件事情非常清楚 随着它的年销售额逼近 1 500 亿美元 半导体工业不仅成为世界上最大的制 造业之一 而且是其中最重要的产业 众所周知 半导体技术带来了 20 世纪的第三次工业革命 计 算和通信革命 以及互联网革命 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 7 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 此外 该产业的长期销售前景看上去依然光明 PC 和蜂窝电话已经成为今天的日用商品 而且它们 继续在大规模地销售 此外 更强大 更多功能的衍生产品正在研发之中 这些产品将继续消费功 能更强大的半导体芯片 整合了娱乐 移动通信和计算功能的设备正成为推动半导体工业近期增长的引擎 半导体业务总是 受到某类特定设备的拉动 最初 来自军事系统的需求培育了整个产业 之后 大型计算机的增长 支撑了对半导体的需求 最近 蜂窝电话和互联网创造的爆炸性需求使半导体行业在 20 世纪末到达 顶峰 特别地 半导体产业的新增长引擎强调 连接性 尤其是普遍的互连 不仅针对消费电子 而且 包括所有类型的应用 这将给针对无线应用和电源管理的半导体器件带来好兆头 即使没有需要新一类互连能力的新应用 电子设备中包含的硅内容也一直在稳定上升 随着每一 次产品的更新换代 电子系统的含硅量都在逐步增加 飞利浦的首席技术官 Theo Classen 表示 数字设备比模拟设备包含更多的硅内容 硅正在取代铜和铁 例如 在电视机领域 CRT 正被 LCD 取代 相同的事情也发生在交通运输工具上 机械驱动装置正在被机电联接装置所取代 事实上 用在汽车和飞机中的电子器件对于半导体工业而言是一个重要的驱动引擎 汽车的电子设 备正在迅速增加 半导体器件开始接管引擎和传动控制 巡航控制 舒适和安全装置 并提供导航 和多媒体娱乐 但并非所有半导体供应商都能从这个有吸引力的市场受益 因为该市场要求半导体供应商提供各种各样的产品 如传感器 电源管理器件 闪存存储器和控制 器等 但并非所有供应商都能做到这一点 此外 设计周期非常长 而且现有的供求关系也很难打破 再向前看一步 在医疗与电子领域的交叉点 一个潜力巨大的全新半导体应用领域即将出现 在 10 年内 医疗监控系统将产生与过去十年里移动电话对半导体工业类似的影响和驱动力 ARM Holdings 公司的 Robin Saxby 表示 生物应用已经启动 它们将拓宽系统级芯片的定义 尽管前途是光明的 但半导体工业仍面临严峻的短期挑战 这将影响到企业是否能盈利 甚至是否 能生存 大量的并购将改变半导体产业的现状 首先是意法半导体首席经济学家 Jean Phillippe Dauvin 所指出的 生产能力过剩 问题 这是由过去 几年的需求泡沫而导致的 这种产能过剩就像一个沉重的财务负担套在大多数制造商的脖子上 并 使客户在议价中占据主动 反过来 这将影响到盈利的数额 并危及行业中弱势竞争者的生存 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 8 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 半导体工业已经成熟 英飞凌的 CEO Ulrich Schumacher 表示 每个领域所能容纳的厂商数量 将决定合并的程度 例如 在 DRAM 行业领先的前三家厂商现在总共占据了 75 的市场份额 而 10 年前 10 家顶级厂商所占有的市场份额也不到 50 Altera 公司的 CEO John Daane 指出 仅两 家公司现在就控制了 80 的可编程逻辑器件市场 而且已经没有新兴公司再涉足 PLD 领域的研发 DRAM 和 PLD 已经存在相当长的时间 因此在成熟的领域里合并是不可避免的 但是现在甚至在最 新和增长最快的领域里 合并似乎也将来临 下一个可能将发生在无线半导体领域 Schumacher 预言道 新兴企业创业活动由于受到当前经济风暴的冲击而减少 但这可能是产业成熟的另一个标志 即使 新兴公司能够筹集到足够的资本进行设计和生产 它们还面临如何从顶级客户赢得订单的挑战 产 品的复杂性增加以及更短的产品生命周期给老牌企业和新兴公司都带来了挑战 Dialog 半导体公 司的 CEO Roland Pudelko 表示 第二个因素是心态 大多数半导体行业的公司都已经存在了 10 年以上 因此它们对摩尔定律的信念 从未动摇 这个定律假定集成电路的复杂度将以一种可预测的速度翻倍 与此同时 其制造成本将 相应下降 额外的好处是 电路复杂度的提高将增加集成的功能 增强芯片的可靠性 同时减少芯 片的尺寸 重量和功耗 半导体工业一直相信 他们使芯片变得更快 更便宜 更小的能力将催生 新兴的市场 2 1 2 新兴企业创业活动的减少可能是产业成熟的另一个标志新兴企业创业活动的减少可能是产业成熟的另一个标志 自 1995 年以来 半导体行业的收入曲线开始趋于平缓 虽然其总收入在 2000 年达到峰值 该行业 不得不面对计算机和手机需求饱和的现实 而它们一直是产业的主要驱动力 半导体工业可能不得 不第一次面对市场驱动力不足的问题 业界的技术领先者早就对此做出了反应 如果需求下降 那就通过增加复杂度来降低制造成本 即在 更大的晶圆上生产面积更小 密度更高 功能更多的集成电路 如果技术领先者能够成功地坚守摩尔指数 那么他们将把大批的竞争者远远甩在身后 在向下一代 工艺转移的过程中 他们将使那些没能充分利用上一代工艺产能的竞争者背上沉重的财政负担 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 9 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 但目前还不清楚这些领先者能否成功地做到这一点 对我们的产业来说 许多指数趋势已经接近 极限 摩尔本人曾说过 如果我们想继续保持历史上的前进速度 那么就必须对这些指数赋予 新的涵义 在 2003 年国际固态电路大会的一次主题演讲中 摩尔指出 在下个十年 我们一定会遇到一个新 的基础障碍 由原子组成的材料及其相关技术即将达到原子的极限 需要解决的问题还有许多 这些问题可以分为两类 提高器件速度和控制渗漏电流 解决方案目前 还不明朗 无畏的技术领先者正在寻找可以帮助现有技术创造更高性能产品的 催化剂 他们所 尝试的技术包括采用应力硅以提高电荷载体的迁移率 高 k 电介质 金属栅电极以及绝缘硅 在 FinFET 等多栅器件方面 研究人员也在探索 IC 基础构建模块的平面结构 但即使技术障碍被克服 这些研究努力能否带来回报呢 正如摩尔在他的演讲中所指出的 技术 挑战将不断升高 但财务上的挑战也将如此 显然 在一个收入增长放缓的行业里 这是一个非常 可怕的障碍 克服障碍的成本是如此巨大 以至于只有少数几家最大的半导体制造商才敢于进行开发研究 那么 其它的公司该怎么办呢 2 1 3 在在 PC 产业发生的事情可能将在蜂窝电话产业重演产业发生的事情可能将在蜂窝电话产业重演 一些公司正求助于联合研发和联合制造 其它厂商则希望专业晶园代工厂能帮他们解决问题 人 们习惯性地认为代工厂的技术会比最新的工艺落后半拍 但情况不再是如此 LSI Logic 的创始人 兼董事长 Wilf Corrigan 表示 事实上 与自产自用的晶圆厂相比 代工厂具有先天的优势 代工厂 可以使用来自许多设计公司的产品来填充它的生产线 而自有晶圆厂越来越需要大批量的产品 以 确保它的运作是高效的 另一方面 制造工艺越复杂 其与设计过程的联系必然越紧密 设计与制造之间更紧密 更交互的 集成将给代工厂 无晶圆厂设计公司以及 EDA 业界带来新的挑战 EDA 业界还不能满足我们的 要求 问题在于他们总是无法就标准达成一致 Corrigan 表示 目前 为了分解设计和制造而进行的实验性努力并没有达到宣称的效果 即建立即插即用虚拟元件 的商业模式 不过 ARM Holdings 公司是个例外 它的微处理器 IP 在业界得到了广泛应用 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 10 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 半导体工业面临的第三个问题与供应链动态有关 半导体技术的独特之处在于 通过提高 封装密 度 厂商可以制造出更智能 更便宜的产品 半导体业界已经使用这种方法来扩展终端市场 但 这同时也意味着 随着每一代工艺技术的发展 在设备内部的芯片价值越来越高 PC 是最佳的证明 实际上 PC 的所有知识产权都集中在内部的芯片上 以戴尔为代表的 PC 制造商 已经被迫放弃通过功能来创造价值 代之以通过组装 营销和销售创造价值 在 PC 产业发生的事情可能将在蜂窝电话产业重演 一大批半导体制造商正在打造标准芯片组 甚 至单芯片手机 通过组装这些芯片就可以制造出手机 从而创造在装配 营销和销售之外的价值 如果手机构架及相关知识的控制权被半导体制造商所掌握 那么诺基亚等手机制造商就可能命运堪 忧 正如赛普拉斯创始人兼 CEO T J Rodgers 所阐述的一个基本法则 如果我能制造它 那么你 将受到伤害 因为我控制了芯片 这对于半导体工业来说也许不是一件坏事 问题是消费类市场有其特殊性 中短期内 半导体工业 将把个人消费电子市场视为大批量出货的引擎 这意味着 随着芯片在消费电子产品中所占的价值 比重越来越高 半导体工业与个人消费者的距离变得越来越近 然而 消费类市场是众所周知的低 利润市场 你不能期望从消费类市场赚取高额利润 英飞凌的 CEO Ulrich Shumacher 表示 只有当年增 长率高达 30 或 40 时 所有厂商才都可能是赢家 现在 无线通信市场正逐渐转变成日用消费品 市场 但这对于 LSI Logic 的 Corrigan 来说并不是什么新闻 消费者永远是最终的驱动力 他 说 今天 消费者与芯片之间的隔阂正在消失 问题是 半导体工业并不具备直接服务消费者的经验 十几年前 半导体工业试图通过制造电子表 视频游戏机和计算器来攀向上游的产业链 但结果只是意识到它不应该涉足这些业务 让我们来看一下今天的案例 虽然 LSI Logic 不生产 DVD 整机 但它的确实现了这种播放机的几乎 所有功能 由于消费电子市场具有非常高效的销售机制 所以新产品实现商业化的时间被大大缩短 对于一台 80 美元的 DVD 播放机 这被认为是刺激消费者疯狂购买的价格点 其内部芯片的利润是 相当有限的 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 11 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 2 1 4 消费者的心理消费者的心理 尽管半导体工业与个人消费者的距离越来越近 但它仍然没有真正了解消费者变化多端的口味和风 格 而正是这些口味和风格创造了附加价值 我们 半导体工业 对大众市场仍缺乏了解 ST 公 司的 Dauvin 承认道 我们不得不从销售应用转向销售用途 例如 个性化的电子产品可能需要不 同的卖点 而不仅是提高产品的性价比 日本半导体制造商也许是个例外 他们希望凭借自己在 消费电子领域的专长重新挽回他们的声誉 从半导体工业的观点来看 唯一的解决方案是提高制造效率 但这要求进行大规模生产 即制造的 产品必须是标准产品而不是定制产品 对半导体工业而言 实现这一目标的途径之一是从纯元件 转向平台 ST 公司董事长 Pasquale Pistorio 表示 对手持设备而言 平台是指可以通过软件进行 定制的大量标准半导体 许多公司都可以提供平台 籍此 半导体制造商将获得制造的经济性 而 手机制造商将通过软件实现产品的差异化 不过 这些软件不是由微软 而是由半导体厂商提供 软件将比芯片更重要 Pistorio 说 业界需要可互操作的平台 如果存在这样一个平台 PC 的价格将下降得更快 平台应该是经编程后可应用于一组大批量产品中的专用标准产品 但一般而言 可编程器件可能最 适合用于平衡大批量产品与各种不同应用客户定制要求之间的需求 向可编程方向发展是一个明确的趋势 Altera 公司的 Daane 表示 就获得高投资回报而言 我们需要在几类市场为几类客户提供大批量芯片 有趣的是 由标准产品制造商倡议的平台方法 与由可编程逻辑器件制造商倡议的可编程方法正在走向融合 为了给 FPGA 添加更多的结构 Altera 及其他厂商不惜牺牲器件的纯灵活性 我们正在为某些特定客户提供 IP 模块 这是一个需要折衷 的问题 我们希望集成最常使用的模块 但又不能集成得太多 Daane 说 平台和可编程逻辑器件都是为了降低先进技术的制造成本而提出的解决方案 它们都受到半导体业 界摩尔定律的驱动 2 1 5 问题是如何为现有的成熟的技术寻找合适的应用问题是如何为现有的成熟的技术寻找合适的应用 但是我们如何应用这些技术呢 Corrigan 指出 问题是必须为现有技术找到稳定的应用 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 12 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 在这方面 我们或许可以从模拟电路行业的商业模式中发现答案 模拟半导体不需要使用先进的制 造工艺 此外 它们可以找到更广泛的应用 而且它们是标准的普通构建模块 模拟半导体公司在 衰退时期通常表现得更好 因为他们没有过度依赖于一个应用领域 所以能够维持高利润率 我 们今天获得的利润比 4 5 年前更高 凌特公司创始人兼首席执行官 Bob Swanson 表示 他们之所 以能够做到这一点 最重要的原因是采用了更聪明的设计 那么 数字 CMOS 行业能否从模拟电路 行业获得启示呢 从一开始 数字电路为降低制造成本所采取的方法就与模拟电路有本质区别 人们总是愿意为更 高性能的产品买单 Swanson 说 因此 我宁愿花费时间设法将芯片的价值提高 50 美分 而不 是去考虑如何降低它的成本 每个数字系统都需要一些模拟电路作为补充 什么是市场驱动力并不重要 Swanson 表示 此 外 电源和电源管理以及高压电路都属于模拟领域 除了灵巧的电路设计之外 半导体工业中的模 拟电路还引领着封装技术的发展 最后 思维倾向也是问题之一 模拟电路行业总是积极寻找新应用 因为它不得不如此 这个行业 一心一意地设法增加价值 而不是降低制造成本 尽管模拟电路制造商没有发展最高的工艺水平 但是他们拥有对生产工艺的绝对控制力 我们必须控制工艺 Swanson 说 赛普拉斯公司的 Rodgers 正在做进一步的努力 他们试图将其半导体工艺应用到太阳能电池技术和 MEMS 中 在这两方面 他们并没有使用最先进的制造工艺 相反 他们使用非常经济的半导体工 艺创造了与传统 CMOS 完全不同的应用 产品的区别在于架构和应用 而制造只是一个过程 Rodgers 表示 2 1 6 未来的应用未来的应用 如果真是如此 半导体工业将需要寻找在计算和通信以外的应用 它需要发现新的大规模应用 而 且要不必完全依赖制造越来越小的晶体管的能力来满足这些应用的需求 在历史上 面对棘手的难 题 业界总是依赖于工程创新 现在 我们也许应该超越工程技术 首先去更好地了解人类自身的 情况 什么使生活变得更美好 更方便 更安全 然后再提供相应的技术解决方案 对此 LSI 公司的 Corrigan 表示乐观 成千上万的人都在思考未来的应用 而互联网使每个人都 知道如何去寻找他们需要的东西 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 13 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 3 0 同一个世界同一个世界 3 1 欧洲把 生物芯片 视作长期努力欧洲把 生物芯片 视作长期努力 3 1 1 芯片供应商与医药厂商合作研究生物技术芯片供应商与医药厂商合作研究生物技术 欧洲的领先半导体公司希望通过以微阵列 微流体芯片以及神经芯片的形式将基础半导体技术应用 到医学领域来创造新的盈利机会 虽然全球范围内都在开展生物芯片的研究和开发活动 但是英飞凌 飞利浦和意法半导体已经不再 将 CMOS 制造工艺和生物科学相交叉的生物芯片技术视作 21 世纪的炼丹 术 现在它们把生物芯片技术当做一个不能忽视的半导体增长市场 摩托罗拉公司曾于1999年涉足生物芯片市场 但是却很快退出 并且于2002 年将其生物阵列业务完全出售给了一家名为 Amersham 的英国医疗诊断公 司 与摩托罗拉不同的是 欧洲的芯片供应商称他们正为这一远景市场而努力 以越来越经济节省 的方式来经管他们的业务运作 3 1 2 从实验室到市场从实验室到市场 这些欧洲公司承认他们正在与领先的医药制品 生物技术和医疗设备公司进行战略联盟 以将他们 的生物芯片技术由实验室推向市场 但是他们拒绝透露潜在合作伙伴的具体名称 英飞凌公司负责生物芯片项目的业务发展总监和经理 Thomas Klaue 认为 生物芯片将根本改变药品 业的未来 就如同 20 年以前 PC 改变计算机工业一样 虽然生物芯片技术处于萌芽状态 但是 对 我们具有战略意义 Klaue 称 英飞凌在它最新的公司的发展计划中透露 它希望能成为 在这一 先驱领域的头号半导体公司 有 200 家公司已经涉足于生物芯片市场 但是 小型生物芯片技术公司缺少的是量产的经验 英 飞凌的生物科学产品经理 Michaela Fritz 称 确实 大的半导体制造商已经对生物芯片研制和生产贡献良多 这包括 在基片表面模仿生物分 子 用于探测生物组织并定位的感测技术 用于对样本进行预处理以及增加过滤功能以从样本从提 取微量元素的电子射流封装工艺等等 Philips Research 的首席科学家 Menno Prins 解释说 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 14 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 然而 生物芯片制造重点以及半导体特性与已往的传统 IC 有显著的不同 根据英飞凌研究所高级总 监 Roland Thewes 的研究 集成了传感器的生物芯片具有许多模拟电路的特性 因此需要一个大至 0 35 微米的工艺技术 而并非更高的时钟频率 更低的电压或者更细的几何尺寸 3 1 3 生物芯片应用于临床生物芯片应用于临床 受人类基因计划的驱动 许多最初加入生物芯片项目的创业型企业都参加了加速或自动进行基因组 测序的研究 如今所有的人类基因组已经被排序 开发高处理能力的生物芯片成为新的竞争热点 这样的生物芯片能够探索 DNA 的信息 以帮助医药公司更快地开发新的超级药物 用于药物开发的 DNA 或蛋白微阵列的市场预计将快速成长 因此大型半导体公司都希望领先一步以抓住这个大市 场 Holy grail 是一种能够迅速判别正确抗生素的低成本芯片 对于生物芯片研究者而言 Holy grail 是一种低成本芯片 能够用于样品制备和病原体检测 医生和 护士可以使用于重症护理室 ICU 急诊室或诊所 以迅速为病人确定合适的抗生素 Philips Medical Systems 的分子成像和 Dx 项目经理 John Hart 解释道 传染病是 生物芯片的天敌 Hart 称 50 的病人 甚至在成功地手术之后 仍然在重症护理室中 死于感染 当医生发现某种原来使用的广谱抗生素不起作用 再估摸着去换另外一种抗生素时 病人可能就 已经死亡或者已经被导致器官凝结 Hart 称 如果生物芯片能够在 30 分种内检测出病原体的 DNA 就可以拯救数百万病人的生命 Hart 进一步说 我们可以节省大笔的医疗费开销 而医 生们再也不用在睡梦中哭泣了 Hart 预计上述 护理点 生物芯片市场一旦成熟 将比医药公司 使用的 DNA 阵列市场大 10 倍 我们完全相信 分子知识和成本低廉的分析技术相结合 可以形成具有预防作用的健康医疗科技 Prins 称 在这一方面 我们相信存在着巨大的市场机会 现在 用于将 DNA 或蛋白质样本与未知样本进行自动匹配的 微阵列 技术 以及用于制备检验用 分子或细胞样品的 微流体芯片 技术 是通过独立的生物芯片或者测试设备单独分步完成的 生 物芯片产业当前的一个挑战就是集成微阵列和微流体芯片以降低成本 Hart 说 目前 集成工作正 处于试验阶段 僅供內部討 考僅供內部討 考 XC 華中科技大學電子科學與技術系華中科技大學電子科學與技術系 武漢武漢 430074 中國中國 15 華中科技大學電子科學於技術系華中科技大學電子科學於技術系 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 武漢積體電 設計工程技術研究中心版權所有 未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可未經華中科技大學電子科學與技術系書面許可 得對本文件的內容傳看 得對本文件的內容傳看 翻印和使用翻印和使用 武汉集成电路设计工程技术研究中心武汉集成电路设计工程技术研究中心 Research Centre for Integrated Circuits Design Wuhan 在一个面积为 1 到 2 平方厘米的硅芯片表面 英飞凌蚀刻了约 100 万个微孔 通过这些微孔可以同 时分析最多 400 个已知基因与一种特定物质的反应 Lab On A Chip 最近报导的一个由 Frost Sullivan 发起的市场研究报告表明 生物芯片研究人员正 遇到一个同样的难题是如何处理真正的流体 以及如何将所有东西都集成到一个芯片或手持设备上 英飞凌的 Thewes 也有同感 他说 将生物学和微电子学结合的原理论证已经完成 剩下的唯一 的技术障碍就是 与我们的合作者一起将所有的部件都结合在一起 欧洲的半导体公司现在正在将来自光学 电子到磁的分析技术应用于即将出现的生物芯片市场 英飞凌正在对 3 种生物芯片进行研究 它们包括 一个名为 Flow Thru Chip 的硅基光学生物芯片 用于加速药物研发 一个集成了电子器件的 DNA 生物芯片 用于评估与分析分子等级的样本 以及 一个神经