芯片业变化的范例

变化的范例
图1是芯片市场结构变化图。这20年的变化很有趣：起先计算机部分发展很快，消费、通信与汽车业处于低谷。从80年代到90年代，计算机的市场份额从30%多达到了50％左右。可见10年前是PC驱动；从90年代中期到2006年，消费电子、通信与汽车将起飞，达到超过50%的市场份额，驱动力是DC(数字消费类电子)。

图1 芯片市场结构变化图

翻开PC业的创业史，跨度约为30年。回到1975年计算机被Altair/MITS发明，1978年苹果公司发明了Apple II，被称为是世界上第一例最成功的PC。不过，影响最大的PC是1981年IBM公司研发的，它采用了微软的MS DOS及Intel的i8088微处理器，这被称为Wintel平台或Wintel联盟，拉开了PC业发展的序幕。随后，PC的营业额与装机量逐年递增(图2)。
消费电子的模拟向数字的转变说白了就是银与硅的对抗。在技术领域的主题变迁是非常迅疾的。例如，数码相机(DSC)1995年才出现，由于技术的进步，迫使传统的胶卷式相机在1997年前后到达发展顶峰，然后开始下降。2003年，DSC已达到4千万台的出货量(图3)。
再例如，VCR向DVD的转变。DVD播放机于1997年向市场推出，2002年出货量超过了VCR，去年涌现了另一个新秀——DVD刻录机。预计2006年刻录机会超过传统的VCR(图4)。
另一个例子是日本的电视。2000年日本拉开了庞大的数字电视市场序幕，去年，数字广播在日本已经开始，并宣布模拟广播将持续到2011年(图5)。
模拟电视向数字电视的过度，意味着对硅的需求更大。2003年12月1日，日本又有地面数字电视出现，是日本消费类电子历史上值得纪念的一天。完全的模拟到数字转变将于2011年完成，意味着1亿台电视要变成数字电视。

第二个数字浪潮涌现
综观电子产业的起伏(图6)，可看到高潮迭起，主要有三个阶段：1970年代~1980年代，TV、VCR与随身听开始盛行，称为模拟浪潮。1980年PC进入市场，为人们的工作和生活带来了巨大的影响，这场数字革命称为第一次数字浪潮。
1990年开始，数字产品发生了转变，消费类电子受到了无线、网络技术的影响，产品如手机、数字电视、游戏机、DVD，这个阶段称为第二次数字浪潮。我们现在正处于第一、二次数字浪潮的交替阶段。
图7是三次浪潮的比较，包括市场驱动、关键器件、社会影响与领导者。来看看第二次数字浪潮，关键器件有SoC(系统芯片)和SiP(System-In-a-Package，单封装系统)。人们可以随时随地地联络，环境更加清洁。在第二次数字浪潮中，全世界都在思考着一个公开的问题：哪个国家将是领导者？
图8显示了增长的数字消费电子市场，可以看到第二次数字浪潮正在掀起。
技术的新方向
由于需要更小的几何尺寸，芯片的集成度在不断增加，需要集成大量的芯核。因此如何在一个芯片上集成30亿支晶体管？这是一个巨大的挑战，不仅是对工具工程师的挑战，而且是对所有领域工程师的挑战。
图9显示了光刻工具的进化图，可见成本越来越高昂。
为了获得更好的器件，遇到的问题是：迁移率降低；由于晶体管距离的拉进，线间电容增加；漏电流增加；漏极存在的寄生杂散电容(图10)。
对于低功率器件来说，降低功耗是个很大的挑战(图11)。一直以来，随着集成度的增加，信号传输距离也缩短，促使芯片的功耗持续下降。但是这种趋势将在90nm时达到最低，至于在集成度更高的65nm及45nm工艺中，漏电流将成为耗电的主要因素，将产生功耗不降反升的现象(图11)。
有多种方法来解决此问题：工艺/器件方面，可采用高K介质门材料，多门槛电压；电流/系统方面，通过控制门时钟、部分功率关闭、全面功率管理方法；除此之外，还需要各类工程师协同工作的强大团队。一个芯片业史无前例的新模式。
SoC与SiP
SONY公司的Playstaion 2(简称PS 2)三维图形游戏机风靡世界，其芯片是从SoB(System on a Board)到SoC进化的范例之一。其模块用了三块芯片，包括编码器、解码器与DRAM芯片，成本降为最低。低价对便携式产品非常非常重要。
由此可看到SoC有多么强大。毫无疑问，SoC将成为一个趋势，需要克服很多困难，例如掩膜成本的不断增加(图12)。
另一种降低成本、提高集成度的方法是SiP，从SoC与SiP的比较(图13)可看出：SoC性能高、功耗低，但是开发成本较高，上市时间较长，因此适合大批量的产品，例如游戏机。SiP开发成本低，上市时间快，因此适合小到中批量的应用。
图14显示了SiP不同结构的封装形式。用户可根据结构、成本、性能、上市时间等要求，选择不同的形式。
SoC与SiP将成为第二代数字浪潮的发动机，用于数字消费电子。
可编程性
不同于传统产品，新的数字消费电子的生命周期(图15)只有一年左右，而批量越来越大。可见上市时间越来越快，市场非常集中，市场变化快。这导致了芯片可编程性的重要。

图17显示了ASPP的概念。ASPP的想法是一家IC公司1998产生的。简单地说，ASPP是一种特殊应用的标准产品，并嵌入了可编程的逻辑，因此成为了灵活的硬件。这是一个现场可编程方面的重要趋势，并且有很多新产品在此方面进行开发。例如，ASPP的一个例子是SONY的网络随身听，一个嵌入式CPU叫“Virtual Mobile Engine(VME)”，VME提供更高的性能，更低的功耗，使系统更加灵活。这种网络随身听可录制1张CD，33小时不间断工作。这可能是日本第一个用可重构芯片实现的消费产品。
FPL(现场可编程逻辑)之后将是什么？自动化的SoC/SiP可能是下一个趋势。当然需要借助先进的EDA技术，及其他超级的技术(图18)。

未来的预测
SONY公司2002年曾开发了机器人QRIO。包括3个64位RISC CPU，59个16位MPU，190MB DRAM，16MB闪存。相当于一台速度2300MIPS的高端PC。与PC不同的是，该机器人使用了大量的传感器。这里QRIO使用了2部CCD彩色相机，还有麦克风，4个红外距离传感器，18个间距(PINCH)探测传感器，非常复杂。
图19显示了技术驱动力的演变。PC驱动了高性能的MPU与高密度存储器的发展；下一波是数字消费电子，低功耗器件会成热门，并出现了SoC与SiP。在这一阶段的后期，将出现机器人，需要聪明(cleverness)的驱动器件。
图20显示了机器人驱动的器件市场的变化，也是由摩尔定律驱动的。机械、光学与其他学科交融，产生了光学传感器等产品。这些产品的研发也是对所有工程师的挑战。
在日本东京地铁高峰时期，冬天常见到强壮的工作人员费力地把乘客推入车厢。这个问题最终会由半导体业解决。2050年，东京这样的大城市早晨9点时，人们不必再由专业的工作人员推入车厢了。因为人们不必迁移，我们的社区将减少拥挤、减少能源的消耗，环境将更清洁。通过网络来工作，人们将更加舒适，可以在任何时间、任何地点与任何人进行通信。

结语
数字消费电子正获得驱动力，芯片市场从PC中心向DC中心转移。技术方向正在多样化，从业人员应该在这关键时刻，把握住第二次数字浪潮的风口浪尖！■(编辑迎九根据牧本先生讲演录音整理)