芯片業變化的范例
變化的范例
圖1是芯片市場結構變化圖。這20年的變化很有趣:起先計算機部分發展很快,消費、通信與汽車業處于低谷。從80年代到90年代,計算機的市場份額從30%多達到了50%左右??梢?0年前是PC驅動;從90年代中期到2006年,消費電子、通信與汽車將起飛,達到超過50%的市場份額,驅動力是DC(數字消費類電子)。
圖1 芯片市場結構變化圖
翻開PC業的創業史,跨度約為30年?;氐?975年計算機被Altair/MITS發明,1978年蘋果公司發明了Apple II,被稱為是世界上第一例最成功的PC。不過,影響最大的PC是1981年IBM公司研發的,它采用了微軟的MS DOS及Intel的i8088微處理器,這被稱為Wintel平臺或Wintel聯盟,拉開了PC業發展的序幕。隨后,PC的營業額與裝機量逐年遞增(圖2)。
消費電子的模擬向數字的轉變說白了就是銀與硅的對抗。在技術領域的主題變遷是非常迅疾的。例如,數碼相機(DSC)1995年才出現,由于技術的進步,迫使傳統的膠卷式相機在1997年前后到達發展頂峰,然后開始下降。2003年,DSC已達到4千萬臺的出貨量(圖3)。
再例如,VCR向DVD的轉變。DVD播放機于1997年向市場推出,2002年出貨量超過了VCR,去年涌現了另一個新秀——DVD刻錄機。預計2006年刻錄機會超過傳統的VCR(圖4)。
另一個例子是日本的電視。2000年日本拉開了龐大的數字電視市場序幕,去年,數字廣播在日本已經開始,并宣布模擬廣播將持續到2011年(圖5)。
模擬電視向數字電視的過度,意味著對硅的需求更大。2003年12月1日,日本又有地面數字電視出現,是日本消費類電子歷史上值得紀念的一天。完全的模擬到數字轉變將于2011年完成,意味著1億臺電視要變成數字電視。
第二個數字浪潮涌現
綜觀電子產業的起伏(圖6),可看到高潮迭起,主要有三個階段:1970年代~1980年代,TV、VCR與隨身聽開始盛行,稱為模擬浪潮。1980年PC進入市場,為人們的工作和生活帶來了巨大的影響,這場數字革命稱為第一次數字浪潮。
1990年開始,數字產品發生了轉變,消費類電子受到了無線、網絡技術的影響,產品如手機、數字電視、游戲機、DVD,這個階段稱為第二次數字浪潮。我們現在正處于第一、二次數字浪潮的交替階段。
圖7是三次浪潮的比較,包括市場驅動、關鍵器件、社會影響與領導者。來看看第二次數字浪潮,關鍵器件有SoC(系統芯片)和SiP(System-In-a-Package,單封裝系統)。人們可以隨時隨地地聯絡,環境更加清潔。在第二次數字浪潮中,全世界都在思考著一個公開的問題:哪個國家將是領導者?
圖8顯示了增長的數字消費電子市場,可以看到第二次數字浪潮正在掀起。
技術的新方向
由于需要更小的幾何尺寸,芯片的集成度在不斷增加,需要集成大量的芯核。因此如何在一個芯片上集成30億支晶體管?這是一個巨大的挑戰,不僅是對工具工程師的挑戰,而且是對所有領域工程師的挑戰。
圖9顯示了光刻工具的進化圖,可見成本越來越高昂。
為了獲得更好的器件,遇到的問題是:遷移率降低;由于晶體管距離的拉進,線間電容增加;漏電流增加;漏極存在的寄生雜散電容(圖10)。
對于低功率器件來說,降低功耗是個很大的挑戰(圖11)。一直以來,隨著集成度的增加,信號傳輸距離也縮短,促使芯片的功耗持續下降。但是這種趨勢將在90nm時達到最低,至于在集成度更高的65nm及45nm工藝中,漏電流將成為耗電的主要因素,將產生功耗不降反升的現象(圖11)。
有多種方法來解決此問題:工藝/器件方面,可采用高K介質門材料,多門檻電壓;電流/系統方面,通過控制門時鐘、部分功率關閉、全面功率管理方法;除此之外,還需要各類工程師協同工作的強大團隊。一個芯片業史無前例的新模式。
SoC與SiP
SONY公司的Playstaion 2(簡稱PS 2)三維圖形游戲機風靡世界,其芯片是從SoB(System on a Board)到SoC進化的范例之一。其模塊用了三塊芯片,包括編碼器、解碼器與DRAM芯片,成本降為最低。低價對便攜式產品非常非常重要。
由此可看到SoC有多么強大。毫無疑問,SoC將成為一個趨勢,需要克服很多困難,例如掩膜成本的不斷增加(圖12)。
另一種降低成本、提高集成度的方法是SiP,從SoC與SiP的比較(圖13)可看出:SoC性能高、功耗低,但是開發成本較高,上市時間較長,因此適合大批量的產品,例如游戲機。SiP開發成本低,上市時間快,因此適合小到中批量的應用。
圖14顯示了SiP不同結構的封裝形式。用戶可根據結構、成本、性能、上市時間等要求,選擇不同的形式。
SoC與SiP將成為第二代數字浪潮的發動機,用于數字消費電子。
可編程性
不同于傳統產品,新的數字消費電子的生命周期(圖15)只有一年左右,而批量越來越大。可見上市時間越來越快,市場非常集中,市場變化快。這導致了芯片可編程性的重要。
圖17顯示了ASPP的概念。ASPP的想法是一家IC公司1998產生的。簡單地說,ASPP是一種特殊應用的標準產品,并嵌入了可編程的邏輯,因此成為了靈活的硬件。這是一個現場可編程方面的重要趨勢,并且有很多新產品在此方面進行開發。例如,ASPP的一個例子是SONY的網絡隨身聽,一個嵌入式CPU叫“Virtual Mobile Engine(VME)”,VME提供更高的性能,更低的功耗,使系統更加靈活。這種網絡隨身聽可錄制1張CD,33小時不間斷工作。這可能是日本第一個用可重構芯片實現的消費產品。
FPL(現場可編程邏輯)之后將是什么?自動化的SoC/SiP可能是下一個趨勢。當然需要借助先進的EDA技術,及其他超級的技術(圖18)。
未來的預測
SONY公司2002年曾開發了機器人QRIO。包括3個64位RISC CPU,59個16位MPU,190MB DRAM,16MB閃存。相當于一臺速度2300MIPS的高端PC。與PC不同的是,該機器人使用了大量的傳感器。這里QRIO使用了2部CCD彩色相機,還有麥克風,4個紅外距離傳感器,18個間距(PINCH)探測傳感器,非常復雜。
圖19顯示了技術驅動力的演變。PC驅動了高性能的MPU與高密度存儲器的發展;下一波是數字消費電子,低功耗器件會成熱門,并出現了SoC與SiP。在這一階段的后期,將出現機器人,需要聰明(cleverness)的驅動器件。
圖20顯示了機器人驅動的器件市場的變化,也是由摩爾定律驅動的。機械、光學與其他學科交融,產生了光學傳感器等產品。這些產品的研發也是對所有工程師的挑戰。
在日本東京地鐵高峰時期,冬天常見到強壯的工作人員費力地把乘客推入車廂。這個問題最終會由半導體業解決。2050年,東京這樣的大城市早晨9點時,人們不必再由專業的工作人員推入車廂了。因為人們不必遷移,我們的社區將減少擁擠、減少能源的消耗,環境將更清潔。通過網絡來工作,人們將更加舒適,可以在任何時間、任何地點與任何人進行通信。
結語
數字消費電子正獲得驅動力,芯片市場從PC中心向DC中心轉移。技術方向正在多樣化,從業人員應該在這關鍵時刻,把握住第二次數字浪潮的風口浪尖!■(編輯迎九根據牧本先生講演錄音整理)
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