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本演講根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)“由簡(jiǎn)入繁”、又“化繁為簡(jiǎn)”的螺旋式發(fā)展史事，探討主流半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展哲理，供大家參考討論。
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發(fā)展歷程
根據(jù)IC Knowledge 的歸納[1]，可以把集成電路(IC)的發(fā)展歷程劃分為四個(gè)階段：即奠定基礎(chǔ)、激情創(chuàng)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(chǔ)”發(fā)生于上世紀(jì)四五十年代，此階段發(fā)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(chǔ)”、“基本結(jié)構(gòu)”、“制造工藝”和“集成方法”等一系列基礎(chǔ)技術(shù)和方法。
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“激情創(chuàng)新”發(fā)生于上世紀(jì)六七十年代，主要是產(chǎn)業(yè)技術(shù)擴(kuò)散階段。誕生了EPROM、DSP、DRAM、MPU等。當(dāng)時(shí)有兩個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)是等比例縮小，推動(dòng)器件小型化;另一個(gè)是摩爾定律，推動(dòng)器件集成化;這兩個(gè)堪稱是半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展引擎。這時(shí)候制造裝備(可視為晶圓制造的“基因”)業(yè)開始興起，設(shè)計(jì)工具也涌現(xiàn)了出來。
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“昂首闊步”發(fā)生于上世紀(jì)八九十年代，在此之前，大方向都已經(jīng)定了，這時(shí)晶圓尺寸、集成規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)模…等等只是順續(xù)擴(kuò)大，而產(chǎn)業(yè)技術(shù)則按 “路線圖”發(fā)展，即在已知規(guī)律下推測(cè)未來的發(fā)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(chǔ)階段就已經(jīng)“發(fā)明”了。
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“走向成熟”階段大致從2000年開始到CMOS技術(shù)的“終結(jié)”。近年來，在認(rèn)識(shí)上大多共識(shí)到硅技術(shù)壽限大約在2020年前;而在實(shí)踐中則從“拜速度論”向“應(yīng)用為王”思路轉(zhuǎn)移，發(fā)生了一些重大事件，例如出現(xiàn)了“雙核年”，F(xiàn)abless(無生產(chǎn)線的公司)模式由懷疑到肯定并成為產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)等等。
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發(fā)展哲理
從發(fā)展的前兩個(gè)歷程，我們可以看到IC產(chǎn)業(yè)“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(gè)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(jiǎn)，做得規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)!”
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因此，從純產(chǎn)業(yè)技術(shù)這個(gè)角度看，我們可以把這個(gè)產(chǎn)業(yè)的“發(fā)展哲理”歸納為：“小”就是美(目標(biāo))，崇尚“簡(jiǎn)約”(使命)，倚重“左腦”(思路)三大特點(diǎn)。
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“小”就是美
可從機(jī)制、性能、成本、功能、融合等五個(gè)角度來看。 機(jī)制是比例縮小，體現(xiàn)了“小(尺寸)與大(規(guī)模)螺旋式前進(jìn)，低(價(jià)格)與高(性能)辯證統(tǒng)一”。成本無論從每MIPS成本，或每個(gè)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(xiàn)在的移動(dòng)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(xiàn)在是硬件與軟件融合，今后將是產(chǎn)業(yè)的融合。
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崇尚“簡(jiǎn)約”
體現(xiàn)在材料、結(jié)構(gòu)、制程、設(shè)計(jì)和應(yīng)用五個(gè)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(jiǎn)單又復(fù)雜。在MOS結(jié)構(gòu)中，“兩點(diǎn)一線”構(gòu)成了一個(gè)有源器件，并兼具“低進(jìn)高出”的優(yōu)異特性;而CMOS結(jié)構(gòu)則具有“功”盡其用，“耗”節(jié)其盡的特點(diǎn)。制程采用基于平臺(tái)的“印刷”。產(chǎn)品則是基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)，即把數(shù)以萬計(jì)的以“實(shí)”元件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化為按某些約束條件下的“虛”元件的“即插即用”“堆積”。應(yīng)用方面，由于IC集成的深度、廣度與成熟度的演進(jìn)，使得終端產(chǎn)品和應(yīng)用本身都大大地“簡(jiǎn)約化”了，例如手機(jī)集成度越來越高，并把“方案”都“集成”進(jìn)去，不僅僅做手機(jī)簡(jiǎn)單—出現(xiàn)了“山寨”現(xiàn)象，而且使用也“傻瓜”化了。
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倚重“左腦”
左腦負(fù)責(zé)理性推理，屬于普通腦;右腦負(fù)責(zé)感性跳躍，是天才腦。IC發(fā)展倚重的是“左腦”，按照邏輯推理思路發(fā)展，可以體現(xiàn)在核心結(jié)構(gòu)、核心工具和核心應(yīng)用(計(jì)算模式)三部分。核心結(jié)構(gòu)就是如何把晶體管的特征尺寸做小，原來認(rèn)為32nm是一個(gè)坎，但I(xiàn)BM在22nm時(shí)仍然采用傳統(tǒng)的平面柵結(jié)構(gòu);而把晶體管尺寸縮小的核心工具(圖形轉(zhuǎn)移工具)依然依賴于光學(xué)方法，遵循簡(jiǎn)單的瑞利公式;至于核心應(yīng)用則涉及到計(jì)算模式問題，由于馮?諾依曼范式積累了太多的人類知識(shí)，不會(huì)被輕易拋棄，所以一定會(huì)繼續(xù)延用。
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當(dāng)然，技術(shù)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(jìn)。例如核心結(jié)構(gòu)沒有突破MOS結(jié)構(gòu)，過去是金屬鋁柵，現(xiàn)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(diǎn)啟示
●從發(fā)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(kuò)”實(shí)現(xiàn)了最辨證的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)“輪回”。
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●從發(fā)展哲理中思考顛覆性突破。Si-CMOS由于本身的物理限制，當(dāng)它在縮小進(jìn)程中變得愈來愈繁而又不能“化簡(jiǎn)”時(shí)，就意味著基于CMOS結(jié)構(gòu)在邏輯上不能延伸了，這時(shí)就要發(fā)揮天才腦(右腦)的作用，尋找顛覆性突破。但是，目前已涌現(xiàn)的“新興器件”既不成熟又難與Si-CMOS性/價(jià)全面匹敵，短時(shí)期內(nèi)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(dǎo)SoC設(shè)計(jì)，這就是說，我們現(xiàn)在還要盡力延伸并充分運(yùn)用硅技術(shù)。主要體現(xiàn)在下面兩點(diǎn)。
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第一，嵌入設(shè)計(jì)成為延伸創(chuàng)新主流。長(zhǎng)期以來，設(shè)計(jì)業(yè)的增速是整個(gè)IDM(集成設(shè)備制造商)的4倍，整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)的3倍。即使在半導(dǎo)體業(yè)非常簫條時(shí)期，設(shè)計(jì)業(yè)仍然是正增長(zhǎng)，這就使得Fabless成了2008年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最大亮點(diǎn)，有3家Fabless公司進(jìn)入了半導(dǎo)體的前20名，高通則進(jìn)入了前8名。
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幾年前有人認(rèn)為，CPU和DSP作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品將要死亡，而實(shí)際上從數(shù)量上看，CPU和DSP等通用產(chǎn)品確實(shí)比嵌入式芯片的數(shù)量少得非常多。因此有人大膽預(yù)測(cè)，到2028年，整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1萬億美元，其中絕大部分的芯片將用于嵌入式系統(tǒng)。
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第二，“嵌入”應(yīng)用離不開SiP/3D封裝。就電子裝置小型化而言，包括我們現(xiàn)在的手機(jī)，IC/SoC只占整個(gè)體積的很小一部分，其他的大多數(shù)零件(如傳感器件、光學(xué)元件等)的小型化都要靠封裝來解決。因此，2005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖提出了在“More Moore(延伸摩爾定律)”的同時(shí)，要關(guān)注“More than Moore(超越摩爾定律)”即SiP(系統(tǒng)封裝)/3D(三維封裝)的發(fā)展。
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小結(jié)
硅技術(shù)將在延伸中尋找突破;現(xiàn)在，我們正面臨著“More than Moore”時(shí)代;在這個(gè)時(shí)代里，要把“More Moore”和“More than Moore”的價(jià)值體現(xiàn)出來，設(shè)計(jì)創(chuàng)新就成為關(guān)鍵的關(guān)鍵。注：本文源自“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)集成電路主題研討會(huì)”的發(fā)言(2009年3月)。
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參考文獻(xiàn)：
[1] History of the integrated circuit[R/OL].http://www.icknowledge.com/history.html