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　　本演講根據(jù)半導體技術“由簡入繁”、又“化繁為簡”的螺旋式發(fā)展史事，探討主流半導體技術的發(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)展歷程劃分為四個階段：即奠定基礎、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”發(fā)生于上世紀四五十年代，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”、“基本結構”、“制造工藝”和“集成方法”等一系列基礎技術和方法。

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　　“激情創(chuàng)新”發(fā)生于上世紀六七十年代，主要是產(chǎn)業(yè)技術擴散階段。誕生了EPROM、DSP、DRAM、MPU等。當時有兩個非常重要的發(fā)現(xiàn)，一個是等比例縮小，推動器件小型化;另一個是摩爾定律，推動器件集成化;這兩個堪稱是半導體技術的發(fā)展引擎。這時候制造裝備(可視為晶圓制造的“基因”)業(yè)開始興起，設計工具也涌現(xiàn)了出來。

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　　“昂首闊步”發(fā)生于上世紀八九十年代，在此之前，大方向都已經(jīng)定了，這時晶圓尺寸、集成規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)?！鹊戎皇琼樌m(xù)擴大，而產(chǎn)業(yè)技術則按 “路線圖”發(fā)展，即在已知規(guī)律下推測未來的發(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技術的“終結”。近年來，在認識上大多共識到硅技術壽限大約在2020年前;而在實踐中則從“拜速度論”向“應用為王”思路轉移，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)亮點等等。

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　　發(fā)展哲理

　　從發(fā)展的前兩個歷程，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，做得規(guī)則、標準!”

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　　因此，從純產(chǎn)業(yè)技術這個角度看，我們可以把這個產(chǎn)業(yè)的“發(fā)展哲理”歸納為：“小”就是美(目標)，崇尚“簡約”(使命)，倚重“左腦”(思路)三大特點。

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　　“小”就是美

　　可從機制、性能、成本、功能、融合等五個角度來看。 機制是比例縮小，體現(xiàn)了“小(尺寸)與大(規(guī)模)螺旋式前進，低(價格)與高(性能)辯證統(tǒng)一”。成本無論從每MIPS成本，或每個晶體管的成本看，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“簡約”

　　體現(xiàn)在材料、結構、制程、設計和應用五個方面。大自然恩賜了人類一種奇異的材料，它既便宜又豐富，既簡單又復雜。在MOS結構中，“兩點一線”構成了一個有源器件，并兼具“低進高出”的優(yōu)異特性;而CMOS結構則具有“功”盡其用，“耗”節(jié)其盡的特點。制程采用基于平臺的“印刷”。產(chǎn)品則是基于平臺的設計，即把數(shù)以萬計的以“實”元件為基礎的系統(tǒng)設計，簡化為按某些約束條件下的“虛”元件的“即插即用”“堆積”。應用方面，由于IC集成的深度、廣度與成熟度的演進，使得終端產(chǎn)品和應用本身都大大地“簡約化”了，例如手機集成度越來越高，并把“方案”都“集成”進去，不僅僅做手機簡單—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”

　　左腦負責理性推理，屬于普通腦;右腦負責感性跳躍，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)在核心結構、核心工具和核心應用(計算模式)三部分。核心結構就是如何把晶體管的特征尺寸做小，原來認為32nm是一個坎，但IBM在22nm時仍然采用傳統(tǒng)的平面柵結構;而把晶體管尺寸縮小的核心工具(圖形轉移工具)依然依賴于光學方法，遵循簡單的瑞利公式;至于核心應用則涉及到計算模式問題，由于馮?諾依曼范式積累了太多的人類知識，不會被輕易拋棄，所以一定會繼續(xù)延用。

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　　當然，技術革新仍然沒有停止，只是這些革新都是在原有“基本模式”中的螺旋前進。例如核心結構沒有突破MOS結構，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”實現(xiàn)了最辨證的技術與經(jīng)濟“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，當它在縮小進程中變得愈來愈繁而又不能“化簡”時，就意味著基于CMOS結構在邏輯上不能延伸了，這時就要發(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/價全面匹敵，短時期內(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SoC設計，這就是說，我們現(xiàn)在還要盡力延伸并充分運用硅技術。主要體現(xiàn)在下面兩點。

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　　第一，嵌入設計成為延伸創(chuàng)新主流。長期以來，設計業(yè)的增速是整個IDM(集成設備制造商)的4倍，整個半導體業(yè)的3倍。即使在半導體業(yè)非常簫條時期，設計業(yè)仍然是正增長，這就使得Fabless成了2008年半導體產(chǎn)業(yè)的最大亮點，有3家Fabless公司進入了半導體的前20名，高通則進入了前8名。

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　　幾年前有人認為，CPU和DSP作為一個標準產(chǎn)品將要死亡，而實際上從數(shù)量上看，CPU和DSP等通用產(chǎn)品確實比嵌入式芯片的數(shù)量少得非常多。因此有人大膽預測，到2028年，整個半導體市場規(guī)模將達到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，IC/SoC只占整個體積的很小一部分，其他的大多數(shù)零件(如傳感器件、光學元件等)的小型化都要靠封裝來解決。因此，2005年國際半導體技術發(fā)展路線圖提出了在“More Moore(延伸摩爾定律)”的同時，要關注“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

　　硅技術將在延伸中尋找突破;現(xiàn)在，我們正面臨著“More than Moore”時代;在這個時代里，要把“More Moore”和“More than Moore”的價值體現(xiàn)出來，設計創(chuàng)新就成為關鍵的關鍵。注：本文源自“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會集成電路主題研討會”的發(fā)言(2009年3月)。

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　　參考文獻：

　　[1] History of the integrated circuit[R/OL].http://www.icknowledge.com/history.html