集成电路的现状及其发展趋势

第２期
冯亚林等：集成电路的现状及其发展趋势
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出了新一代抗辐射ＦＰＧＡ；Ｍ—Ｓｙｓｔｅｍｓ发布了世界 上最小的１ ＧＢ多级单元闪存；苹果公司推出了全 球首款６４位台式ＰＣ“Ｐｏｗｅｒ Ｍａｃ Ｇ５”；Ａｇｅｒｅ Ｓｙｓ— ｔｅｍｓ公司发布了业界首款ｏ．２５肚ｍ锗硅（ＳｉＧｅ）前 置放大器；ＣｒｅｅＭｉｃｒｏｗａｖｅ公司推出了Ａ／Ｂ级１０ Ｗ碳化硅（ＳｉＣ）ＭＥＳＦＥＴ；英飞凌采用ＳｉＧｅ：Ｃ双极 技术，成功开发出１１０ ＧＨｚ以上的高速分频ＩＣ，等 等［６，７｜。
随着ＩＣ设计与工艺技术水平的不断提高，ＩＣ 规模越来越大，复杂程度越来越高。目前，已经可以 在一个芯片上集成１０８～１０９个晶体管，而且随着集 成电路制造技术的发展，２１世纪的集成电路技术将 从目前的３Ｇ（Ｇ一１０９）时代逐步发展到３Ｔ（Ｔ一 １０１２）时代，即存储容量由Ｇ位发展到Ｔ位、集成电
万方数据
Ａｂｓｔ阳ｃｔ： Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ ｉｎｆｏｎｎａｔｉｏｎ ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅ— ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ １ａｗ ｏｆ ＩＣ’ｓ，ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓ遮ｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＣ’ｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｓ ｗｅＩｌ ａｓ ｔｈｅ Ｒ ８Ｌ Ｄ ｏｆ ｎｅｗ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔ ｔｒｅｎｄｓ．Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ＩＣ’ｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ。 Ｉｔ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ，ｂｙ ｃｏｍ— ｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｓｕｂｊｅｃｔｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｎｅｗ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏｐｉｃｓ ａｒｅ ｅｍｅｒｇｉｎｇ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖｅｎｔ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｋｅｅｐｓ ｓｃａｌｉｎｇ ｄｏｗｎ，ａｎｄ ｔｈｅ Ｍｏｏｒｅ’ｓ ｌａｗ ｓｔｉｌｌ ｗｏｒｋｓ．
采用适应计算（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）技术，软 件能有效地刷新芯片的实线电路。相对现在固定不 变的常用芯片，不仅能使单个芯片实现通常需要几 个芯片才能实现的功能，而且还能提高芯片速度，节 约成本和提高能效。
然而，适应计算仍是一个有争议的概念，硅谷一 些设计师就对它持有怀疑态度，但英特尔（Ｉｎｔｅｌ）对 此充满信心，还专门召开了有关适应计算的大会； ＩＢＭ也对此芯片充满信心，还与德国芯片巨头英飞 凌（Ｉｎｆｉｎｅｏｎ）一同联手。 ３．１．４设计中应用更多ＩＰ核
从２０００年美国总统克林顿宣布了“国家纳米计 划”（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｎｏｔｅｃｈ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ）以来，美国政府 在纳米技术的研发上已经投入了约２０亿美元；欧盟 在２００２—２００６年，投入１０亿美元以上，进行纳米技 术研究；日本纳米技术预算也从１９９７年的１．２亿美 元提高到２００２年的７．５亿美元［６Ｉ。
据国际半导体技术发展路线图（ＩＴＲＳ，２００２年 修订）［２１，预计到２０１６年，将生产出特征尺寸为２２ ｎｍ的ＣＭＯＳ电路，实际栅长为９ ｎｍ的ＭＰＵ和 ＲＡＭ。集成电路正在接近其物理极限，同时，受工 艺加工极限和经济承受力的制约，到底什么尺度是 其极限呢？目前仍无定论，其微细化的方向仍有很 大发展空间，集成电路技术仍然遵从摩尔定律快速 发展。
ＡＳＩＣ设计中最新的趋势表明，越来越多的公 司将在较高成本、基于标准单元的ＡＳＩＣ与高性能、 灵活的ＦＰＧＡ之间进行折中。客户会被结构化 ＡＳＩＣ方法的更快上市时间和更低流片成本吸引。
对于标准ＡＳＩＣ来说，ｏ．１３弘ｍ到ｏ．０９肛ｍ的流片 费用比结构化ＡＳＩＣ高两倍多，上市时间也从１８个 月缩短到１０个月。Ｆｕｊｉｔｓｕ表示，结构化ＡＳＩＣ将减 少５０％的芯片开发时间，降低约３０％的非经常性工 程成本。 ３．１．３ 适应计算——新的手机芯片设计技术［５］
２ 集成电路的发展
２．１市场及其发展 ３０多年来，集成电路市场成长迅速，基本上是
收稿日期：２００５一０９—１５： 定稿日期：２００５—１２—１０
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一条指数发展规律。随着科学技术的进步，集成电 路在电子产品销售额中所占的份额逐年提高。目 前，集成电路在整机中的应用，以计算机（ＰＣ）最大， 通讯次之，第三位是消费类电子［２］。
２０世纪９０年代前半期，ＩＣ技术和市场发展的 推动力是ＰＣ；进入后半期，手机成为仅次于ＰＣ的 第二大推动力；进入２１世纪，汽车将成为ＩＣ技术发 展的新动力。据日本野村证券金融研究所推算，
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冯亚林等：集成电路的现状及其发展趋势
２００８—２００９年，车载ＩＣ市场将超过ＰＣ。汽车电子 已成为半导体业界的另一热点。
Ｆｏｕｎｄｒｙ的建设必须采用系统工程的方法，使 其具备多进多出功能，即能接受行为描述级、逻辑 级、版图级等不同层次的电路设计输入，可以有硅片 级、封装后成品级等输出。因此，Ｆｏｕｎｄｒｙ要有自己 的设计服务部和掩膜版制作部，并与封装厂和测试 厂建立固定的战略同盟；提供多种工艺模块，以适应 不同电路设计的加工需要；把适应自身生产线加工 的标准工艺以单元库和ＩＰ库的形式提供给客户，并 不断提升和扩展；在管理上要做好“服务”，要在世界 各地和全国各地建立自己的服务站点［４］。
集成电路的发明人Ｊ．Ｋｉｌｂｙ认为：“集成电路 产业一向是通过寻找新的应用领域发展起来的，如 计算器、数字手表、ＰＣ、手机等，而每一种产品销售 量都比前一种高出一个数量级。”２１世纪，在移动中 随时随地获取信息和处理信息成为把握先机而制胜 的法宝。如果说前２０年ＰＣ是集成电路发展的驱 动器，那么，后２０年主要的驱动器应该是与因特网 结合的可移动袖珍实时信息处理设备，其核心是数 字信号处理器［３］。
文献标识码： Ａ
文章编号：１００４—３３６５（２００６）０２一０１７３一０４
Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－Ａｒｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｉｔｓ ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｒｅｎｄｓ
ＦＥＮＧ Ｙａ＿ｌｉｎｌ“，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕ＿ｐｉｎ９２
（１．风￡ｉ￡“抛∥胍ｆｍｋ￡ｒ删ｊ“，Ｐ如ｊ耀晚ｉｗＨ毋，＆巧ｉ碍１００８７１；２。觋Ｐ ９跣Ｄ唧，Ｐ．Ｑ Ｂ呱１２２，＆驷曙１０００３６，Ｐ．Ｒ吼ｉｍ）
微机电系统（ＭＥＭＳ）市场需求数量未来两年 会达到约４５％的复合成长率；美国使用微机电组件 的比例，预计将从现在的每人低于２件增长到２００７ 年每人超过６件。 ２．２产业格局与结构
集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的 结果。集成电路根本的生命力在于它可以大批量、 低成本和高可靠地生产。集成电路芯片价格约为 １０１～１０２美元，而集成电路生产线的投资高达１０～ １５亿美元（２００ ｍｍ，ｏ．１８肚ｍ），即１０９美元。要想 赢利，产量必须在１０７～１０８量级。
目前，芯片制造技术上采用更大尺寸的硅晶片 （３００ ｍｍ）；采用铜线互连技术替代铝线技术；进一 步缩小芯片内部特征尺寸（采用９０ ｎｍ甚至６５ ｎｍ 的制造技术）。集成电路中的新技术、新产品不断涌 现。比如，Ｉｎｔｅｌ公司发布了集成４亿只晶体管的新 款Ｉｔａｎｉｕｍ ２，Ｘｉｌｉｎｘ公司以３００ ｍｍ晶圆９０ ｎｍ工 艺推出了现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）；Ａｃｔｅｌ公司推
集成电路是整机高附加值的倍增器，但它并不 是最终产品，如果它不能在整机和系统中应用，那它 既不能吃，也不能用，就没有价值，更谈不上高附加 值。这就决定了集成电路产业的建设必须首先考虑 整机和系统应用的发展，即市场的需求。只有在市 场足够大的情况下，才能开始建设芯片生产厂。 ２．３ Ｆｏｕｎｄｒｙ建设
设计、制造、新产品研发和市场动态等方面，描述了集成电路的最新动态；探讨了集成电路的发展趋
势；指出集成电路与其它学科、技术的结合，不断形成新的研究方向；新材料、新结构、新器件不断涌
现，特征尺寸继续缩小，摩尔定律仍然起作用。
关键词： 集成电路；微电子技术；摩尔定律；标准加工线；系统集成芯片
中图分类号：ＴＮ４０
路的速度由ＧＨｚ发展wk.baidu.comＴＨｚ，数据传输速率由Ｇｂ—
ｐｓ发展到Ｔｂｐｓ（ｂｉｔｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）。
ＩＣ技术是近５０年来发展最快的技术，设计规 则从１９５９年以来缩小了１４０倍，而平均晶体管价格
降低了１０７倍。如果小汽车也按此速度降价，那么
现在小汽车的价格只有１美分。
４．２集成电路与其它学科结合诞生新的技术和产
４ 集成电路的发展趋势
集成电路已进人超深亚微米时代，体硅ＣＭＯＳ 的批量生产已采用９０ ｎｍ工艺、３００ ｍｍ晶圆；６５
ｍ工艺也即将量产化；集成电路的发展仍以继续
追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗为目标。 ４．１ 器件的特征尺寸继续缩小
从纵向看，在新技术的推动下，集成电路自发明 以来四十年间，集成电路芯片的集成度每三年提高 ４倍，而加工特征尺寸缩小√２倍。这就是由Ｉｎｔｅｌ公 司创始人之一的Ｇｏｒｄｏｎ Ｅ．Ｍｏｏｒｅ博士１９６５年总 结的规律，被称为摩尔定律。基于市场竞争，不断提 高产品的性能／价格比是ＩＣ技术发展的动力，缩小 特征尺寸，从而提高集成度，是提高产品性能／价格 比最有效的手段之一。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ；Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；Ｍ００ｒｅ’ｓ ｌａｗ；Ｆｂｕｎｄｒｙ；Ｓ（）Ｃ ＥＥＡＣＣ： ２５７０
１引 言
集成电路和软件是信息社会经济发展的基石和 核心。正如美国工程技术界最近评出２０世纪世界 ２０项最伟大工程技术成就中第五项电子技术时提 到，“从真空管到半导体、集成电路，已成为当代各行 各业智能工作的基石。”集成电路是最能体现知识经 济特征的典型产品之一。目前，以集成电路为基础 的电子信息产业已成为世界第一大产业。随着集成 电路技术的发展，整机与元器件之间的明确界限被 突破，集成电路不仅成为现代产业和科学技术的基 础，而且正创造着代表信息时代的硅文化［１］。
第３６卷第２期 ２００６年４月
微电子学 ｌＰｎｃｌ‘ｏｅｌｅｃｔｒ帆ｉｃｓ
·综合评述·
集成电路的现状及其发展趋势
ＶｏＬ ３６。№２ ＡＤｒ．２００６
冯亚林１一，张蜀平２ （１．北京大学微电子学研究院，北京１００８７１；２．北京市１２２信箱９室，北京１０００３６）
摘要： 集成电路是信息社会经济发展的基石。通过对集成电路发展规律的分析，从集成电路的
３ 集成电路动态
３．１ 设计技术 ３．１．１ Ｒ芯片——可重构芯片设计‘５］
随着ＩＣ产品的多样化和产品周期的缩短，新型 逻辑的ＩＣ需要越来越旺盛，一种被称为可重构芯片 （Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｃｈｉｐ，简称Ｒ芯片，也称为变色龙
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芯片）设计技术受到关注。与通用处理器设计不同 的是，这种芯片能够根据产品的目的和功能而改变 自身逻辑电路。 ３．１．２ 结构化ＡＳＩＣ方法［５］
ＡＲＭ是一家站在芯片产业链最顶端的公司， 因为它是全球领先的１６／３２位嵌入式ＲＩＳＣ芯片技 术方案供应商，其芯片体系已成为全球标准，超过 １００家著名ＩＴ企业正在使用ＡＲＭ的技术，市场份 额超过７０％。ＡＲＭ公司出售的是基于其架构的技 术授权和解决方案，是知识产权（ＩＰ）。ＡＲＭ公司 ２００１年两亿多美元的营业额中，５０％属于专利授权 费用，这是客户采用ＡＲＭ设计专利时需一次性付 出的费用；２０％来自专利使用费；１４％至１７％是销 售设计工具所得；剩下的来自设计顾问服务和培训 支持服务。 ３．２新产品开发
集成电路的加工正在向Ｆｏｕｎｄｒｙ模式转变。 我国台湾的台积电公司（ＴＳＭＣ）于１９８７年最早建 成Ｆｏｕｎｄｒｙ。现在全世界Ｆｏｕｎｄｒｙ服务做得最好的 都是华人，主要代表是中国台湾的ＴＳＭＣ、联电 ＵＭＣ、中芯国际ＳＭＩＣ、新加坡的特许半导体公司 等，全世界６７％的Ｆｏｕｎｄｒｙ业务集中在东南亚。