集成电路的现状和后摩尔时代

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Abstract:Integrated circuit is the base of economic development of an informati on society. By analyzing the development law of IC’s, recent progresses in t he design and fabrication of IC’s are described, as well as the R & D ofnew products and market trends. The latest development trend of IC’s is discussed. It is pointed out that, by combining with other subjects and technologies, new research topics are emerging. With the advent of novel materialsstructures and devices, the feature size of integrated circuits ke eps scaling down, and the Moore’s law still works.

Key words: Integrated c ircuit; Microelectronics; Moore’s law; Foundry; SOC

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]。

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]。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]。

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，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。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，0.18Lm)，即109美元。要想赢利，产量必须在107~108量级。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

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。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]。

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

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

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，0.13Lm到0.09Lm 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]

采用适应计算(Adaptive Computing)技术，软件能有效地刷新芯片的实线电