2004年全球半導(dǎo)體行業(yè)步入了復(fù)蘇的軌道，這在由Globalpress Connection公司舉辦的Electronics Summit2004上充分體現(xiàn)出來。與會的45家半導(dǎo)體公司對2004年的半導(dǎo)體市場充滿了信心，同時(shí)紛紛發(fā)表了他們對半導(dǎo)體未來發(fā)展前景的看法，并給出了技術(shù)的發(fā)展前景。
從Summit 2004上重點(diǎn)論壇的問題上來看，2004年半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)在于當(dāng)全球進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代后對器件可編程能力、多處理器架構(gòu)、SoC和SIP(Silicon in Package)以及相應(yīng)的下一代半導(dǎo)體工藝的發(fā)展計(jì)劃。
“2003年是PC和數(shù)字消費(fèi)類電子產(chǎn)品持平的交叉點(diǎn)，2004年對數(shù)字消費(fèi)類電子產(chǎn)品的需求將超過PC并保持正增長，而對PC的需求將開始下降，”Sony公司高級顧問Tsugio Makimoto博士表示，“在現(xiàn)在的情況下，半導(dǎo)體市場不可能有連續(xù)3年的好時(shí)光，這對任何一家公司都是一個(gè)挑戰(zhàn)。”
半導(dǎo)體行業(yè)在90年代進(jìn)入數(shù)字消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的時(shí)代后，這種趨勢一直延續(xù)到現(xiàn)在，并跨入SoC時(shí)代。今天，這種趨勢的產(chǎn)品體現(xiàn)是數(shù)字相機(jī)、DVD、電子游戲、數(shù)字電視和移動(dòng)通信設(shè)備。
美國消費(fèi)類電子協(xié)會副總裁Jeffrey Joseph分析了消費(fèi)類電子的四大發(fā)展趨勢：一是高質(zhì)量音頻、視頻；二是互操作性和可傳輸性；三是便攜性；四是個(gè)性化。他指出，DVD在美國已被廣泛接受，同時(shí)，DVD、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和DVR在2004年的增長率與2003年相比都超過了20%。
“我和業(yè)界的許多同仁一樣相信全球電子工業(yè)的下一個(gè)波浪將是將家庭娛樂+通信+計(jì)算集成于一體的消費(fèi)類電子，”Xilinx的總裁兼CEO Wim Roelandts表示，“而且亞洲將成為消費(fèi)類電子產(chǎn)品的制造中心。在這種趨勢下，要想成功，就必須創(chuàng)新。” 可編程能力成為主導(dǎo)技術(shù)
在新的數(shù)字消費(fèi)時(shí)代，產(chǎn)品的生命期只有一年的時(shí)間，可編程能力成為必須具備的一個(gè)要求。可編程能力已成為業(yè)界共識的下一代半導(dǎo)體器件的一個(gè)主要特性。
從整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展步伐上來看，1987至1997年是ASIC風(fēng)行的時(shí)期，而1997至2007年是現(xiàn)場可編程器件的大好時(shí)光，在這個(gè)階段中，制造標(biāo)準(zhǔn)化但應(yīng)用定制化是一個(gè)明顯的特征，而2007年后，可自動(dòng)配置的SoC和SIP將成為下一個(gè)發(fā)展的主流。 “1百萬門FPGA在2003年前還需要45美元，而進(jìn)入2004年后其價(jià)格會下降到少于20美元，”Xilinx的副總裁Sandeep Vij表示，“3G無線網(wǎng)絡(luò)、基站、有線網(wǎng)絡(luò)中的串行背板、用戶線路卡、消費(fèi)電子中的數(shù)字顯示、手持設(shè)備、汽車電子、工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備都是FPGA可以大展拳腳的應(yīng)用領(lǐng)域。不可忽略的一個(gè)事實(shí)是FPGA可以將設(shè)計(jì)的時(shí)間減少一半。”
Xilinx在消費(fèi)電子市場中的銷售比例已上升到18%，而5年前幾乎是零。同時(shí)，這個(gè)比例在其業(yè)務(wù)中的比例仍在不斷增加。值得注意的是，這種應(yīng)用趨勢目前仍主要集中在相對高檔的數(shù)字消費(fèi)類產(chǎn)品中，如數(shù)字電視、手機(jī)、LED顯示器等。 價(jià)格仍然是制約FPGA在大批量消費(fèi)類電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的一個(gè)瓶頸，為應(yīng)對這個(gè)市場，Xilinx推出了約20萬門3美元的低價(jià)器件，Altera則推出了賽龍系列低成本FPGA。“我們已經(jīng)看到日本、韓國和臺灣地區(qū)開始大規(guī)模在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上應(yīng)用FPGA，如PDP/LCD電視、投影儀、DVD機(jī)等。這種趨勢也會向中國轉(zhuǎn)移并取得成功，因?yàn)檫@沒有什么技術(shù)上的問題。”
Xilinx的副總裁Vincent Tong表示。從技術(shù)的層面上，F(xiàn)PGA的利用率已經(jīng)達(dá)到超過90%，同時(shí)可用性也在不斷提高。實(shí)現(xiàn)高利用率的方法主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、工藝上的創(chuàng)新，通過采用7至10層的金屬層大大提高了FPGA的利用率和布線成功率；二、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，通過靈活的內(nèi)部可配置功能模塊和在FPGA中不斷完善I/O、DSP和存儲器等功能提高性能；三，不斷改進(jìn)的FPGA支持工具，而更具可用性。
“在90nm時(shí)代，大約需要花費(fèi)3000萬美元去開發(fā)一個(gè)ASIC芯片，可編程器件的重要性日益顯示出來，”Altera的總裁和CEO John Daane在Summit 2004上也強(qiáng)調(diào) ,"Altera在1983年發(fā)明了第一代PLD，當(dāng)時(shí)只有320門和20個(gè)I/O端口，速度也只有10MHz。現(xiàn)在，可編程邏輯器件的發(fā)展趨勢是邏輯部分在不斷減少，由過去的85到今天的40%，相反的，I/O、RAM和IP的比例在不斷增加，達(dá)到了60%。” Hardcopy器件是Daane著重介紹的一個(gè)主要產(chǎn)品，以他的話來說是實(shí)現(xiàn)“Time to FPGA”的最佳選擇之一。Hardcopy可以將高檔FPGA中的功能在Hardcopy中完成，并達(dá)到“最大90%的成本節(jié)約”。 Daane充分了肯定可編程市場。“2003年全球半導(dǎo)體工業(yè)的增長率是3%，Altera實(shí)現(xiàn)了16%的增長率，”他表示，“其中在消費(fèi)類電子領(lǐng)域的增長率達(dá)到了13-14%，這個(gè)比例在未來還會繼續(xù)提高。” Altera在今年2月發(fā)布了其新型的Stratix II系統(tǒng)，其重點(diǎn)是具備了自適應(yīng)邏輯分配架構(gòu)，提供了雙倍的邏輯密度，允許工程師在更少的邏輯區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能。這種新型的自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)可將其自身的資源與鄰近的邏輯功能共享資源。“這是Altera新創(chuàng)造的一個(gè)獨(dú)特的FPGA架構(gòu)，”Daane表示，“它具有更靈活的性能，并采用了TSMC的90nm全銅工藝。” FPGA的應(yīng)用前景和ASIC價(jià)格的吸引力也催生了一些專業(yè)從事FPGA至ASIC轉(zhuǎn)換的公司。
AMI Semiconductor從事的業(yè)務(wù)就是幫助實(shí)現(xiàn)FPGA/CPLD至ASIC轉(zhuǎn)換。在強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)工作的重要性時(shí)，AMI副總裁Vince Hopkin表示：“結(jié)構(gòu)化ASIC可以降低ASIC 70%的開發(fā)成本，制造成本是FPGA的1/5，而設(shè)計(jì)原型的時(shí)間也只需要2至3星期。”在實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過程中，AMI采用了其專有的轉(zhuǎn)換技巧：嵌入式FPGA可兼容IP。 多處理器架構(gòu)增強(qiáng)處理能力
電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和要求計(jì)算能力不斷提高的事實(shí)促進(jìn)了多處理器架構(gòu)的迅速發(fā)展。回顧一下SoC的發(fā)展歷程，在90年代，SoC基本上由1個(gè)片上CPU+邏輯+I/O端口組成，而進(jìn)入2000年后的第二代SoC的重要特征是包含了多個(gè)可配置處理器和I/O端口。按照Tensilica公司總裁兼CEO Chris Rowen在Summit 2004會議上的描述，“下一代的SoC就是一個(gè)處理器數(shù)量可縮放的集合體，這種趨勢體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是每芯片的處理器數(shù)量在以每年30%的速度增加；另一個(gè)是每秒鐘的可編程運(yùn)算能力也以每年65%的速度遞增。在下一個(gè)十年內(nèi)，每芯片中包含的處理器數(shù)量會超過1000個(gè)。” Rowen認(rèn)為，利用一些先進(jìn)的技術(shù)可以自動(dòng)生成高度定制的可配置處理器，而這種可編程性意味著更大的通用性和更低的風(fēng)險(xiǎn)性。“我們可以看到的一個(gè)事實(shí)是，現(xiàn)在，大多數(shù)用戶都在應(yīng)用多處理器SoC，處理器的數(shù)量由1個(gè)到100個(gè)，平均每個(gè)系統(tǒng)采用了6個(gè)處理器。”從Rowen的角度看，下一代SoC將是集成了多個(gè)可配置處理器、應(yīng)用邏輯、A/D、系統(tǒng)I/O和物理層的芯片。
Cradle是另一家推崇多處理器DSP解決方案的半導(dǎo)體供應(yīng)商，在其最新推出的CT3400多處理器DSP中包括計(jì)算子系統(tǒng)和I/O子系統(tǒng)，其中計(jì)算子系統(tǒng)中含有8個(gè)260MHz DSP和4個(gè)260MHz CPU，而可編程I/O系統(tǒng)含有2個(gè)260 MHz CPU和128個(gè)可編程I/O端口。在該公司技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖上，低功率產(chǎn)品將以8DSP為主流，而高性能產(chǎn)品的DSP數(shù)目將達(dá)到16個(gè)，甚至32個(gè)。 新材料、IP和EDA工具影響半導(dǎo)體工業(yè)的未來 “CMOS工藝仍然將繼續(xù)存在10年的時(shí)間。”Intel公司技術(shù)和制造部副總裁Edward Y. So表示。隨著IC物理尺寸的逐漸減小，對新型半導(dǎo)體材料和工藝的研究開始正式步入領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商們的未來攻關(guān)課題。在新材料進(jìn)展方面，高K值、低K值、SOI等的研究目前還屬于一個(gè)非常前沿的研究階段，而工藝上的進(jìn)展卻從未停止前進(jìn)的腳步。繼TSMC、UMC等代工廠相繼進(jìn)入130nm和90nm 300mm晶圓的量產(chǎn)之后，位于新加坡的Chartered Semiconductor公司也開始計(jì)劃在2005年第1季度投入130nm 300mm晶圓的生產(chǎn)。而與此同時(shí)，以Intel、TI和UMC等為代表的公司已投資45nm工藝的研究。
而隨著新材料和更深亞微米工藝的發(fā)展，它們對半導(dǎo)體工業(yè)的影響也越來越大，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)更復(fù)雜，在130和90nm工藝以下信號完整性、IR壓降、噪聲和交叉干擾更難以控制和功耗將開始出現(xiàn)大幅上升的情況。“傳統(tǒng)的代工業(yè)務(wù)只關(guān)注工藝技術(shù)本身，而現(xiàn)在隨著SoC的進(jìn)展，已經(jīng)要求整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同配合，”UMC的CEO Jackson Hu博士說，“這其中包括代工業(yè)需要了解系統(tǒng)的需求，掌握如何進(jìn)行數(shù)字和模擬分區(qū)、如何進(jìn)行硬件和軟件的分區(qū)，還包括諸如功率的考慮、成本問題以及整體系統(tǒng)的性能等。” 同時(shí)，為了規(guī)避SoC的復(fù)雜度，業(yè)界提出了將SIP作為SoC替代方案的呼聲。SIP是指將各種功能芯片集成到一個(gè)封裝中，從而將其中芯片的復(fù)雜度降低。
一項(xiàng)調(diào)查顯示，1995年掩模和設(shè)計(jì)的成本只占據(jù)整體的13%，而現(xiàn)在這個(gè)比例已升高到62%，IP在提高設(shè)計(jì)速度，降低成本中將發(fā)揮越來越重要的作用。 “至2010年，IP的使用率將超過90%，基于IP的設(shè)計(jì)策略日益重要。”Synopsys的CTO Raul Camposano博士表示，“而同時(shí)存在的問題是如何解決IP多樣性，這就需要建立標(biāo)準(zhǔn)的平臺和開放式的數(shù)據(jù)庫。”作為解決措施之一，業(yè)界正尋求通過建立IP標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會來克服這一個(gè)棘手的問題。部分公司開始和代工廠合作提供更詳細(xì)的IP信息，或與EDA公司合作提供已經(jīng)過驗(yàn)證的IP，盡管如此，IP的標(biāo)準(zhǔn)化仍然是個(gè)很大的問題。
同時(shí)，他也指出，未來的設(shè)計(jì)方法將進(jìn)一步擺脫傳統(tǒng)的由上至下，或由下至上的方法，而轉(zhuǎn)向?qū)哟位脑O(shè)計(jì)方法。“功率將是最大的困難之一，尤其在90nm以下的工藝條件下。”他強(qiáng)調(diào)道，而這對功耗建模和分析、時(shí)鐘門和樹的優(yōu)化以及動(dòng)態(tài)電壓都提出了更嚴(yán)格的要求。 很明顯地，EDA工具的進(jìn)展也嚴(yán)重制約著半導(dǎo)體工業(yè)的未來。EDA的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在更高級的描述語言和全集成的驗(yàn)證環(huán)境，以及如何將模擬功能集成到數(shù)字電路中。值得一提的是一些新興型公司在EDA工業(yè)中的創(chuàng)新作用。Atrenta開發(fā)了一種可在RTL級設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)已近成形芯片設(shè)計(jì)問題的工具SpyGlass。“很多時(shí)候都是在芯片幾近完成時(shí)才會發(fā)現(xiàn)在測試性能、時(shí)鐘域、同步或異步邏輯上的很多問題，但這太遲了，并造成巨大的資源浪費(fèi)。”Atrenta的高級副總裁Ghulam Nurie表示。該公司通過邏輯虛擬原型技術(shù)介入到IC的邏輯設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段，從而實(shí)現(xiàn)在IC設(shè)計(jì)的前端解決后端可能會發(fā)生的問題。