最近世界半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展特點漫談(下)

存儲器迎來新時代

半導(dǎo)體存儲器自30多年前上市以來，歷經(jīng)變遷，今天迎來了新時代，存儲“位”的需求將無限擴大。1971年Intel公司開發(fā)出1Kb DRAM，開創(chuàng)了DRAM歷史，70年代美國公司順理成章，君臨天下。進入80年代，大型計算機市場擴大，DRAM技術(shù)要求十分殷切，以此為契機，日本DRAM公司乘時而起。DRAM技術(shù)要求較低，勝負在于大量生產(chǎn)技術(shù)，這正是日本公司的強項，美國以Intel公司為代表轉(zhuǎn)向了技術(shù)更高的MPU，因此，80年代成了日本半導(dǎo)體業(yè)的黃金時代，80年代中期日本不僅獨占世界80%的DRAM市場份額，且在半導(dǎo)體業(yè)整體上也超越美國，占有半壁江山。

世界跨進90年代，大型機銷售趨淡，PC火爆，從而引起了DRAM生產(chǎn)的又一次巨大變化。日本生產(chǎn)的是高質(zhì)量DRAM，當時要求保證工作25年，但PC對DRAM的質(zhì)量要求沒有這樣高，而降低成本、提高產(chǎn)量才是成功的關(guān)鍵。韓國以及我國臺灣地區(qū)就是在這樣的形勢下乘時而起，到1998年韓國即趕過日本，成為世界第一DRAM生產(chǎn)國以迄于今?？偨Y(jié)韓國取勝之道有三，即經(jīng)營、戰(zhàn)略和成本競爭。

iSuppli公司預(yù)測，以256Mb DRAM作單位計算，2006年世界共生產(chǎn)DRAM  114億塊，2007年可達185億塊，2010年可望增長到626億塊，2006~2010年的年均增長率高達53%。公司同時表示2006年世界DRAM產(chǎn)值為339億美元，2010年將達457億美元，年均增長率7.7%。

iSuppli公司CEO Derek Lidon日前在韓國首爾的數(shù)字化論壇上預(yù)測，未來中國大陸/臺灣或?qū)⒊巾n國。2006年韓國以三星和Hynix公司為代表所生產(chǎn)的DRAM，在世界市場上以產(chǎn)量計占45%，而中國大陸/臺灣的生產(chǎn)合計占17%。2007年韓國續(xù)增到占47%，中國大陸/臺灣占31%，其他地區(qū)占22%。但從2008年起差距將逐步縮小，屆時中國大陸/臺灣將增至35%，韓國略減到46%，并預(yù)期2010年前者有可能在生產(chǎn)上超過后者。

自DRAM市場1996年崩盤之后到2001年間半導(dǎo)體設(shè)備投資主角是以Intel為代表微芯片廠商，但自2002年微芯片加工工藝逐漸逼近界限，而以NAND flash為代表的存儲器投資比重卻日益增大，近年其比重在整個半導(dǎo)體投資中已超過了40%(圖6)，各主要存儲器公司的投資額如表2所示(表2)。投資是半導(dǎo)體存儲器發(fā)展的重大牽引力。

圖6 存儲器的投資比重

DRAM公司最近雖在開發(fā)數(shù)字家電和移動電話等方面的應(yīng)用，但對PC的依存仍然過大，約占其生產(chǎn)的60%，故其命運隨PC而沉浮。NAND閃存則是替代DRAM以外的其他存儲媒體而發(fā)展壯大起來的。例如已大量取代膠卷的存儲卡就是NAND閃存，PC中的軟盤和CD-R/RW也都在為NAND閃存所取代，USB存儲器的本身就是NAND閃存，最近熱銷的Apple公司iPod系列也正配置NAND閃存，它的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及移動電話、PC、數(shù)碼相機、便攜音頻產(chǎn)品、游戲機、攝像機等。

NAND閃存自2003年以后，產(chǎn)值急劇擴大。90年代它的產(chǎn)值不過DRAM的百分之幾，到2006年已占DRAM生產(chǎn)的34%，二者產(chǎn)值分別為320億美元和110億美元(圖7)。

圖7 世界DRAM和NAND閃存的生產(chǎn)

現(xiàn)在生產(chǎn)NAND閃存的公司最大的要算韓國三星，獨占世界生產(chǎn)50%以上，其次是日本東芝占20%，其后依次為韓國Hynix、日本Renesas、美國Micron公司、意法ST公司和德國Infineon公司等。NAND閃存大公司如三星和Hynix都是在一條生產(chǎn)線上同時生產(chǎn)NAND閃存和DRAM，這樣便可根據(jù)市場的需求情況靈活加以調(diào)節(jié)。

NAND flash隨著存儲容量的擴大，并以價格為武器(它的降價速度保持在每年40%的速度)，積極侵蝕硬盤市場，有稱它為“未來的硬盤”和生財?shù)摹皳u錢樹”，因而原先生產(chǎn)NOR閃存的大公司如Intel的閃存部分已與Micron合并，建立NAND閃存生產(chǎn)公司。原在NOR市場上與Intel較勁的美國Spansion公司也于2006年年中進入NAND市場。

Moore定律繼續(xù)有效

Intel公司創(chuàng)始之一Gordon Moore于1965年在一篇文章中提出的所謂Moore定律，開初說每一集成電路上以晶體管數(shù)為代表的集成度每年翻一番，后來因速度放慢，變?yōu)閮赡攴环?。這一定律40多年來被事實所證明是正確的，成為IC業(yè)發(fā)展經(jīng)典。近年也有人提出質(zhì)疑，認為已達不到這一速度，但Intel公司堅守這一原則，并認為還會繼續(xù)下去。

Intel 當初提出這一定律時集成電路上的晶體管也就100個，到了2004年的公司產(chǎn)品(itamium2)即達到5.9億晶體管，并預(yù)計2010年將達到10億個(圖8)。集成度的急速提高，使集成其上的晶體管單價按指數(shù)關(guān)系下降，1968年到2004年晶體管單價大約下降了6~7個數(shù)量級。

圖8 集成電路的集成度發(fā)展

此外，說是產(chǎn)品生產(chǎn)的微細化也是按著Moore定律在2年1代地發(fā)展著，1999年是180nm時代，2001年130nm時代，2003年90nm時代，2005年65nm時代，2007年將是45nm時代，預(yù)計2009年則將是32nm時代。微細化發(fā)展一代，芯片面積約縮小一半，這是微細化所帶來的經(jīng)濟性。

圓片面積大口徑化，從150mm、200mm正積極轉(zhuǎn)向300mm，這一尺寸或許會使用長久一些，而后再向450mm過渡(參見圖2)。
　　
代工業(yè)發(fā)展迅速

代工業(yè)在半導(dǎo)體業(yè)中的地位年年提高。據(jù)世界第一代工公司臺積電報道，上世紀90年代大多時間代工業(yè)產(chǎn)值在半導(dǎo)體業(yè)中不過占10%的樣子，最后幾年快速提升，到2000年已占到20%，2010年將提高到35%(圖4)。(但我們按WTST的世界半導(dǎo)體產(chǎn)值計，1993年代工業(yè)占9%，2006年也不過占10%。)。世界代工業(yè)產(chǎn)值據(jù)臺積電的估計，2006年在200~250億美元之間，預(yù)計2010年可望達500億美元(依SIA預(yù)測2010年世界半導(dǎo)體產(chǎn)值將達到3000億美元以上，那代工業(yè)占17%)。臺積電預(yù)測2005~2010年世界代工業(yè)的年均增長率可達到20%左右，遠高于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的6. 1%.

代工業(yè)經(jīng)營不易，投資巨大，臺積電公司每年的設(shè)備投資近30億美元，2006年在26~28億美元之間，每年的研發(fā)費4億美元，全部用于制造工藝上。

圖 9   世界代工業(yè)的發(fā)展

公司的工廠規(guī)模很大，月投產(chǎn)8~10萬片，投資這樣的工廠需60~100億美元，一般集成器件制造商(IDM)恐不易做到，只有微處理器和存儲器大公司才能做到。臺積電公司從從0.5μm工藝做起，經(jīng)過0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm、90nm，2006 年進入65nm的量產(chǎn)化，2007年將開始45nm的量產(chǎn)。

Power  is  god

產(chǎn)業(yè)全球化成為潮流，人們經(jīng)歷了網(wǎng)絡(luò)社會和互聯(lián)網(wǎng)社會并將從Ubiquitous(隨時可用計算機)社會向Ambient(環(huán)境保護)社會前進。計算機的應(yīng)用更加深入人們的生活，同時環(huán)境保護已成了人類生活在地球上的共同課題。

圖10  世界信息技術(shù)的發(fā)展

在走向環(huán)保社會時，節(jié)能無疑是關(guān)注焦點之一。據(jù)報道，電子信息技術(shù)所消費電力約占世界總消費電力的14%，次于發(fā)動機(51%)、照明(19%)和空調(diào)(16%)而居第四。此外，能源成本也成為電子設(shè)備的主要問題。日趨便宜的PC，其5年時間所消耗的電力成本有可能超過PC本身。且所用能源也很大；10億人每天使用100W的PC5小時，那么一天消費電力就需5億度，一年即達2000億度電。因此，發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已不能只考慮性能的提高，而且要注意到節(jié)能。

今天消費者對便攜電子產(chǎn)品要求更多的功能、更高性能的同時，還希望產(chǎn)品能做到更加輕薄、功耗更低，以便使用時間更長。Power is god(能源是上帝)。這對芯片制造商還是電源生產(chǎn)廠都提出了更高的要求。

圖11 邏輯電路和模擬電路的驅(qū)動電壓

與此同時，人們也的確看到了電路的驅(qū)動電壓正不斷走低。功耗與速度是有矛盾的，速度要求功耗，解決之道是微細化，我國一位專家稱，一般線條減小一半，速度提高4倍。事實正是這樣，數(shù)字邏輯電路的不斷微細化，其驅(qū)動電壓已突破了1伏關(guān)口，而模擬電路和微細化不如邏輯電路，當它們的加工工藝為180~130nm時，電壓為2.5~1.8V，最近有達到1.2V的，盡管有困難，還在向1V挺進(圖11)。由于在系統(tǒng)芯片上是數(shù)?；旌系?，故此模擬能否突破1V成為人們議論的問題。