半导体特征循环与可重构芯片

　　1 引言

　　1965 年，摩尔用三个集成电路产品集成度随时间的增长数据，外加1959 年的晶体管（集成度为1）和1965 年预计可推出的实验室产品（有64 个元件），用半对数坐标，外插预测到十年后集成电路的集成度将达到65,000 个元件。1975 年预测成真，随后被称为“摩尔定律”。近40 年来，“摩尔定律”作为半导体发展的指南针对整个产业的发展产生了重大影响。由此我们可以体会到总结规律、预测发展的重要意义。半导体产品是半导体技术的载体，也是半导体经济的体现。因此，总结半导体产品的发展规律，就成为另外一个重要的课题。

　　2 牧村浪潮与半导体产品特征循环

　　2.1 牧村浪潮

　　1987 年， 原日立公司总工程师牧村次夫（Tsugio Makimoto）提出半导体产品沿着“标准”与“定制”交替发展，每十年波动一次的思想，并于1991 年[2]第一次发表在Electronics Weekly上，称之为“牧村浪潮”（Makimoto’s Wave）。当时，他总结与预测的时间尺度为1957-2007 年，共五次波动，如图1（上图）所示。2001 年（一说2002年）[3]他根据新的发展形势，在原循环图上又增加了一个以soc/SiP（System on a chip/system in a package）为特征的定制波动，时段为2007-2017年，如图1（下图）所示。近年来可编程芯片的高速发展，验证了“牧村浪潮”的正确性，因而得到了Xilinx、Altera等可编程芯片商的响应，反响颇大。德国Kaiserslauterin大学Hartenstein教授甚至把“牧村浪潮” 称为“牧村定律”，认为在半导体技术逼近其极限的情况下，“牧村定律”完全可以成为超过摩尔定律的一张王牌，半导体技术也只有依靠“牧村定律”才能维持其高增长的创新速度。

　　2.2 半导体产品特征循环

　　1987 年，我们采用中德电子周报告会一篇有关半导体产品制造与应用的交叉分类方法（分为通用标准、专用标准、通用定制和专用定制四类），从“造”与“用”的对立统一运动出发，以“应用”为矛盾的主要方面，总结出了半导体产品主要特征将沿着“通用”与“专用”循环波动，每十年一次，见图2（上图）。这一提法于 1990-91 年在童志鹏院士组织编写《未来军事电子》[5]一书时，以“硅微电子产品史上的六次波动2”为子节编入。考虑到产品成熟应用并形成主流又比技术本身迟后十年，因而六次波动所对应的时间分别为1958-1968 年（半导体分立器件）、1968-1978（电视、音响等专用标准产品ASSP ）、1978-1988 （ 微处理器MPU ）、1988-1998（掩膜编程等专用电路ASIC）、1998-2008（用户可编程等电路FPGA）和2008-2018(片上集成系统SoW-亦即现在讲的SoC)，并与本书的另一子节“硅微电子发展史上的七次浪潮”（1948-58，晶体管；1958-68，SSI/MSI；1968-78， LSI；1978-88，VLSI；1988-98，ULSI；1998-2008，GLSI；2008-18，WSI）按产品成熟应用滞后技术十年的关系，在时间上一一对应起来。其中第七次浪潮（2008-18 年）所对应的通用波动（第七波），当时由于尚难确定其应用特征，因此用“ ?”表示。在2000 年[6]我们拉直了这个问号，指出其主流产品为多功能芯片（MFIC），稍后更名为“用户可重构SoC”（U-SoC），而第六波则明确为嵌入式编程芯片（EBIC），如图2（下图）所示。

　　2.3 比较

　　如上所述，我们提出的“产品特征循环”与牧村先生的“浪潮”在前六个波动大致相同。但是，我们预测时段比牧村长20 年、多两个波动[5]。其中第六个（专用）波动，牧村先生到2001 [3]（或2002）年时也才在他的“浪潮”修正中，补充了进去。我们当时用SoW（System on a Wafer）表征第六波主流应用产品，SoW就是现在讲的SoC；牧村先生则以SoC/SiP为表征。

　　其次，我们当时就同时预见到第七波（通用）的可能。但从目前收集到的资料看，第七波是否存在还有分歧：牧村先生在2003 年[4]再度修正的报告中，仍然仅仅提到第六波（定制），而Hartenstein教授则明确表示不再有新的波动了[7]。我们从他对“牧村浪潮”波形的修正中（见图3）可以看到，他把第五波（标准）的主流产品可编程改成了可重构，并把第六波（定制）修改为半浅波，以粗粒度可编程芯片为主特征。从此可以猜想到，他或许认为第五波就开始了可重构特征，而第六波不过是第五波的一个过渡而已。Hartenstein教授在可重构计算（Reconfigurable Computer）方面深有 研究，他的看法是否有道理，要在今后的发展中判断。我们之所以认为还存在第七波（通用），当时仅从发展规律上考虑到与微电子技术发展中的第七次浪潮（2008-2018，或许是传统硅微电子技术的最后一个浪潮）相呼应[5]。随后,我们从技术本身发展上认识到，可重构计算是一个难度颇大，涉及面甚广的课题，尽管当前很多人在研究，但是无论在器件结构、系统结构还是在设计方法学方面，均存在不少问题，仍有很长的路要走。我们相信，可重构计算技术的发展，终将推动主流应用进入U-soc通用波动，仅仅通过对“毛坯芯片” (Raw Chip)的配置编程就可以得到用户自定义的功能电路，从而引导半导体产业结构演变，促进不做芯片设计而专事芯片应用创新的Designless 商业模式的新兴起[8]。

　　另外，两者在在时间轴上也不尽相同。其一，起点我们之所以定于1958、1968……是考虑到虽然晶体管的发明时间是1947 年12 月，但申请专利则在1948 年，而且迟到1956 年晶体管主要发明人肖克莱才开始创办公司（日本公司也大约在此时间里才开始把晶体管用于收音机）。因此，晶体管成熟应用并成为主流约在1958-1968 年间；起点为1958年。同样，1958 年9 月TI公司Jack S Killby发明台式锗集成电路，1959 年1 月Farchild公司RobertNoyce发明硅平面集成电路，他们两人的专利申请分别迟到1964(Killby)年和1961 年(Noyce)才获得授权。因此，中、小规模集成电路作为专用标准产品(ASSP)应用于电视、音响并成为主流则大约位于1968-1978 年间；起点为1968 年。其他波动循环的主流产品与技术出现的时间对应关系，也大致如此。这里需要特别提出的是，1980 年代中出现的可编程器件（如FPGA），只是在1990 年代才逐渐成熟，并在规模应用与生产中，显示出价格优势而对ASIC形成压力。这个事实表明，产品特性循环所预示的可编程器件成熟应用并成为主流的时间段 (1998-2008)是正确的。据此，我们确有充分理由相信，嵌入式系统级芯片成熟并成为主流的时间段为2008-2018，以及随后第七波(2018 -2028)存在的合理性与合乎规律性了。ISuppli也认为牧村浪潮已经走到尽头，新一轮的“标准”波动继续驱动半导体工业增长[9]。其二，终点我们预测在2028 年，这跟我们早年关于传统硅的生命曲线研究有关。研究表明，基于近平衡态物理的硅微电子技术将于2014-2017 年进入其S曲线的拐点，发展速度明显放慢，摩尔定律失效。这时，硅微电子的创新则主要依赖于芯片设计方法学的进步[10]。