从硅谷看半导体产业的机遇与挑战

不久前，我应Globalpress Connection公司之邀，前往硅谷的Monterey参加半导体业界的盛会――Electronics Summit 2004。这次峰会给我留下了三个印象：首先，半导体产业的复苏在真实的发生着，那里的人们有着灿烂的笑容，犹如硅谷的阳光。但同时他们也十分谨慎，并更加重视“经济性”这个词。他们无时无刻不在揣摩这次复苏能持续多久，下一个冬天又会何时降临？

其次，这些电子产业的领导者们都认为复苏后将迎来数字消费电子发展的黄金年代。在整个会议的首场演讲中，索尼(Sony)集团公司的资深顾问Tsugio Makimoto博士就断言：“数字性消费电子产品将继电视和PC之后，引领电子产业的第三次革命。”在后面几天的会议中，绝大多数半导体公司都对Makimoto的言论表示附和。也正因如此，中国受到了前所未有的关注。

再者，半导体产业转向90nm的脚步已经加快，但仍有一些悬而未决的因素阻碍了90nm的规模开展。并且，ASIC和FPGA之间的对决仍在继续，机遇与挑战对双方同样成立，尤其是在进入90nm以后。

数字消费电子引领产业发展的浪潮

Makimoto在分析电子产业的沿革历程时认为，电子产业发展至今经历了三次浪潮：70年代到80年代，AV产品引领了模拟家电的发展，MCU和双极IC是关键的半导体器件；80年代到90年代，PC掀起了数字化浪潮，那时DRAM和MPU产品是产业的风向标。

“进入2000年后，PC市场数量仍旧持续增长，但由于半导体器件成本的降低，收入已保持稳定，预计2004年整个PC产业的发货量超过1亿台，收入超过1,200亿美元。未来几年的PC发货量或许会有小幅增长，但其销售金额将稳定在1,300亿美元左右。”Makimoto说，“尽管PC仍是整个电子产业的支柱，但在2005年后将被数字消费电子所赶超。也就是说，数字消费电子将掀起电子产业的第三次发展浪潮，而模拟家电产品转向数字化将是这次浪潮最明显的特征。”

Makimoto引用了来自不同渠道的市场数据来佐证他的观点。其中，Nikkei Market Access和CIPA的有关数据认为，2004年全球数码相机的发货量将超过6,000万部，比2003年增长50%；JEITA公司的数据认为全球模拟VCR的销量将继续下滑，而DVD和可录式DVD的销量则放量上涨，其中可录式DVD播放机的发货量在2004年将超过1,000万台；在数字电视方面，WestLB投资公司认为2006年，日本的数字电视比率将超过40%，而到2011年日本将有1亿台电视需要数字化，直接的经济效益达2万亿美元。

Makimoto继续说：“在那以后，机器人将建立和驱动IC设计的第四次浪潮，集成了传感器和启动器的设计将引起智能驱动器件的盛行。”

“除此以外，IPV6和基于各种互连标准的产品也将成为热门市场。”台联电(UMC)公司首席执行官胡国强补充说。

半导体业界慎重对待机遇与挑战

买方市场特定的游戏规则将这些压力部分地转移到了半导体芯片供应商那里，促使电子产业的上游玩家们更大限度地降低芯片成本，提供更丰富、更加灵活的产品方案与支持服务。可编程处理器内核供应商Tensilica的首席执行官Chris Rowen坦言说：“随着整个产业对成本和产品上市时间日趋敏感，我们必须花相当大的力气去解决更多的问题。”该公司的Xtensa处理内核已被安捷伦、Bay等多家网络处理器供应商所采用。

同时，降低成本这一目标驱动着半导体工艺技术向深亚微米迅速发展，但更深亚微米工艺技术将对整个产业带来深远影响。首先，线径的减小会增加漏电流和绕线电容量，同时漏级与源级之间载流子的移动性也会降低，这意味着半导体器件的功耗会增加，而这种现象在进入90nm后会更加明显。

“整个产业确实已向90nm大步迈进，但首要问题是如何提高载流子的迁移速率。”Gartner Dataquest公司副总裁兼新兴技术和半导体首席分析师Bryan Lewis说，“在过去多年里人们习惯了采用晶体栅格，但如果想得到更高的迁移速率，就必须摈弃硅而采用砷化镓，或者硅锗化合物。”

并非所有的人都赞同Lewis的观点，尽管许多公司都早已开始研究并推出了基于砷化镓或者硅锗的器件，但反对者认为未来5年内这些新材料使用的规模并不大。

其次，由于SoC设计变得更加复杂，片上需要多个电压门限，以控制不同的片上模块。这就对片上时钟控制与电源管理提出严峻的挑战，反过来对工艺技术的要求也就越高。即便如此，SoC设计仍具有许多不确定性，首当其冲的就是信号完整性问题，因为片上多模块的集成会衍生更多的噪音，引发更多的信号串扰。

除了上面的技术难点，芯片设计的可操作性问题也非常突出：设计周期越来越短，工艺设备、设计与测试工具、掩膜费等工程费用也越发昂贵，这些都令芯片供应商苦苦思索对策。“出于这样的局限性，SIP(系统封装)可能是条出路。”台联电的胡国强说。

索尼的Makimoto也持相同观点，但他认为SoC适合大规模应用的市场，而SIP只适合中低数量应用的市场。“随着产品生命周期的缩短，ASPP(Application Specific Programmable Product)将出现并占领相当的市场。”他继续说，“索尼的VME(Virtual Mobile Engine)就是这样的产品。它的功耗只有4mW，不到DSP的1/4，还具有灵活编程的特性，可满足日后的在线升级。我们采用它设计出的网络随身听产品可录制11张CD，连续播放时间长达33小时。”

可编程性越发重要

接下来，Makimoto还突出强调了灵活编程的重要性。他说：“现场可编程能力将是未来器件的基本功能，因为产品上市时间和产品生命周期越来越短。”

可编程器件供应商当然表示赞同。“以汽车为例，由于整个汽车产业中有40多个标准，因此灵活性将是最基本的要求之一。”该市场领先供应商Xilinx公司全球市场副总裁Sandeep Vij说，“接口标准化是FPGA大量应用的推动力量，多种新技术和标准的频繁涌现，将使FPGA的生存空间上升。

Tensilica的Rowen甚至认为可编程器件市场每年的增长率为65%。他说：“业界总是在选择最能满足需求的一方，同时也刺激半导体产业的不断向前发展。”

AMI公司的首席执行官Chris King则反驳道，ASIC的经济效益将使其占据市场主动。她举例说，如果一个FPGA设计的成本是100美元，那用ASIC实现的成本不到40美元。“如果我是设计师，我或许喜欢采用FPGA来设计，但我更加想通过一种经济有效的方式将FPGA设计变成硬件实现。”她说。

但支持FPGA的人表示ASIC的工程成本实在太高，尤其是进入90nm后，基于单元的ASIC总体设计成本(包括工程成本和掩膜成本)将增加20%。

“EDA工具费用的昂贵为FPGA带来更多的生存空间。现在，FPGA不仅能做高性能、高密度的工作，我们还对架构进行了很多改进，来降低成本和功耗。”Altera公司的首席执行官John Daane说，“新兴的IP公司也将更多的资金投入到FPGA的环抱。使客户能加快系统设计和调试周期，这是ASIC无法相比的。”

“目前的现实是越来越多的ASIC设计团队转向FPGA。你或许没有觉察，但这确实在发生。”Xilinx公司副总裁兼先进产品分部总经理Eric Goetting补充说。

不过，普遍的看法是ASIC和FPGA这两种产品市场都有自己的生存市场。因为选择ASIC还是FPGA跟设计难度有关，基于单元的复杂ASIC设计，由于成本和复杂度的增加，将限制其设计数量。但FPGA则相反，因此FPGA将在新设计的数量上占优势，而平台级ASIC产品在销售收入上占主导。“在2007年以前，FPGA都将保持年均16.6%的高速增长，市场规模接近40亿美元。”分析师Lewis说，“ASIC增长速度仅为6.5%，但市场规模达220亿美元，仍领先于FPGA。而ASSP的市场将达610亿美元，年均增长10.2%。”

FPGA与ASIC的楚汉之争

事实上，FPGA与ASIC供应商都在认真研究OEM买家的需求，以赢得市场主动。其中，降低成本和功耗是他们的首要目标。

“我们很看好消费电子市场，Hardcopy就是为这些客户量身打造的。目前，逻辑单元成本每年下降的速度已达到25-30%。”Altera公司的产品发展部副总裁Robert Blake说。

“但FPGA必须解决功耗问题，尤其是要想进入消费电子市场，功耗挑战十分艰巨。”ARC国际公司的副总裁David Fritz说，“而逻辑单元的漏电流会使功耗问题更加严峻。”

Blake对此表示：“90nm工艺需要重新搭建FPGA的内部架构，迫使我们重新思考Stratix架构，因而诞生了StratixII。它带有自适应逻辑模块，允许灵活的输入方式。”

ESilicon公司的主席兼首席执行官Jack Harding和Xilinx公司的Goetting则认为ASIC供应商会更加紧张功耗问题。Goetting说：“这对ASIC供应商而言也是挑战，因为他们有大量不能关掉的晶体管。”

另外，FPGA和ASIC供应商还争相发展平台级产品。FPGA供应商采用了两种策略，其中之一采用了PowerPC或ARM一类的嵌入式硬处理器内核；另一种则采用了Nios或MicroBalze之类的软核。不过各家公司的做法不太一样。Xilinx将PowerPC内核放在了几乎所有的Virtex-II产品中，而Altera则仅当客户需要时才将ARM内核放入其产品。

而越来越多的ASIC供应商也开始发展平台级ASIC，这样可以大量采用设计复用。但这些[平台级ASIC主要分为三种：基于阵列、基于单元，或是单元+PLD。Gartner的Lewis认为：“基于阵列的平台ASIC设计将成为主流。2003年诞生的平台ASIC几乎都采用了这一架构，2007年的数量更将超过80%。”

就在Summit召开的同时，Chip Express、Lightspeed、Synplicity和Tera Systems公司联合成立了结构性ASIC协会，目标是促使结构性ASIC产品成为半导体产业的中流砥柱之一。该协会声称他们设计的复杂ASIC的成本比标准单元器件少25%左右，比复杂FPGA少90%。

作者：肖平