在可能被稱作“后摩爾定律”的時代,芯片和半導體設備制造商走到了十字路口。

按照著名的摩爾定律,過去四十年里半導體產業無情地追求等比例縮減,這在未來將會成為一個非常難實現的目標。

但在日前(July 15-17)Semicon West設備展上,出現了一些不同的聲音,看來是到了重新考慮等比例縮減,并想出其他增加半導體器件價值方法的時候了。

盡管Intel和IBM這樣領先的IC制造商仍然遵循摩爾定律(Intel已經部分超越了其創始人Gordon Moore的等比例縮減公式),但它們也都開始著手考慮縮減極限的問題。這一極限不僅是技術上的,同時也是經濟上的。

在Semicon West上,芯片制造商面臨著無情的市場壓力,生產工具需要將晶體管柵極的物理長度降低至22納米,工業界巨頭們發出了一致的聲音:雖然還在追求尺寸更小、密度更高的器件,但僅僅為了等比例縮減而繼續微縮已經沒有意義了。

“一直以來都是經濟原因在推動,”IBM系統與技術集團CTO及IBM fellow Bernie Meyerson介紹說。

“摩爾定律表明,每12到18個月需要將芯片的密度加倍[為了實現等比例縮減]:這其實是經濟問題,而不是技術問題。”

現在進行等比例縮減的代價變得非常高,尺寸已經接近單個原子,而原子無法縮減。這些事實正促使工業界開始考慮“超越CMOS,”僅僅是因為“進一步縮減會引起更大的功耗,[器件]會更加昂貴并且運行更慢,”Meyerson說。

因此工具供應商開始尋找其他方案。作為提升芯片價值的一部分,出現了像用于三維封裝的穿透硅通孔(TSV)制造工具。

微機電系統(MEMS)也在考慮范圍。“化合物半導體、TSV和MEMS是可以實現量產的最新技術,這些都受到消費類電子產品驅動,”Aviza Technology的總裁兼CEO Jerry Cutini介紹說。

三個驅動力

Intel Corp.移動集團副總裁兼系統級芯片實現集團總經理Gadi Singer在其主題演講中認為,摩爾定律是一個鮮活的有機組織,每隔一段時間就需要進行更新,但其本質是相關的。“有三個驅動力推動芯片的增長——互聯網、互連和摩爾定律,”他這樣介紹。

Singer提到一類新的智能化、柔性、質輕并簡單的消費產品就是這三個驅動力的直接結果——可能集成在手持設備中的系統,擁有十億移動互聯網用戶。“目前互聯網都是固定用戶,”他說。“從現在開始五年內,這些人都將成為移動用戶的重要組成部分——我們已經在像Apple的iPhone,以及Nokia和Samsung的最新手機中看到了這一趨勢。”

Singer提醒聽眾“從開始研發到進入量產新技術通常需要十年時間。我們現在正處在這樣一個十年循環的中期,將要提供高度個性化的消費電子產品,需要在低功耗工作并可處理大量的數據傳輸,這些對Web的上下鏈路都很重要。”

Singer還指出了“千禧年一代”的社會現象——誕生于1980年代的年輕用戶(80后)——他們通過像YouTube這樣的網絡平臺共享他們的生活,并且他們通過互聯網上載他們的經歷。“作為兩個孩子的家長,我并不認為這樣的共享是完全正確的,然而,這種現象確實存在并會增長下去,”他這樣說。

Singer認為生產下一代智能IC的關鍵在于合作。向處理器模塊中加入功能模塊將使系統級芯片通過模擬界面與外界世界連接,而無線電路則使其“可以連接”。這是實現新“超越摩爾定律”系統芯片的一個途徑。

下一個機會

感謝全球計算機市場的強勁需求、其戰略性R&D投資、制造工藝改進和良好的執行力,Intel可以盡享當前商業戰略的果實,然而像Singer這樣的高層管理人員已經開始尋找下一個機會。

“如果我們的Atom芯片已經是一個成熟的設計了,在1-GHz運行時功耗僅是前代處理器的十分之一,”他說。“未來的處理器將在板上集成Centrino無線電路。”并且會向“要求合作”的方向發展,Singer這樣介紹。

IBM的Meyerson也強調了預研性的R&D。“我們必須站在歷史的角度考慮所有的挑戰,并為更好地開發新技術而進行合作,”他說。

Meyerson指的是大量與工業界、學術界和政府合作的研發聯盟,其中IBM起到核心的作用,這些聯盟包括最近剛剛公布的$1.5 billion投資,旨在紐約進行“超越CMOS”的技術研究。該州投入了另外$140 million。該計劃將與University of Albany的College of Nanoscale Science and Engineering和Rensselaer Polytechnic Institute合作,共同打造一個半導體封裝中心。

預研性的合作也是升級版2008年國際半導體技術藍圖一整天公開會議之后的議題。12月初在韓國首爾通過終稿后,ITRS 2008升級版將在當月月底在線發布。

預研的苦惱

ITRS會議上最后一個小組討論的題目是“價值鏈能跟得上發展藍圖么？”,主席是Semiconductor Industry Association的總裁George Scalise,他號召代工廠、器件制造商和EDA工具提供商進行合作。“對我來說如果從驚人的成本角度考慮,預研性的R&D非常必要。但如何才能實現呢？”他提出了這一問題。

位于比利時Leuven的IMEC可能是目前世界上最成功的研究聯盟,其首席運營官Luc Van den Hove也參與了這個主題討論。“我們建立了集中的研發平臺可以與各成員共享,他們可以各取所需,在他們各自的領域中進行競爭開發,”他介紹說。

在Semicon West上,IMEC宣布Qualcomm加入了其3-D集成項目。該技術研究項目聚焦于三維晶圓級封裝和3-D疊層IC,并提供深入的技術優勢、成本、挑戰和解決方案內容。該項目還包括三維設計領域IP和工具的開發和演示。

“我們與IMEC展開合作,是因為他們在研究和技術上的專業知識可以幫助我們在產品中加速實施3-D設計,” Qualcomm CDMA部門的資深副總裁和總經理Jim Clifford這樣介紹。IMEC 3-D集成項目的其他合作伙伴是Amkor, Infineon, Intel, Micron, NEC, NXP, Panasonic, Qimonda, Samsung, STMicroelectronics, Texas Instruments和TSMC。

三維系統級封裝設計“并沒有完全搞清楚,”Xilinx Inc.的副總裁和首席技術官Ivo Bolsens說。“與其他人在R&D上合作是好事情。”

LSI Logic Corp.的執行副總裁和首席技術官Claudine Simson向代工廠和EDA工具供應商在另一個合作話題上提出了挑戰:“開放你們的工具和模擬流程,這樣我們這些器件制造商才能更快地生產我們的芯片。”

她號召對前端設計和fab-to-fab交互操作性感興趣的所有關聯方之間展開合作。“如果整個工業界不開放那些可以提高我們總體產率的IP,那么合作將不會有什么效果,”Simson這樣認為。她的看法得到了代工廠Jazz Semiconductor的主席兼CEO Gil Amelio得響應。“我們必須清除供應鏈上的冗余,并且我們需要分享這些經驗,”他說。“實現這一點,我們需要在共同R&D計劃上明智地運用資金,之后針對客戶的需求對產品進行區分。”

當然,Amelio并不是要讓出公司皇冠上的寶石:“我們在鍺硅領域擁有很多很多的專利,我們花了很多錢來開發這些IP,我們很珍視并且并不會輕易共享,”他說。

EDA工具供應商Mentor Graphics Corp.的主席兼CEO Walden Rhines也同意這一點,認為共享獨立開發的知識產權比較困難。“我認為推動的力量將來自IP供應商,當他們變得更強時,就會作為客戶強迫代工廠與之合作。ARM已經在這么做了,”Rhines說。