半导体

半导体是一类电阻介于导体和绝缘体之间的材料。半导体的电导率在导体和绝缘体之间,可以通过外部电场或温度改变而调控。半导体材料在现代电子学和计算机科学中起着至关重要的作用。 半导体技术的发展推动了现代电子设备的创新,对信息技术和通信领域有着深远的影响。

对于芯片制造商来说,原本的市场是你只需制造几种产品,但是每样的销量都有非常巨大的规模,但在新的市场里,你需要制造巨多种类的产品,每种只能卖几十万件。这无疑是在形容新兴的物联网市场。

自上世纪40年代第一根晶体管诞生以来,半导体产业在全球已历经70个年头,作为一位“古稀老人”,半导体产业近年来也不可抗拒的隐隐露出疲态。这种增长速度的放缓主要拖累于产业迈入了所谓的“两后时代”。

后摩尔时代: 由于同样小的空间里集成越来越多的硅电路,产生的热量也越来越大,同时当芯片线路的量级在10nm以下的时候,电子的行为受限于量子的不确定性,晶体管将变得不可靠。而国际半导体技术路线图已经抛开摩尔定律,这预示着摩尔定律的死亡。

后PC时代: 在应用市场,先是PC及消费类电子产品需求在移动智能终端的冲击下由盛转衰(全球PC销售量在2015年进一步衰退10%),现在,连维持多年长红的手机产业也难逃厄运。苹果销售额出现13年来的首次下降,LG手机业务连续三个季度遭遇亏损等等。

但幸运的是,硬件的计算能力并不能代表一切,半导体行业正在开始出现新的特征。

半导体行业发展的新常态

并购重组频繁

2009年,NEC与瑞萨合并成立新瑞萨,该年AMD出售晶圆生产线转型为IC设计企业,世界第三的晶圆代工企业Global Foundries也同期成立;2013年,美光收购尔必达一举成为全球第二大存储器厂商,该年Avago斥资66亿美元收购LSI,此外,MTK与Mstar正式实现合并;2015更是半导体行业的并购大年,5月,安华高科技(AvagoTech)收购博通公司(BroadcomCorp.);6月,英特尔购可编程逻辑芯片巨头Altera;8月,紫光集团又通过西部数据收购全球领先的存储芯片厂商SanDisk。

行业秩序变革

虽然摩尔定律是戈登·摩尔根据自己的观察做出的预测,但是半导体行业确实在按照这个定律飞速发展。然而从今往后,这个行业不会再像之前一样具备每两年发展规划的明晰路线。在物联网趋势的冲击下,现有的行业秩序正在发生变革:

电子与半导体产业对IoT应用一直寄予厚望,并且投注大量资源开发相关应用——这是因为半导体产品原来主要应用于PC和手机,但是二者的数量已经到达了一个瓶颈,而物联网时代将产生数以百亿计的连接设备,每台设备都需要相应的芯片。而且不同于PC和手机,很多物联网终端不需要太强的本地计算能力,所以半导体厂商不用在硬件的物理极限上狠钻牛角尖,新的市场和解决思路出现在眼前——软件与硬件的结合越发紧密,这将开创一个全新的时代。
在这种新常态下,云计算、软件,以及全新的计算架构将成为未来计算技术进步的关键。

一、云平台帮助半导体硬件厂商快速布局物联网

爱荷华州大学的计算机科学家丹尼尔·里德说:“对于芯片制造商来说,原本的市场是你只需制造几种产品,但是每样的销量都有非常巨大的规模,但在新的市场里,你需要制造巨多种类的产品,每种只能卖几十万件。”

这无疑是在形容新兴的物联网市场,随着物联网爆发式的发展,2015年底全球的连网装置已经超过49亿个,未来还会更多,从半导体元件到软件到应用再到服务,整个产业链都将受惠于此。消费领域、工业领域、医疗领域产生的新式联网设备将推动市场对新式芯片产生大量的需求,由此为未来半导体发展提供新的增长点。

降低硬件成本

而这种情形要想得以实现,只有在设计和生产非常便宜的情况下才可以持续下去。而云平台的诞生,则大大降低了硬件成本。

为什么这么说?一方面,原来做智能设备,需要把计算能力放到本地,这就要求设备安装高性能的芯片,成本非常之高,但是云计算的诞生把本来需要在本地进行的运算放到云端,设备只需要有传输数据的能力即可;另一方面,云计算的诞生让一些企业尤其是中小企业不必自己购买服务器等基础设施,直接购买云计算服务即可,也大大降低了成本。

“云计算可将硬件成本降低40倍,谷歌如果不采用云计算,每年购买设备的资金将高达640亿,而采用云计算后仅需要16亿美元的成本。”——李开复

可以说,云平台、云计算在原有的半导体产业链基础上催生出新的价值链,我们不如称之为IoT半导体产业链。利用云平台,半导体硬件厂商能快速布局物联网。

比如说如果传统品牌商想让自己的产品变得智能化,可能需要采集大量的视频数据并且上云,这个时候,物联智慧的IoT解决方案就能帮传统的家居和硬件“加上”云和APP,使其实现“智能化”的完美转身。

丰富下游应用

哪怕你的电脑没有安装一个程序,你仍然能够获得这个程序的使用结果,这就是云计算的神奇之处。

首先,因为云计算导致硬件成本的降低,让很多消费者能够购买智能硬件、可穿戴设备,于是大大刺激了厂商的研发热情,复合各种功能的新品层出不穷,这是从研发动力的角度来看。

而更重要的是技术方面,怎么说呢?举个例子,如果在没有云计算的情况下,一个厂商想设计一款可远程视频查看、语音对讲且拥有休闲娱乐功能的游戏的设备,这可能吗?根本不行,集视频传输等诸多功能于一身,且不说要多牛逼的芯片才能实现这样的计算能力,就算实现了成本得多贵?但是有了云,设备本身只需要有接收视频和解码视频的能力,其他一切功能应用都交给云端,问题就解决了。

原本技术上的难题,换了一种思路后就轻松解决,在视频行业物联智慧的Kalay云让设备更多的功能得以实现,促进下游应用大大丰富,通过对物联智慧云端功能模块的自由组合,硬件厂商因此开发出各种各样的智能产品。

例如硬件合作伙伴借助物联智慧Kalay云平台开发的远程控制可视门铃,因为和云平台连接,于是当访客按响门铃的时候,连接的摄像头就会启动并对访客进行拍照、录像,视频可直接推送至电视。当然,如果主人不在家,也可以通过手机即时查看访客信息。物联智慧本身的宽数据+窄数据同步传输通道和稳定的P2P传输能力保证了用户的优良体验。

再比如还有一些客户将Kalay云平台应用于车联网所开发的行车记录仪。通常的行车记录仪画质糟糕,并且只能将视频文件储存在本地。但是物联智慧全新的行车记录仪方案能够实现手机客户端、云端、设备之间图片影像数据的监控记录、重力感应、影像传输、影像存储、社交分享等智能跨界操作。这样一来,行车记录仪的功能就被大大增强,不但能在事故的时候取证,还能记录旅游沿途的风景,一键上传分享,真正实现车联网。

二、软硬件结合的新思路帮助半导体厂商突破瓶颈

因为摩尔定律的终结,硬件的计算能力似乎已经达到极限了,但是无比幸运的是,原始计算能力并不代表一切。汽车行业的变革是最好的范例:特斯拉的Model S并不比以前的汽车快多少,但是其在电动引擎、汽车电池组以及许多方面都取得了巨大的创新。将其类比到半导体行业,我们会发现,尽管硬件的计算能力发展速度惊人,但软件开发并未能与其保持同步。

“软件开发未能充分利用硬件的发展进步,业内仅仅是通过硬件发展的速度来掩盖软件设计缺陷。”——微软计算机技术专家查尔斯·西蒙尼(CharlesSimonyi)

软件是如此的重要,几年前甚至还有人提出软件定义世界(Software Defined World,SDW)的理论,为什么如此?

因为硬件是软件的承载——所以并不是说硬件不重要,相反,它是不可或缺的。只是和软件相比,硬件的生产能力是固定的,或者说是比较容易解决的。但是人的需求和欲望是无穷无尽的,所以才有稀缺,才有价值,而解决这些需求不可能只靠零部件的堆积,它需要设计,需要软件!

软件的优点也是显而易见的:

1、制造过程的简化

原来生产半导体设备,工艺非常复杂,但是随着3D打印的发展,只要你能把产品模型用软件设计出来,3D打印就能帮你实现。普林斯顿大学已经开发出了可打印正常功能电子电路的方法——这样制造过程通过软件设计被大大简化。

2、服务质量的提升

通过在SoC上做整合,能够让数据传输到云平台,利用云端服务做数据搜集及分析,努力提供更多元的价值服务。比如物联智慧从IP Camera等消费性电子产业与软件解决方案起始,藉由影像监控与其他智慧型装置互联的技术,延伸到一个更积极的与云端平台连结的方式,提供完整服务给所有的连网装置——实现服务质量的提升。

综上,软件的本质即是服务,正如科技网站ReadWrite撰文论述的那样:物联网的真正价值不在于“物”,也不在于“网”,而在于服务。如果没有软件和服务,硬件只是没有灵魂的躯体罢了。

所以,《自然》杂志撰文称:与以往首先改善芯片、软件随后跟上的发展趋势不同,以后半导体行业的发展将首先看软件——从手机到超级电脑再到云端的数据中心——然后反过来看要支持软件和应用的运行需要什么处理能力的芯片来支持,这是一种以软件为主导的软硬结合新思路。

就在前不久,全球顶尖的IC供货商之一瑞昱半导体(Realtek)和国内领先的物联网平台解决方案领导厂商物联智慧达成合作,物联智慧将整合瑞昱的“阿米巴”物联网模块,打造更适合智能家居的解决方案。透过这次软硬件的整合,物联智慧提出把云端代入模块的概念,并用自身宽窄数据传输的优势,从而延伸出更多的应用。

在全新的IoT半导体产业链中,深耕底层技术的芯片模块厂商无疑拿捏着产业链的命脉,但是就拿模块本身来说,仅仅是一个硬件载体,只有整合更多的软件应用才是符合万物互联发展潮流的。比如物联智慧就着重于建构一个兼容于大多数的SoC芯片的云端整合平台,而不会被单一品牌或芯片所局限,只要扎实做好与各种芯片整合的兼容技术,扩散到各类应用硬件产品后,装置连接数就能迅速的扩大——届时物联智慧不仅已整合180多颗SOC,其Kalay云端平台所搭载的物联网应用产品于今年四月正式突破1,000万,单月连接次数超过1.5亿次。

云平台以及软硬结合的新思路将为未来的半导体行业打开一扇新的大门,届时,深耕底层技术的芯片模块厂商将和做软件解决方案的厂商强强合作,优势互补,共同推进万物互联的时代!

文章来源:物联网智库

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本月早些时候公布的“2015年半导体国际技术路线图”(ITRS)显示,经过50多年的微型化,晶体管的尺寸可能将在五年后停止缩减。

该报告预测,在2021年后,继续缩小微处理器中晶体管的尺寸,对公司而言在经济上不可取。相反,芯片制造商将用其他方法增大晶体管密度,即将晶体管从水平结构,转变为垂直结构并建造多层电路。

一些人认为,这一变化相当于是宣布摩尔定律的终结。雪上加霜的是,这是最后一份ITRS路线图。

ITRS由美国发起,而后扩展到全球,已有20年的历史,现在却走到了终点。

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1971年到2016年,全球半导体行业根据摩尔定律,在电路板上容纳的晶体管数量

半导体特性不再由半导体公司决定

因为行业参与度的减少以及打算着手其他项目,美国半导体行业协会(SIA)——美国的一个贸易集团,代表IBM、英特尔以及华盛顿其他公司的利益,是ITRS的主办方之一——将离开ITRS,与半导体研究公司(SRC)合作,参与政府和行业支持的重点研究项目。

ITRS的其他参与者将以新的名义继续制定路线图 ITRS 2.0,并将其作为IEEE计划“Rebooting Computing”的一部分。

ITRS的转变似乎只是微小的行政变动。但是,VLSL公司的分析员Dan Hutcheson表示,这是行业的大地震。20世纪90年代早期,为了制定路线图,美国的半导体公司进行合作、确定共同需求,最终于1998年成立了ITRS。Hutcheson说,供应商很难知道半导体公司需要什么,因此,芯片公司就要集体制定优先次序以便充分利用有限的研发资金。

然而,按照摩尔定律的规律发展,给各个公司带来困难和大的开支,导致行业内出现重大整合。据Hutcheson统计,2001年有19家公司开发、制造装有先进晶体管的逻辑芯片。而今天,只有4家公司:英特尔、三星、台积电和GlobalFoundries(此前,IBM也属于这一行列,只是近期将其芯片制造厂卖给了GlobalFoundries)。

Hutcheson表示,这些公司有自己的路线图,可以直接与自己的设备和材料供应商交流。此外,它们之间的竞争十分激烈。

“这个行业已经变了,”ITRS的主席Paolo Gargini说,但是他还强调了其他的转变。不再自己制造尖端芯片的半导体公司,靠的是工厂为其芯片提供先进技术。Gargini还说,芯片购买方和设计方,如苹果、谷歌和高通,越来越能决定未来芯片的要求。

“以前,是半导体公司决定半导体的特性,而现在的情况完全不同。”

ITRS 2.0:摩尔定律并没有死亡

最新的这份ITRS报告的命名是ITRS 2.0。这一名称反映了计算的改进不再是来自自下而上的推动——使用更小的交换机和密度更大、速度更快的内存。相反,现在更多的是依靠自上而下的方法,注重能促进芯片设计的各种应用,如数据中心、物联网和移动设备。

实际上,在2014年4月,ITRS 委员会便宣布,他们决定重组 “ITRS 路线图”,以适应半导体行业不断发展的需求。新的 ITRS 2.0 将聚焦 7 大主题:

系统集成:关注如何从设计上在计算机体系架构中整合异构模块

系统外连接:关注无线技术
异构集成:如何将不同技术集成为一体
异构组件:MEMS、传感器等其他系统设备
非 CMOS 结构:自旋电子学、忆阻器以及其他不是基于 CMOS 的设备
摩尔定律升级(More Moore):继续关注 CMOS 元件缩小
工场集成:关注新的半导体生产工具和工艺

这次新发布的报告,就属于“摩尔定律升级”研究组的成果。

根据最近的新闻报道,新的IEEE路线图——International Roadmap for Devices and Systems——也将使用这种方法,但是会增加计算机体系结构,允许“一个全面的、端到端的计算生态系统视图,包括设备、组件、系统、体系结构和软件”。

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对比2013年报告与2015年报告可以发现,半导体体积将在2021年迎来巨变

2014年,上一份 ITRS 报告预测,晶体管微型化仍是长期趋势。该报告预测,至少在2028年前,晶体管的栅极长度——电流必须在晶体管流过的距离——以及其他重要逻辑芯片的尺寸将继续缩小。

可是,自2014年以来,三维架构的概念发展越来越快。内存产业已经转向了三维架构,以减轻微型化的压力和提高NAND Flash的容量。单片三维集成——建造多层设备,层层叠加,彼此用密集的电线相连——也成为越来越受欢迎的讨论主题。

新的报告包括了这些趋势,预测了传统芯片尺寸缩小的趋势将于本世纪20年代初终结。但是,摩尔定律终结这个观点是“完全错误的”。

Gargini 说,“媒体想出了各种方式来解释摩尔定律,但是,摩尔定律只有一个定义:晶体管的数量每两年增加一倍。” 他强调:摩尔定律只是简单地预测,给定的一个集成电路区域能容纳多少晶体管,而不管是在单层的还是多层的芯片。

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如果有哪一家公司愿意,它在2020年后也可以继续缩小晶体管的尺寸,只不过使用三维芯片要更划算——这就是报告想传达的信息。

换句话说,通过使用3D堆叠等新的技术,短期内芯片的晶体管密度将继续提高。这也是 ITRS 2.0 “持续关注CMOS 元件缩小”的原因。

物联网时代的到来,将产生数以百亿计的连接设备,每台设备都需要相应的芯片。而且,不同于PC和手机,很多物联网终端不需要太强的本地计算能力,半导体厂商并不需要继续突破硬件的物理极限,他们面前已经出现了新的市场和趋势——软件与硬件的结合越发紧密。

在这种新常态下,云计算、软件,以及全新的计算架构将成为未来计算技术进步的关键。

与以往首先改善硬件,软件随后跟上的趋势不同,以后半导体行业的发展将会呈现以软件为主导的软硬结合新思路:先看手机、物联网设备及数据中心等软件的需求,再回过头来决定支持这些软件和应用需要怎样的处理能力,并由此规划硬件的设计。

未来半导体发展

同时发生的还有其他的变化。

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ITRS预测,几年过后,在使用三维集成之前,前沿芯片公司将放弃现在用于高性能芯片中的晶体管结构:鳍式场效应晶体管FinFET(见上图)。

在FinFET的架构中,栅门成类似鱼鳍的叉状3D架构,可于电路的两侧控制电路的接通与断开。据这次的路线图显示,芯片制造商将会放弃FinFET,选择另一种晶体管——具有横向环绕栅极,有与FinFET类似的水平通道,但是被一个向下延伸的栅极包围(见下图)。

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在那之后,晶体管将变为垂直架构,通道将采用支柱的形状,或是纳米线竖立着。

传统硅通道也将被其他材质的通道取代,即硅锗、锗、来自元素周期表第III和V列元素组成的化合物。

这些变化将使得芯片厂商能在同样大的区域装下更多的晶体管,这也就遵守了摩尔定律。

报告指出,半导体行业在短期(2015 年到2022年)和长期(2023年到2030年)所分别面临的挑战将是:

短期

硅基CMOS尺寸缩小
高迁移率沟道材料的实现
DRAM 和 SRAM尺寸缩小
高密度非易失存储尺寸缩小
材料,制程、结构变化及新的应用的可靠性

长期

先进多栅结构的实现
新存储结构的研发与实现
新器件、结构和材料的可靠性
功耗下降
多种功能的集成

但是,遵循摩尔定律的精神——计算性能稳定增长——则是另外一回事。

2015年,IEEE计算机协会主席和IEEE重启计算项目的联合领导人Tom Conte表示,晶体管密度增加一倍,有时并不等同于计算性能提高。

长期以来,晶体管尺寸缩小意味着速度更快。然而Conte说,在上世纪90年代中期,晶体管数量越来越多,但由此导致的能耗也越来越大,反而导致计算速度延迟,于是工程师重新设计的芯片的微体系结构来提高性能。十年过后,晶体管的密度已经非常大了,逼近极限。芯片厂商不得不在电路板上封装多核芯片以维持情况,这也是IEEE提出新路线图的原因。

来源:物联网智库

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