半导体特征循环与可重构芯片1

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1、半导体特征循环与可重构芯片半导体特征循环与可重构芯片1 1 许居衍1 尹勇生2 (1中国电子科技集团第 58 研究所，无锡，214035 2合肥工业大学微电子所，合肥，230009) 摘要摘要： 本文讨论半导体产品特征循环及其对产品技术发展的启示1。 分析指出， 半导体产品的主特征一直遵循着 “通用”与“专用”交替发展，每十年波动一次，目前正进入以嵌入式可编程SoC为特征的专用 （可称为专用可编程产品， ASPP）波动阶段。 同时还指出了牧村浪潮与我们提出的 “半导体产品特征循环”的共同点与分歧。根据预测，半导体产品将在ASPP发展中，向用户可重构片上系统（U-SoC, User-reconf

2、igurable SoC）方向发展，进入传统硅微电子技术的最后一次通用波动。 文中最后分析了可重构计算的发展现状和存在的问题，以及今后的发展方向。 关键字关键字：半导体产品特征循环，可重构计算，嵌入式11 引言 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 ）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

3、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 牧村浪潮与半导体产品特征循环 2.1 牧村浪潮 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” （Makimotos Wave） 。当时， 他总结与预测的时间尺度为 1957-20

4、07 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1国家自然科学基金资助项目，批准号 90307011 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

5、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。 图 1 牧村浪潮及其首次修订 2.2 半导体产品特征循环 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

6、“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2实际是七次波动，第七次当时尚未明确其特征，因此用问号表示。当时入编的各个子节标题分别为硅微电子发展史上的七七次浪潮， 硅微电子 产品史上的六六次波动， 硅微电子工业进步的五五大基础和军用装备微电子 化的四四大阶段 1 图 3 Hartenstein 对牧村浪潮的修订 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

7、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

8、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 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 20013（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

9、。 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

10、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

11、，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。 图 2 半导体产品特征循环及其首次修订 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

12、1 月Farchild公司Robert Noyce发明硅平面集成电路，他们两人的专利申请2 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

13、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

14、。 3 特征循环与可重构芯片 3 特征循环与可重构芯片 “用”与”造”的对立统一律是包括可重构 技术在内的硅产业发展的一个主线索。目前，应用 需求推动 SoC 市场产值正在以颇高的速度增长。在 这种发展背景下，至少突出了两对难以逾越的、规 律性的矛盾：其一是大家所熟知的“产品复杂度日 益上升”与“产品价格日益下降”的矛盾；其二是 正在逐渐被大家所感知着的矛盾，即在“个性化” 要求这个永恒“定律”的发展中，出现了“应用市 场日益分散”与“产品开发费用日益增大”的矛盾。 面对这两个矛盾，需要对产品体系结构及其设计方 法进行革命性的改造，力争把“定制”与“大规模 生产”两个相互矛盾的事物协调起来，实

15、现“大规 模定制生产” （Mass Customization） 。可重构技 术能够满足这一要求，因此在半导体产品中采用可 重构技术是符合发展潮流的。 产品特征循环(图 2)共历三个专用和四个通用 波动。十分有意义的是，从中我们看到了辩证思维 的足迹。首先，三个专用波动的主流产品分别是分 类应用的 ASSP、为某个应用定制的 ASIC 和制造后 可在一定应用领域再定义的 ASPP，ASPP 是 ASSP 的 螺旋“复归” 。其次，前三个通用波动期的主流产 品分别是功能单一的半导体分立器件(Tr)、通过顺序指令存储编程达到通用的微处理器(MPU)和通过 硬布线编程达到通用目的现场可编程器件(FP

16、GA)。 从 MPU 的“软”编程到 FPGA 的“硬”编程看，一 个逻辑的发展应是“硬” 、 “软”均可编程，即算法 可编程、可重构器件也可编程的 U-SoC。 从另一个角度看，产品特征循环还历经了三个 半循环，我们进一步讨论其最终将过渡到 U-SoC 的 演变规律。 第一个通用与专用循环(1958-1978)的主流应 用产品是Tr和中小规模ASSP。其特点是纯硬件设 计，即用构筑特定物理空间的方法来实现既定算 法。第二个循环(1978-1998)的主流产品是MPU以及 为提高MPU(如加速部件)信息系统性能的ASIC。其 根本特点是基于顺序存储的软件编程，即通过指令 在时间上的顺序执行来实现既定算法。在这一时期 内，基于冯诺依曼架构的计算机及其相应软件迅 猛发展，形成了历史上独特的Wintel联盟及其长期 垄断格局，使集成电路和软件成了信息通信技术 (ICT)的支柱产业。第三个循环(1998-2018)主流产 品是FPGA和由此推动发展中的嵌入式可编程SoC之 类的