ICT融合趨勢下的半導(dǎo)體技術(shù)和市場發(fā)展趨勢

王曉明

摘要：認(rèn)為ICT產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展交互影響：ICT產(chǎn)業(yè)是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心市場方向，而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將推動(dòng)ICT加速融合。ICT產(chǎn)業(yè)浪潮將圍繞下一代信息技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)、超高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，下一代移動(dòng)通信（5G）、網(wǎng)絡(luò)與信息安全等。根據(jù)ICT產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，得出芯片架構(gòu)軟件定義化、低功率、封裝技術(shù)先進(jìn)化是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。認(rèn)為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要抓住新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)更大發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體；集成電路；信息通信技術(shù)；芯片架構(gòu)；芯片封裝

Abstract： The development of the ICT industry and the semiconductor industry mutually influences each other： ICT industry is the core of Chinas semiconductor industry， while the development of semiconductor industry will promote the integration of ICT. The development of ICT industry will focus on the next generation of information technology， including the Internet of Things， ultrahigh-speed broadband communication network， next-generation mobile communication （5G）， and network and information security. Software-defined chip architecture， power efficiency， and advanced packaging technology are the main trends in semiconductor technology. We believe that Chinas semiconductor industry is facing great opportunities and challenges， and we need to seize the new opportunities and achieve greater development.

Key words： semiconductor； integrated circuit； information and communication technology （ICT）； chip architecture； chip package

芯片被喻為國家的“工業(yè)糧食”，是所有整機(jī)設(shè)備的“心臟”，普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子等幾大領(lǐng)域，起著“生死攸關(guān)”的重要作用。2014年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)3 200億美元，其中54%的芯片都出口到中國，但中國產(chǎn)芯片的市場份額只占10%。全球77%的手機(jī)是中國制造，但其中不到3%的手機(jī)芯片是中國產(chǎn)的。每年進(jìn)口半導(dǎo)體需要消耗2 000多億美元，超過了石油和其他大宗商品，是中國第一大進(jìn)口商品。而且，中國芯片產(chǎn)業(yè)長期被其他國家廠商控制，直接制約了中國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

研究數(shù)據(jù)表明，芯片產(chǎn)業(yè)1美元的產(chǎn)值，可以帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)10美元的產(chǎn)值和100美元的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）。世界各國紛紛將芯片作為國家重點(diǎn)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)來抓，美國、日本等發(fā)達(dá)國家通過大量的研發(fā)投入確保技術(shù)領(lǐng)先，韓國、新加坡和中國臺(tái)灣通過積極的產(chǎn)業(yè)政策推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)取得飛速發(fā)展。2014年，中國也正式提出把集成電路產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略的發(fā)展方向，中國半導(dǎo)體迎來了騰飛的機(jī)遇。

1 半導(dǎo)體市場現(xiàn)狀和發(fā)展

趨勢

自1947年貝爾研究室發(fā)明第1個(gè)三極管開始，電子工業(yè)的不斷創(chuàng)新，推動(dòng)了信息社會(huì)的蓬勃發(fā)展。1976年Intel創(chuàng)始人Gordon Moore預(yù)言：“集成芯片的晶體管數(shù)量大約每兩年可以翻一倍，伴隨集成度提升的是性能的提高?！焙髞磉@被稱為摩爾定律。如圖1所示，集成電路從晶體管（TTL），經(jīng)過NMOS到CMOS，由1971年的10 um工藝發(fā)展到2011年的28 nm，歷經(jīng)了15代，同時(shí)摩爾定律也經(jīng)歷了30多年實(shí)踐的驗(yàn)證。可以預(yù)測在2020年左右，CMOS工藝會(huì)達(dá)到5 nm，半導(dǎo)體即將進(jìn)入后摩爾的時(shí)代 [1]。

半導(dǎo)體行業(yè)一直是現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)，以集成電路（IC）為主的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟(jì)的重要支柱行業(yè)之一。據(jù)IBS統(tǒng)計(jì)，相比全球半導(dǎo)體市場規(guī)模的緩慢增長，中國已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體增長最快的市場，到2014年達(dá)到了全球市場的一半以上，但是中國的IC設(shè)計(jì)業(yè)產(chǎn)值占全球市場的規(guī)模卻不到1/5，如圖2所示。中國IC設(shè)計(jì)業(yè)還有很大的發(fā)展空間，同時(shí)也需要面對更大的市場挑戰(zhàn)。

根據(jù)賽迪市場分析，如圖3所示，從2014年中國的半導(dǎo)體市場結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)看到，半導(dǎo)體市場中與信息、通信和技術(shù)（ICT）直接相關(guān)（互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子）的市場規(guī)模占比達(dá)到85%以上，因此ICT相關(guān)產(chǎn)業(yè)是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心市場方向。

2 ICT產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)這兩次產(chǎn)業(yè)浪潮的發(fā)展，使平行于物理世界的數(shù)字虛擬世界初具規(guī)模，而隨著IT和CT技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是在摩爾定律的推動(dòng)下，所有的設(shè)備都慢慢地變得擁有計(jì)算能力，擁有聯(lián)網(wǎng)能力，因此隨著數(shù)字虛擬世界進(jìn)一步的擴(kuò)大和完善，虛擬世界與真實(shí)物理世界會(huì)有越來越多的連接，最終實(shí)現(xiàn)二者的融合。

自超大規(guī)模集成電路（VLSI）出現(xiàn)以來，它的快速發(fā)展就與整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)，如圖4所示。在20世紀(jì)90年代中期之前，IC的高速發(fā)展與IT產(chǎn)業(yè)浪潮相匹配，推動(dòng)了以個(gè)人電腦為核心的IT設(shè)備的快速普及；接著，CT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展繼續(xù)推動(dòng)IC的第二次高速發(fā)展，半導(dǎo)體的這次高速發(fā)展保證了以通信和互聯(lián)網(wǎng)為核心的CT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，尤其是促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)快速進(jìn)入千家萬戶；而進(jìn)入2010年以后，隨著ICT的融合，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（M-ICT）的新的產(chǎn)業(yè)浪潮將席卷而來，意味著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展即將迎來一輪新的發(fā)展高潮。

新的產(chǎn)業(yè)浪潮的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)無處不在、無時(shí)不在，同時(shí)萬物互聯(lián)。新的產(chǎn)業(yè)浪潮的發(fā)展是ICT的融合，是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，它面對的是海量數(shù)據(jù)和信息的交流與處理，因此需要更高的通信帶寬，更智能化的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和終端，以及更安全的通信和信息，最終形成萬物互聯(lián)的智慧世界，更好地推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。因此新的產(chǎn)業(yè)浪潮將圍繞下一代信息技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）、超高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，下一代移動(dòng)通信（5G）、網(wǎng)絡(luò)與信息安全等。

2.1物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第3次浪潮。

物聯(lián)網(wǎng)由終端、網(wǎng)絡(luò)與通信、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用組成。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要包括探測感知、智能家庭、智慧城市和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等幾大類應(yīng)用方向。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計(jì)算、分析、感應(yīng)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)連接融合的結(jié)果[3]。它通過智能機(jī)器間的連接并最終將人機(jī)連接，結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)分析，重構(gòu)全球工業(yè)、激發(fā)生產(chǎn)力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經(jīng)濟(jì)。

“工業(yè)4.0”是德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出的概念[5]。它是指以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第4次工業(yè)革命。

“工業(yè)4.0”或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的萌芽，互聯(lián)網(wǎng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)也就是云計(jì)算中的軟件系統(tǒng)控制著工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、家庭的家用設(shè)備、辦公室的辦公設(shè)備，通過智能化、3D打印、無線傳感等技術(shù)使的機(jī)械設(shè)備成為互聯(lián)網(wǎng)大腦改造世界的工具。同時(shí)這些智能制造和智能設(shè)備也源源不斷地向互聯(lián)網(wǎng)大腦反饋大數(shù)據(jù)，供互聯(lián)網(wǎng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)決策使用。

物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)包括感知和識別技術(shù)，如各類傳感器、指紋識別等；通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如移動(dòng)通信、Wi-Fi、寬帶通信網(wǎng)絡(luò)等；大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，針對海量數(shù)據(jù)的處理和挖掘，創(chuàng)造價(jià)值。

根據(jù)Gartner預(yù)測，未來10年，物聯(lián)網(wǎng)將全面超過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和個(gè)人電腦，成為最大的半導(dǎo)體市場[4]。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式，其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。

SDN將網(wǎng)絡(luò)的智能從硬件轉(zhuǎn)移到軟件，用戶不需要更新已有的硬件設(shè)備就可以為網(wǎng)絡(luò)增加新的功能。這樣做簡化和整合了控制功能，讓網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備變得更可靠，還有助于降低設(shè)備購買和運(yùn)營成本?？刂破矫婧蛿?shù)據(jù)平面分離之后，廠商可以單獨(dú)開發(fā)控制平面，并可以與ASIC、商業(yè)芯片或者服務(wù)器技術(shù)相集成。

第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）是3G和4G的延伸。3G和4G移動(dòng)通信技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的。 那么5G是什么驅(qū)動(dòng)的呢？互聯(lián)網(wǎng)對更大容量數(shù)據(jù)的需求仍然是一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力，特別在亞洲國家，極高的城市人口密度對網(wǎng)絡(luò)容量構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。同時(shí)基于物流網(wǎng)的智能電網(wǎng)、智能家居、智能城市等物與物間新型通信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)不斷涌現(xiàn)是推動(dòng)5G出現(xiàn)的另一股動(dòng)力。同時(shí)未來的5G網(wǎng)絡(luò)要比現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)具有更高的能量效率。

現(xiàn)在暫時(shí)還無法給出5G的完整定義，但是一般公認(rèn)5G要滿足以下這些要求：

·用戶體驗(yàn)速度（非理論速度）要達(dá)到1～10 Gbit/s

·端到端時(shí)延要達(dá)到1 ms級

·設(shè)備連接數(shù)量增加10～100 倍

·能耗減低90%。

因此未來5G網(wǎng)絡(luò)需要更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，更高的信息處理能力，更大的通信容量，更靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及更低的系統(tǒng)能耗。這些都對5G系統(tǒng)和終端用的芯片也提出了更高的要求。

2.3網(wǎng)絡(luò)和信息安全

網(wǎng)絡(luò)和信息安全是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件、軟件及其系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)受到保護(hù)，不受偶然的或惡意的破壞、更改、泄露，系統(tǒng)能夠連續(xù)可靠正常地運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)不中斷，最終實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性。

網(wǎng)絡(luò)和信息安全的目的是希望網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可管、可控、可信。

隨著“棱鏡門”、“監(jiān)聽門”等事件的出現(xiàn)，暴露出中國在某些領(lǐng)域的核心技術(shù)的缺失，為中國信息安全領(lǐng)域的布局敲響了警鐘。安全問題將成為未來網(wǎng)絡(luò)的核心要素。隨著國家信息安全的重要性被提升到戰(zhàn)略高度，信息安全建設(shè)已經(jīng)成為刻不容緩且必須大力投入的重點(diǎn)項(xiàng)目，從芯片級解決網(wǎng)絡(luò)和信息安全問題已經(jīng)成為共識，真正做到“自主可控”對網(wǎng)絡(luò)信息安全有著更重要的意義。

3半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢

前述的ICT的市場、產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展趨勢，對半導(dǎo)體尤其是芯片設(shè)計(jì)提出了新的、更高的要求。芯片設(shè)計(jì)技術(shù)也需要不斷發(fā)展來適應(yīng)和支撐ICT產(chǎn)業(yè)的更快發(fā)展。半導(dǎo)體技術(shù)有著以下一些發(fā)展趨勢。

3.1軟件定義化的芯片架構(gòu)

ICT融合從SDN開始，并迅速呈現(xiàn)燎原之勢。從SDN到軟件定義存儲(chǔ)（SDS），再到軟件定義無線電（SDR），可以說ICT的融合就是對原有專用設(shè)備和專用通信網(wǎng)絡(luò)的通用化，軟件定義化的過程。如圖5所示，ICT融合的最終結(jié)果使ICT融合的架構(gòu)變成基礎(chǔ)通信硬件/專用集成電路（ASIC）+通用CPU。

和可軟件化的ICT產(chǎn)品架構(gòu)類似，芯片的架構(gòu)也越來越向可軟件化方向發(fā)展，目前軟件可定義化的可重構(gòu)的芯片架構(gòu)正在成為主流。軟件定義化的芯片架構(gòu)本質(zhì)上還是系統(tǒng)級芯片架構(gòu)（SOC），如圖6所示。

軟件定義化的芯片架構(gòu)主要組成部分包括處理器、片上互連、存儲(chǔ)以及安全、通用的ICT功能模塊和通用標(biāo)準(zhǔn)接口等。下面簡單介紹這些部分的發(fā)展趨勢。

·處理器：處理器虛擬化能力將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

虛擬化是指在同一個(gè)物理處理器上提供多種軟件執(zhí)行環(huán)境的技術(shù)?？稍谕籆PU上虛擬出安全和標(biāo)準(zhǔn)兩種執(zhí)行環(huán)境，未來安全和通用雙操作系統(tǒng)會(huì)是產(chǎn)品安全解決方案趨勢之一。虛擬監(jiān)控程序是一種非中斷方式實(shí)現(xiàn)工作負(fù)載遷移能力的超級管理程序，它在執(zhí)行時(shí)，會(huì)給每一個(gè)虛擬機(jī)分配適量的CPU、內(nèi)存等資源，并加載所有虛擬機(jī)的客戶操作系統(tǒng)，可真正實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)和應(yīng)用共享同一套物理硬件，是虛擬化技術(shù)的核心。

·互連：總線互連向網(wǎng)絡(luò)互連（NOC）、一致性互連發(fā)展。

隨著處理器核和外設(shè)數(shù)量的增加，系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備間的互聯(lián)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的總線matrix的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足性能、帶寬的需求，正逐步向NoC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展。同時(shí)多核間的數(shù)據(jù)一致性維護(hù)也對互連提出了新的需求，內(nèi)置一致性維護(hù)模塊的互連網(wǎng)絡(luò)可通過硬件方式保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)一致性，同時(shí)還減少了由于數(shù)據(jù)一致性所需的額外存儲(chǔ)的訪問，從而可以為提高系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)功耗提供有力保障。

·存儲(chǔ)：集中存儲(chǔ)向多通道存儲(chǔ)發(fā)展。

最新的雙重?cái)?shù)據(jù)比率（DDR 4）/低功率雙重?cái)?shù)據(jù)比率（LPDDR 4）速度可以超過3 200 Mbit/s。即使是這樣的速度，以往的集中式存儲(chǔ)方式，依然會(huì)引起DDR訪問數(shù)據(jù)的阻塞，這種情況下，只能采用雙通道DDR方式來提升存儲(chǔ)帶寬。雙通道，就是芯片可以在兩個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道上分別尋址、讀取數(shù)據(jù)，這在架構(gòu)設(shè)計(jì)上不僅僅需要系統(tǒng)中有兩個(gè)DDR控制器。通常情況下，系統(tǒng)還需要有相應(yīng)的interleave機(jī)制，來對訪問DDR的操作進(jìn)行自動(dòng)拆分，從而緩解單路DDR的帶寬壓力，有效提升系統(tǒng)性能。

·安全：數(shù)據(jù)安全向環(huán)境安全不斷發(fā)展。

信息安全日趨重要，軟件定義化的架構(gòu)越來越注重安全設(shè)計(jì)，安全已經(jīng)不是普通意義上的數(shù)據(jù)加密，而是要構(gòu)建安全的執(zhí)行環(huán)境。軟件定義化架構(gòu)安全設(shè)計(jì)的趨勢是支持安全可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）。通過系統(tǒng)架構(gòu)上的硬件隔離、總線訪問控制構(gòu)建可信區(qū)域，在硬件可信區(qū)域上實(shí)現(xiàn)軟件隔離和安全操作系統(tǒng)，在可信環(huán)境中管理敏感資產(chǎn)和密鑰、執(zhí)行關(guān)鍵應(yīng)用，并集成高性能的加解密算法。

·通用ICT功能模塊：兼容通信功能，可軟件定義。

通用ICT功能模塊圍繞著軟件定義化的結(jié)構(gòu)，更多的是突出基本的功能，通過軟件定義來實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能。通用的ICT功能包括編解碼、圖像視頻處理、信號處理等功能。它不一定是純粹的ASIC硬件模塊，也可能是具備一定專用功能的處理器，如圖形處理器（GPU）、數(shù)字信號處理（DSP）等。

·通用接口：向高速、高帶寬的方向發(fā)展。

DDR 4、USB 3.0、10 G以上Serdes接口在各種芯片中成為標(biāo)配，一方面應(yīng)用場景的復(fù)雜使得數(shù)據(jù)交互量越來越多，而且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫笤絹碓礁撸煌瑫r(shí)半導(dǎo)體工藝的演進(jìn)也保證了有相應(yīng)的技術(shù)來支撐數(shù)據(jù)交互加速的需求。

需要指出，芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)演化到定量評估，從單一的硬件性能/功能設(shè)計(jì)推進(jìn)到軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。此外低功耗設(shè)計(jì)也成為架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成。

3.2低功耗技術(shù)

近年來，隨著芯片先進(jìn)工藝、高集成度、復(fù)雜IP、先進(jìn)SOC技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種采用低功耗技術(shù)的芯片。手機(jī)芯片“核戰(zhàn)”此起彼伏，僅用兩年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了從單核到八核芯片的跨越，處理器從32位走到64位；復(fù)雜的多媒體技術(shù)，經(jīng)過不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了高清顯示和高清攝影，一次次刷新著眼球；物聯(lián)網(wǎng)的火熱發(fā)展，帶動(dòng)各種低功耗微控制單元（MCU）芯片及相關(guān)的應(yīng)用層出不窮?？v觀這些SOC芯片，低功耗技術(shù)在其中扮演了重要的角色，從表及內(nèi)我們來看看低功耗技術(shù)的一些發(fā)展趨勢。

·低功耗的互聯(lián)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)低功耗的數(shù)據(jù)交互，各種標(biāo)準(zhǔn)化組織和公司提出了各種各樣的通信技術(shù)。大家熟悉的蜂窩無線通信2G/3G/4G/5G技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從幾kbit/s到幾百M(fèi)bit/s的速率連接?，F(xiàn)在大量涌現(xiàn)的Bluetooth、Wi-Fi、Zigbee技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更低功耗和更加便捷的互聯(lián)互通。其他低功耗連接技術(shù)，也實(shí)現(xiàn)了民用、商用到工業(yè)使用的功能各異的萬物互聯(lián)需求。通過制訂標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)協(xié)議技術(shù)，規(guī)范產(chǎn)品接口，這些低功耗連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各種不同功能的設(shè)備可以互聯(lián)互通。這些低功耗連接技術(shù)，通過減少設(shè)備之間的信令交互，簡化設(shè)備接入方式，減少設(shè)備連接在網(wǎng)的時(shí)間，延長設(shè)備睡眠的時(shí)間，通過這些方式減少設(shè)備的功耗?？梢灶A(yù)見，低功耗互聯(lián)技術(shù)和應(yīng)用會(huì)有很大的發(fā)展。

·低功耗實(shí)現(xiàn)技術(shù)

為了有效降低功耗，在芯片設(shè)計(jì)中通常會(huì)使用時(shí)鐘門控、多閾值設(shè)計(jì)、多電壓設(shè)計(jì)、電源門控、動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整（DFS）、動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）、自適應(yīng)電源調(diào)整（AVS）、低功耗memory技術(shù)。芯片動(dòng)態(tài)功耗中，時(shí)鐘樹的動(dòng)態(tài)功耗通常達(dá)到40%以上。時(shí)鐘門控技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)工作的情況，動(dòng)態(tài)門控系統(tǒng)時(shí)鐘，可以有效減少芯片的動(dòng)態(tài)功耗。多閾值設(shè)計(jì)是指采用具有不同閾值門限的庫單元，在滿足時(shí)序要求的前提下，盡量降低電路的漏電功耗。通常的電路電壓越高性能越好，采用多電壓設(shè)計(jì)技術(shù)是為了在滿足高速率電路性能的前提下，可以降低低頻電路的電壓，以此達(dá)到降低功耗的目地。電源門控技術(shù)，是根據(jù)電路的工作特性，當(dāng)部分電路不需要工作時(shí)，關(guān)閉該部分電路的電源，降低電路的漏電功耗。DFS設(shè)計(jì)，是根據(jù)系統(tǒng)的性能需求，軟件動(dòng)態(tài)調(diào)整電路的工作頻率，降低電路的功耗。DVFS設(shè)計(jì)，在DFS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，軟件根據(jù)系統(tǒng)性能需求，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整電路的工作頻率和工作電壓，以此達(dá)到降低動(dòng)態(tài)功耗的要求。相比DFS、DVFS技術(shù)，AVS技術(shù)更加智能、高效地降低功耗。AVS技術(shù)可以自動(dòng)檢測芯片的性能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整芯片的工作電壓。低功耗memory技術(shù)，是根據(jù)memory的工作狀況，采用本體偏置的方式降低漏電功耗，或者采用多電源的設(shè)計(jì)降低memory的漏電功耗。這些低功耗實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過在芯片設(shè)計(jì)中的使用，能夠有效地解決芯片設(shè)計(jì)中的功耗問題，被越來越多的設(shè)計(jì)所采用。

·工藝的提升

隨著芯片的工藝制程從65 nm、40 nm到28 nm，再到16 nm/14 nm，乃至10 nm，每次工藝的更新都會(huì)有效地降低電路的尺寸和核心電壓，減少電路的尺寸，伴隨而來的是芯片功耗持續(xù)減少。TSMC、Intel、三星等Foundary廠商，正在不遺余力地加快更先進(jìn)工藝的研發(fā)工作。雖然28 nm工藝剛剛普及，但是16 nm工藝已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，14 nm以至于10 nm工藝都已經(jīng)開始試產(chǎn)， 7 nm的工藝也已經(jīng)開始研發(fā)。

·EDA工具的支撐

為了支持低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具廠商提出了不同的解決方案。EDA廠商在提供各自設(shè)計(jì)流程的同時(shí)，還在各自的硬件仿真器上支持低功耗功能。比如Synopsys的Zebu支持UPF，可以在硬件仿真器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，調(diào)試低功耗的軟硬件功能；Cadence的PXP支持CPF，實(shí)現(xiàn)低功耗的驗(yàn)證和調(diào)試功能。

EDA廠商在構(gòu)建完整的低功耗設(shè)計(jì)流程后，方便IC設(shè)計(jì)者從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、調(diào)試等不同層面實(shí)現(xiàn)低功耗的功能，加快了低功耗設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)度，并且保證了低功耗設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

·低功耗軟硬件控制策略

隨著低功耗功能的復(fù)雜化，如何有效地劃分低功耗硬件和軟件功能變得更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的低功耗實(shí)現(xiàn)，硬件占據(jù)主導(dǎo)地位，軟件只需要實(shí)現(xiàn)簡單的功能配置既可。隨著SOC集成度的增加，各種不同系統(tǒng)功能集成到一顆芯片上，使得系統(tǒng)功耗的管理變得更加復(fù)雜?，F(xiàn)在的SOC芯片，呈現(xiàn)出多核異構(gòu)系統(tǒng)、多操作系統(tǒng)、應(yīng)用模式、管理方式共存的局面，有效劃分各個(gè)子系統(tǒng)功耗控制功能，劃分軟硬件的功能。以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)低功耗并且對功耗控制性能最佳的方式變得尤為重要。低功耗軟硬件控制策略的實(shí)現(xiàn)，需要耗費(fèi)大量的系統(tǒng)人員的精力，在不同的方案間進(jìn)行取舍，設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

·低功耗的設(shè)計(jì)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)功耗，在架構(gòu)設(shè)計(jì)初期就要考慮低功耗的需求。通常低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到芯片的工作模式、電源分區(qū)的實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘復(fù)位的考慮、子系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)交互方式、低功耗軟件實(shí)現(xiàn)、低功耗方案的可實(shí)現(xiàn)性、低功耗方案的可測試性、低功耗方案的驗(yàn)證等一系列因素。設(shè)計(jì)好的方案，還需要進(jìn)行一系列的功耗評估工作，進(jìn)行系統(tǒng)工作場景的功耗分析和功耗統(tǒng)計(jì)，從各種設(shè)計(jì)因素對方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最終完善低功耗架構(gòu)。

3.3先進(jìn)封裝技術(shù)

隨著半導(dǎo)體工藝從摩爾時(shí)代進(jìn)入后摩爾時(shí)代，單純縮減Si工藝尺寸來提高芯片的集成度以減小芯片面積趨于極限，先進(jìn)封裝技術(shù)不斷發(fā)展變化以適應(yīng)各種半導(dǎo)體新工藝和材料的要求，同時(shí)應(yīng)對成本、性能和高集成度挑戰(zhàn)，如圖7所示。

芯片性能越來越高，管腳數(shù)量越來越多，傳統(tǒng)的包括方形扁平無引腳封裝（QFN）、方型扁平式封裝技術(shù)（QFP）、球陣列封裝（BGA）在內(nèi)的封裝技術(shù)無法滿足高性能芯片對電性能和抗電磁干擾，因此發(fā)展出電磁抗干擾能力強(qiáng)并導(dǎo)電性強(qiáng)及散熱性能高的倒裝封裝技術(shù)（FC）。

手機(jī)等終端消費(fèi)產(chǎn)品的低成本要求越發(fā)強(qiáng)烈，而國際金價(jià)一直保持高位，因此低成本的銅線工藝封裝已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用在消費(fèi)類芯片中，成本和性能都有明顯的優(yōu)勢。

當(dāng)前電子產(chǎn)品總的發(fā)展趨勢是小型化、高性能化、智能化。同時(shí)電子產(chǎn)品的迭代速度也在不斷加快，因此需要半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短、功能集成度高、性能強(qiáng)大。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊內(nèi)部互聯(lián)，簡化產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本，越來越多的多die封裝如堆疊封裝（PiP）、層疊封裝（PoP）、系統(tǒng)級封裝（SiP）、裸晶片PiP等先進(jìn)封裝形式己廣泛應(yīng)用手機(jī)，穿戴及終端產(chǎn)品中。

另外為減小封裝面積，降低器件重量及能耗，提高系統(tǒng)速度，封裝形式從2D的平面封裝逐步轉(zhuǎn)向晶片堆疊、扇出、2.5維中介層和3維硅通孔技術(shù)（3D TSV3）的PoP、SiP，目前這些技術(shù)己逐步應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域芯片[5]。

4結(jié)束語

半導(dǎo)體工藝和技術(shù)的發(fā)展使得芯片變得越來越小型化，高性能、低成本、低功耗和智能化的芯片產(chǎn)品會(huì)越來越多。半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢集中體現(xiàn)在：

·半導(dǎo)體在M-ICT這一融合化的發(fā)展趨勢下，面對更多新的技術(shù)挑戰(zhàn)和創(chuàng)新，以及技術(shù)和市場方向。

·跨界已經(jīng)無所不在，芯片設(shè)計(jì)也面臨著各種產(chǎn)品和技術(shù)的融合，尤其是通信功能已經(jīng)逐漸成為芯片中必備的功能。

·軟件可定義化對芯片設(shè)計(jì)帶來了更多架構(gòu)上的挑戰(zhàn)和沖擊，同時(shí)圍繞新的芯片架構(gòu)下的低功耗設(shè)計(jì)是該結(jié)構(gòu)能夠成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

·芯片小型化、智能化發(fā)展使得適應(yīng)多種場景，實(shí)現(xiàn)多種功能的芯片逐漸成為主流，單一功能的芯片日益邊緣化，因此滿足快速推出芯片的先進(jìn)封裝技術(shù)成為半導(dǎo)體的熱點(diǎn)。

半導(dǎo)體是ICT產(chǎn)業(yè)的基石，半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展趨勢與ICT產(chǎn)業(yè)交互影響，它的發(fā)展趨勢將推動(dòng)ICT加速融合。中國現(xiàn)正在圍繞ICT融合推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”、“工業(yè)4.0”等國家戰(zhàn)略，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。抓住移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來的新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，能夠使中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尤其是芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更快的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)中國芯，全球夢。

參考文獻(xiàn)

[1] [科技] 芯片： “中國芯” 迎來戰(zhàn)略機(jī)遇期[N]. 參考消息， 2015-01-13

[2] 2014年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀分析[EB/OL]. http：//www.netofthings.cn/GuoNei/2014-11/3553.html

[3] 何為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的真正概念[EB/OL].http：//www.iot-online.com/xingyeyingyong/si/2013/0730/24460.html， 2013-07-30

[4] 西門子描繪“工業(yè)4.0”路線圖，助力中國向工業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)型[EB/OL]. http：//www.gongkong.com/news/201501/320852.html

[5] 淺析物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)[EB/OL]. http：//www.enet.com.cn/article/2012/0604/A20120604118345.shtml， 2012-06-04