ICT融合趨勢下的半導體技術和市場發展趨勢

王曉明

摘要：認為ICT產業和半導體產業的發展交互影響：ICT產業是中國半導體產業的核心市場方向，而半導體產業的發展將推動ICT加速融合。ICT產業浪潮將圍繞下一代信息技術，包括物聯網、超高速寬帶通信網絡，下一代移動通信（5G）、網絡與信息安全等。根據ICT產業發展方向，得出芯片架構軟件定義化、低功率、封裝技術先進化是半導體技術發展的主要趨勢。認為中國半導體產業面臨重大的機遇和挑戰，需要抓住新的產業機會，實現更大發展。

關鍵詞： 半導體；集成電路；信息通信技術；芯片架構；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“工業糧食”，是所有整機設備的“心臟”，普遍應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等幾大領域，起著“生死攸關”的重要作用。2014年全球半導體市場規模達3 200億美元，其中54%的芯片都出口到中國，但中國產芯片的市場份額只占10%。全球77%的手機是中國制造，但其中不到3%的手機芯片是中國產的。每年進口半導體需要消耗2 000多億美元，超過了石油和其他大宗商品，是中國第一大進口商品。而且，中國芯片產業長期被其他國家廠商控制，直接制約了中國信息產業的發展。

研究數據表明，芯片產業1美元的產值，可以帶動信息產業10美元的產值和100美元的國內生產總值（GDP）。世界各國紛紛將芯片作為國家重點戰略產業來抓，美國、日本等發達國家通過大量的研發投入確保技術領先，韓國、新加坡和中國臺灣通過積極的產業政策推動集成電路產業取得飛速發展。2014年，中國也正式提出把集成電路產業作為戰略的發展方向，中國半導體迎來了騰飛的機遇。

1 半導體市場現狀和發展

趨勢

自1947年貝爾研究室發明第1個三極管開始，電子工業的不斷創新，推動了信息社會的蓬勃發展。1976年Intel創始人Gordon Moore預言：“集成芯片的晶體管數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），經過NMOS到CMOS，由1971年的10 um工藝發展到2011年的28 nm，歷經了15代，同時摩爾定律也經歷了30多年實踐的驗證。可以預測在2020年左右，CMOS工藝會達到5 nm，半導體即將進入后摩爾的時代 [1]。

半導體行業一直是現代科技的基礎，以集成電路（IC）為主的半導體產業也已經成為了全球經濟的重要支柱行業之一。據IBS統計，相比全球半導體市場規模的緩慢增長，中國已經成為全球半導體增長最快的市場，到2014年達到了全球市場的一半以上，但是中國的IC設計業產值占全球市場的規模卻不到1/5，如圖2所示。中國IC設計業還有很大的發展空間，同時也需要面對更大的市場挑戰。

根據賽迪市場分析，如圖3所示，從2014年中國的半導體市場結構數據看到，半導體市場中與信息、通信和技術（ICT）直接相關（互聯網、計算機和消費電子）的市場規模占比達到85%以上，因此ICT相關產業是中國半導體產業的核心市場方向。

2 ICT產業和技術發展趨勢

隨著個人計算機和通信網絡這兩次產業浪潮的發展，使平行于物理世界的數字虛擬世界初具規模，而隨著IT和CT技術的進一步發展，尤其是在摩爾定律的推動下，所有的設備都慢慢地變得擁有計算能力，擁有聯網能力，因此隨著數字虛擬世界進一步的擴大和完善，虛擬世界與真實物理世界會有越來越多的連接，最終實現二者的融合。

自超大規模集成電路（VLSI）出現以來，它的快速發展就與整個電子信息產業發展密切相關，如圖4所示。在20世紀90年代中期之前，IC的高速發展與IT產業浪潮相匹配，推動了以個人電腦為核心的IT設備的快速普及；接著，CT產業的高速發展繼續推動IC的第二次高速發展，半導體的這次高速發展保證了以通信和互聯網為核心的CT產業的高速發展，尤其是促進了互聯網快速進入千家萬戶；而進入2010年以后，隨著ICT的融合，尤其是移動互聯網的發展，基于移動通信網絡（M-ICT）的新的產業浪潮將席卷而來，意味著半導體產業的發展即將迎來一輪新的發展高潮。

新的產業浪潮的發展趨勢是網絡移動化，網絡無處不在、無時不在，同時萬物互聯。新的產業浪潮的發展是ICT的融合，是物聯網與互聯網的結合，它面對的是海量數據和信息的交流與處理，因此需要更高的通信帶寬，更智能化的移動網絡和終端，以及更安全的通信和信息，最終形成萬物互聯的智慧世界，更好地推動社會和經濟的發展和進步。因此新的產業浪潮將圍繞下一代信息技術，包括物聯網（工業互聯網）、超高速寬帶通信網絡，下一代移動通信（5G）、網絡與信息安全等。

2.1物聯網和工業互聯網

物聯網是利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后信息產業發展的第3次浪潮。

物聯網由終端、網絡與通信、云計算和物聯網應用組成。物聯網應用主要包括探測感知、智能家庭、智慧城市和工業互聯網等幾大類應用方向。

工業互聯網是全球工業系統與高級計算、分析、感應技術以及互聯網連接融合的結果[3]。它通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數據分析，重構全球工業、激發生產力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經濟。

“工業4.0”是德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部在2013年漢諾威工業博覽會上提出的概念[5]。它是指以信息物理融合系統（CPS）為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第4次工業革命。

“工業4.0”或工業互聯網本質上是互聯網運動神經系統的萌芽，互聯網中樞神經系統也就是云計算中的軟件系統控制著工業企業的生產設備、家庭的家用設備、辦公室的辦公設備，通過智能化、3D打印、無線傳感等技術使的機械設備成為互聯網大腦改造世界的工具。同時這些智能制造和智能設備也源源不斷地向互聯網大腦反饋大數據，供互聯網中樞神經系統決策使用。

物聯網的核心技術包括感知和識別技術，如各類傳感器、指紋識別等；通信和網絡技術，如移動通信、Wi-Fi、寬帶通信網絡等；大數據處理技術，針對海量數據的處理和挖掘，創造價值。

根據Gartner預測，未來10年，物聯網將全面超過移動互聯網和個人電腦，成為最大的半導體市場[4]。

2.2網絡通信技術

軟件定義網絡（SDN）是一種新型網絡創新架構，是網絡虛擬化的一種實現方式，其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現了網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能。

SDN將網絡的智能從硬件轉移到軟件，用戶不需要更新已有的硬件設備就可以為網絡增加新的功能。這樣做簡化和整合了控制功能，讓網絡硬件設備變得更可靠，還有助于降低設備購買和運營成本?？刂破矫婧蛿祿矫娣蛛x之后，廠商可以單獨開發控制平面，并可以與ASIC、商業芯片或者服務器技術相集成。

第5代移動通信系統（5G）是3G和4G的延伸。3G和4G移動通信技術是互聯網數據驅動的。 那么5G是什么驅動的呢？互聯網對更大容量數據的需求仍然是一個主要驅動力，特別在亞洲國家，極高的城市人口密度對網絡容量構成了嚴重的挑戰。同時基于物流網的智能電網、智能家居、智能城市等物與物間新型通信業務和數據服務不斷涌現是推動5G出現的另一股動力。同時未來的5G網絡要比現在的網絡具有更高的能量效率。

現在暫時還無法給出5G的完整定義，但是一般公認5G要滿足以下這些要求：

·用戶體驗速度（非理論速度）要達到1～10 Gbit/s

·端到端時延要達到1 ms級

·設備連接數量增加10～100 倍

·能耗減低90%。

因此未來5G網絡需要更高的網絡帶寬，更高的信息處理能力，更大的通信容量，更靈活的網絡結構，以及更低的系統能耗。這些都對5G系統和終端用的芯片也提出了更高的要求。

2.3網絡和信息安全

網絡和信息安全是指網絡系統的硬件、軟件及其系統中的數據受到保護，不受偶然的或惡意的破壞、更改、泄露，系統能夠連續可靠正常地運行，網絡和信息服務不中斷，最終實現業務連續性。

網絡和信息安全的目的是希望網絡系統和系統中的數據實現可管、可控、可信。

隨著“棱鏡門”、“監聽門”等事件的出現，暴露出中國在某些領域的核心技術的缺失，為中國信息安全領域的布局敲響了警鐘。安全問題將成為未來網絡的核心要素。隨著國家信息安全的重要性被提升到戰略高度，信息安全建設已經成為刻不容緩且必須大力投入的重點項目，從芯片級解決網絡和信息安全問題已經成為共識，真正做到“自主可控”對網絡信息安全有著更重要的意義。

3半導體技術發展趨勢

前述的ICT的市場、產品和技術發展趨勢，對半導體尤其是芯片設計提出了新的、更高的要求。芯片設計技術也需要不斷發展來適應和支撐ICT產業的更快發展。半導體技術有著以下一些發展趨勢。

3.1軟件定義化的芯片架構

ICT融合從SDN開始，并迅速呈現燎原之勢。從SDN到軟件定義存儲（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備和專用通信網絡的通用化，軟件定義化的過程。如圖5所示，ICT融合的最終結果使ICT融合的架構變成基礎通信硬件/專用集成電路（ASIC）+通用CPU。

和可軟件化的ICT產品架構類似，芯片的架構也越來越向可軟件化方向發展，目前軟件可定義化的可重構的芯片架構正在成為主流。軟件定義化的芯片架構本質上還是系統級芯片架構（SOC），如圖6所示。

軟件定義化的芯片架構主要組成部分包括處理器、片上互連、存儲以及安全、通用的ICT功能模塊和通用標準接口等。下面簡單介紹這些部分的發展趨勢。

·處理器：處理器虛擬化能力將會進一步增強。

虛擬化是指在同一個物理處理器上提供多種軟件執行環境的技術?？稍谕籆PU上虛擬出安全和標準兩種執行環境，未來安全和通用雙操作系統會是產品安全解決方案趨勢之一。虛擬監控程序是一種非中斷方式實現工作負載遷移能力的超級管理程序，它在執行時，會給每一個虛擬機分配適量的CPU、內存等資源，并加載所有虛擬機的客戶操作系統，可真正實現多操作系統和應用共享同一套物理硬件，是虛擬化技術的核心。

·互連：總線互連向網絡互連（NOC）、一致性互連發展。

隨著處理器核和外設數量的增加，系統各個設備間的互聯變得越來越復雜，傳統的總線matrix的結構已經不能滿足性能、帶寬的需求，正逐步向NoC網絡結構發展。同時多核間的數據一致性維護也對互連提出了新的需求，內置一致性維護模塊的互連網絡可通過硬件方式保證各個節點間的數據一致性，同時還減少了由于數據一致性所需的額外存儲的訪問，從而可以為提高系統性能和降低系統功耗提供有力保障。

·存儲：集中存儲向多通道存儲發展。

最新的雙重數據比率（DDR 4）/低功率雙重數據比率（LPDDR 4）速度可以超過3 200 Mbit/s。即使是這樣的速度，以往的集中式存儲方式，依然會引起DDR訪問數據的阻塞，這種情況下，只能采用雙通道DDR方式來提升存儲帶寬。雙通道，就是芯片可以在兩個相互獨立的數據通道上分別尋址、讀取數據，這在架構設計上不僅僅需要系統中有兩個DDR控制器。通常情況下，系統還需要有相應的interleave機制，來對訪問DDR的操作進行自動拆分，從而緩解單路DDR的帶寬壓力，有效提升系統性能。

·安全：數據安全向環境安全不斷發展。

信息安全日趨重要，軟件定義化的架構越來越注重安全設計，安全已經不是普通意義上的數據加密，而是要構建安全的執行環境。軟件定義化架構安全設計的趨勢是支持安全可信執行環境（TEE）。通過系統架構上的硬件隔離、總線訪問控制構建可信區域，在硬件可信區域上實現軟件隔離和安全操作系統，在可信環境中管理敏感資產和密鑰、執行關鍵應用，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構，更多的是突出基本的功能，通過軟件定義來實現完整的系統功能。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）、數字信號處理（DSP）等。

·通用接口：向高速、高帶寬的方向發展。

DDR 4、USB 3.0、10 G以上Serdes接口在各種芯片中成為標配，一方面應用場景的復雜使得數據交互量越來越多，而且對數據傳輸的速度要求越來越高；同時半導體工藝的演進也保證了有相應的技術來支撐數據交互加速的需求。

需要指出，芯片的架構設計已經從傳統的經驗設計演化到定量評估，從單一的硬件性能/功能設計推進到軟硬件協同設計。此外低功耗設計也成為架構設計的重要組成。

3.2低功耗技術

近年來，隨著芯片先進工藝、高集成度、復雜IP、先進SOC技術的發展，出現了各種采用低功耗技術的芯片。手機芯片“核戰”此起彼伏，僅用兩年時間就實現了從單核到八核芯片的跨越，處理器從32位走到64位；復雜的多媒體技術，經過不斷發展，實現了高清顯示和高清攝影，一次次刷新著眼球；物聯網的火熱發展，帶動各種低功耗微控制單元（MCU）芯片及相關的應用層出不窮。縱觀這些SOC芯片，低功耗技術在其中扮演了重要的角色，從表及內我們來看看低功耗技術的一些發展趨勢。

·低功耗的互聯技術

為了實現低功耗的數據交互，各種標準化組織和公司提出了各種各樣的通信技術。大家熟悉的蜂窩無線通信2G/3G/4G/5G技術，已經實現了從幾kbit/s到幾百Mbit/s的速率連接?，F在大量涌現的Bluetooth、Wi-Fi、Zigbee技術，已經實現了更低功耗和更加便捷的互聯互通。其他低功耗連接技術，也實現了民用、商用到工業使用的功能各異的萬物互聯需求。通過制訂標準化的互聯協議技術，規范產品接口，這些低功耗連接技術實現了各種不同功能的設備可以互聯互通。這些低功耗連接技術，通過減少設備之間的信令交互，簡化設備接入方式，減少設備連接在網的時間，延長設備睡眠的時間，通過這些方式減少設備的功耗?？梢灶A見，低功耗互聯技術和應用會有很大的發展。

·低功耗實現技術

為了有效降低功耗，在芯片設計中通常會使用時鐘門控、多閾值設計、多電壓設計、電源門控、動態頻率調整（DFS）、動態電壓頻率調整（DVFS）、自適應電源調整（AVS）、低功耗memory技術。芯片動態功耗中，時鐘樹的動態功耗通常達到40%以上。時鐘門控技術根據系統工作的情況，動態門控系統時鐘，可以有效減少芯片的動態功耗。多閾值設計是指采用具有不同閾值門限的庫單元，在滿足時序要求的前提下，盡量降低電路的漏電功耗。通常的電路電壓越高性能越好，采用多電壓設計技術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，以此達到降低功耗的目地。電源門控技術，是根據電路的工作特性，當部分電路不需要工作時，關閉該部分電路的電源，降低電路的漏電功耗。DFS設計，是根據系統的性能需求，軟件動態調整電路的工作頻率，降低電路的功耗。DVFS設計，在DFS設計的基礎上，軟件根據系統性能需求，可以動態調整電路的工作頻率和工作電壓，以此達到降低動態功耗的要求。相比DFS、DVFS技術，AVS技術更加智能、高效地降低功耗。AVS技術可以自動檢測芯片的性能，實現動態自適應調整芯片的工作電壓。低功耗memory技術，是根據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計降低memory的漏電功耗。這些低功耗實現技術，通過在芯片設計中的使用，能夠有效地解決芯片設計中的功耗問題，被越來越多的設計所采用。

·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減少。TSMC、Intel、三星等Foundary廠商，正在不遺余力地加快更先進工藝的研發工作。雖然28 nm工藝剛剛普及，但是16 nm工藝已經開始實現量產，14 nm以至于10 nm工藝都已經開始試產， 7 nm的工藝也已經開始研發。

·EDA工具的支撐

為了支持低功耗設計實現，電子設計自動化（EDA）工具廠商提出了不同的解決方案。EDA廠商在提供各自設計流程的同時，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現系統的低功耗設計，調試低功耗的軟硬件功能；Cadence的PXP支持CPF，實現低功耗的驗證和調試功能。

EDA廠商在構建完整的低功耗設計流程后，方便IC設計者從系統設計、實現、驗證、調試等不同層面實現低功耗的功能，加快了低功耗設計的實現進度，并且保證了低功耗設計的質量。

·低功耗軟硬件控制策略

隨著低功耗功能的復雜化，如何有效地劃分低功耗硬件和軟件功能變得更加復雜。傳統的低功耗實現，硬件占據主導地位，軟件只需要實現簡單的功能配置既可。隨著SOC集成度的增加，各種不同系統功能集成到一顆芯片上，使得系統功耗的管理變得更加復雜?，F在的SOC芯片，呈現出多核異構系統、多操作系統、應用模式、管理方式共存的局面，有效劃分各個子系統功耗控制功能，劃分軟硬件的功能。以最小代價實現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現，需要耗費大量的系統人員的精力，在不同的方案間進行取舍，設計出滿足系統的最優方案。

·低功耗的設計架構

為了實現更低的系統功耗，在架構設計初期就要考慮低功耗的需求。通常低功耗架構設計時，需要考慮到芯片的工作模式、電源分區的實現、時鐘復位的考慮、子系統控制數據交互方式、低功耗軟件實現、低功耗方案的可實現性、低功耗方案的可測試性、低功耗方案的驗證等一系列因素。設計好的方案，還需要進行一系列的功耗評估工作，進行系統工作場景的功耗分析和功耗統計，從各種設計因素對方案進行優化和改進，最終完善低功耗架構。

3.3先進封裝技術

隨著半導體工藝從摩爾時代進入后摩爾時代，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，先進封裝技術不斷發展變化以適應各種半導體新工藝和材料的要求，同時應對成本、性能和高集成度挑戰，如圖7所示。

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

手機等終端消費產品的低成本要求越發強烈，而國際金價一直保持高位，因此低成本的銅線工藝封裝已經大規模應用在消費類芯片中，成本和性能都有明顯的優勢。

當前電子產品總的發展趨勢是小型化、高性能化、智能化。同時電子產品的迭代速度也在不斷加快，因此需要半導體產品設計周期短、功能集成度高、性能強大。為了實現多個功能模塊內部互聯，簡化產品系統設計，降低系統成本，越來越多的多die封裝如堆疊封裝（PiP）、層疊封裝（PoP）、系統級封裝（SiP）、裸晶片PiP等先進封裝形式己廣泛應用手機，穿戴及終端產品中。

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

4結束語

半導體工藝和技術的發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品會越來越多。半導體技術和產業的發展趨勢集中體現在：

·半導體在M-ICT這一融合化的發展趨勢下，面對更多新的技術挑戰和創新，以及技術和市場方向。

·跨界已經無所不在，芯片設計也面臨著各種產品和技術的融合，尤其是通信功能已經逐漸成為芯片中必備的功能。

·軟件可定義化對芯片設計帶來了更多架構上的挑戰和沖擊，同時圍繞新的芯片架構下的低功耗設計是該結構能夠成功應用的關鍵。

·芯片小型化、智能化發展使得適應多種場景，實現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封裝技術成為半導體的熱點。

半導體是ICT產業的基石，半導體技術和產品發展趨勢與ICT產業交互影響，它的發展趨勢將推動ICT加速融合。中國現正在圍繞ICT融合推動“互聯網+”、“工業4.0”等國家戰略，半導體產業面臨重大的機遇和挑戰。抓住移動互聯網、物聯網、工業互聯網帶來的新的產業機會，能夠使中國半導體產業尤其是芯片設計實現更快的發展，從而實現中國芯，全球夢。

參考文獻

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

[2] 2014年物聯網產業鏈現狀分析[EB/OL]. http：//www.netofthings.cn/GuoNei/2014-11/3553.html

[3] 何為工業互聯網的真正概念[EB/OL].http：//www.iot-online.com/xingyeyingyong/si/2013/0730/24460.html， 2013-07-30

[4] 西門子描繪“工業4.0”路線圖，助力中國向工業強國轉型[EB/OL]. http：//www.gongkong.com/news/201501/320852.html

[5] 淺析物聯網產業的核心技術[EB/OL]. http：//www.enet.com.cn/article/2012/0604/A20120604118345.shtml， 2012-06-04