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技术集成电路光刻摩尔定律驱动 集成度和复杂度加速提高

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我国与世界领先国家在信息技术领域存在相当大的差距,了解未来信息技术发展趋势,有助于促进我国信息技术和信息产业的发展。中国电子学会与中国电子报社共同主办的2007年中国电子技术年会将于4月19日召开,为配合本次年会,本报从今天起将刊登“电子信息技术发展趋势”系列专题,分析研究集成电路、软件、计算机及网络技术、通信技术、显示器件技术等电子信息技术未来5-10年的发展趋势,希望能带给读者一些启示。

  设计技术:面向SoC设计成主流

  面向SoC的设计方法将成主流

  由于电子整机系统不断向轻、薄、小的方向发展,集成电路功能也由单一向复杂转变,并且向系统集成发展的方向已经明确。目前,SoC电路已经能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和输入/输出等功能。由此可见,将数字电路、存储器、CPU、DSP、射频电路、模拟电路、传感器甚至微机电系统(MEMS)等集成在单一芯片上,实现一个完整系统功能的SoC设计将成为未来集成电路设计的主流。未来SoC芯片的设计将以IP复用为基础,把已优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中。

  SoC设计技术包括总线架构技术、基于SoC的IP核复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术和低功耗设计技术等。

  另外,面向SoC之后的网络芯片(NoC)的设计思想亦将进入集成电路设计领域。

  设计线宽不断降低,芯片集成度不断增加

  据专家分析,今后5~10年内,集成电路技术仍将遵循摩尔定律发展,而集成电路设计则是体现这一定律至关重要的一个环节。

  目前,主流集成电路设计已经达到0.18μm~0.13μm,高端设计已经进入90nm,芯片集成度达到108~109数量级。根据2003年ITRS(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductor)公布的预测结果,2007年将实现特征尺寸65nm,2010年将实现45nm,2013年将实现32nm,2016年将实现22nm量产。产品制造的实现是以设计为基础,相应的设计手段同期将达到这一水平。

  EDA工具广泛应用,设计可行性与可*性提高

  随着集成电路设计在规模、速度和功能方面的提高,EDA业界一直在努力寻找新的设计方法。未来5~10年,伴随着软硬件协同设计技术、可测性设计技术、纳米级电路设计技术、嵌入式IP核设计技术、特殊电路的工艺兼容技术等新方法出现在EDA工具中,EDA工具将得到更广泛的应用。EDA工具为集成电路的短周期快速投产提供了保障,使全自动化设计成为可能,同时设计的可行性和可*性也可得到不断提高。先进的EDA工具将成为集成电路设计必不可少的技术手段。

  IP复用技术不断完善

  IP复用技术经过30余年的发展,目前已成为集成电路设计领域中至关重要的一种技术。利用IP复用技术可以节省设计人员的时间,充分实现技术继承性。未来5~10年,绝大部分集成电路产品均将采用IP复用技术,IP复用机制将完善并普及,从而形成庞大的产业。IP复用技术在集成电路设计领域将会占有举足轻重的地位。

  可编程逻辑器件将大规模应用

  可编程逻辑器件(PLD),尤其是现场可编程门阵列(FPGA)是近几年集成电路中发展最快的产品。由于其性能的高速发展以及设计人员自身能力的提高,PLD将在未来5~10年内发挥更广泛的作用,同时,它们还会促使复杂的专用芯片面向高端和更复杂的应用。由于PLD的应用,集成电路的设计流程将更简化,设计周期将会不断缩短,同时设计成本和制造成本将进一步降低。

  集成电路设计与整机系统结合将更加紧密

  未来5~10年,集成电路设计将围绕应用展开,64位甚至128位通用CPU以及关产品群的开发、3C多功能融合的移动终端芯片组开发、网络通信产品开发、数字信息产品开发、平面显示器配套集成电路开发等都将成为集成电路设计所面向的主体。

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  我国IC设计技术现状及差距

  从集成电路设计方法来讲,半定制正向设计是世界集成电路设计的主流技术,全定制一般应用在CPU等设计要求较高的产品中,逆向设计则多应用于军用集成电路的设计过程中。

  20世纪90年代以来,我国集成电路设计业得到了长足发展,大唐微电子、杭州士兰、珠海炬力、中国华大等专业设计公司已经崭露头角,年销售额已经达几亿元人民币。其设计能力达到0.25μm~0.18μm,高端设计已经达到0.13μm。我国集成电路设计已从逆向设计过渡到正向设计,全定制的设计方法也在某些电路设计中得到体现。但值得指出的是,我国集成电路设计公司基本上都是依赖国际先进的设计工具。

  在EDA工具方面,华大集成电路设计中心已经成功开发出全套EDA工具软件包熊猫九天系列(Zeni系列)。虽然我国在EDA工具研发方面取得了一定的成绩,但产品仍未达到普及的水平,更谈不上与世界顶尖厂家在高层次水平上竞争。

  在IP核方面,我国的研发总量不大,未能形成规模市场,而且还存在着接口标准不统一、复用机制不健全以及知识产权保护力度不够等现象,加之国际大型IP核公司纷纷以各种方式向我国企业以低价甚至免费授权方式推广其产品,对国内IP核产品的市场化形成非常大的阻力。

  芯片制造技术:纳米级加工技术向纵深发展

  晶片直径继续增大

  目前,世界主流生产线采用的晶片直径正在从200mm(8英寸)向300mm(12英寸)过渡,下一步将开始向400mm(16英寸)发展,预计实用化的400mm晶片将在2007~2010年间问世,届时晶片的大型化将显著提高生产效率和成品率。虽然增大晶片直径会带来巨额投资,但在未来5~10年内,这仍将是集成电路芯片制造领域内一个明显的发展趋势。

  特征尺寸持续缩小

  2004年,集成电路的特征尺寸开始正式进入纳米阶段,90nm线宽的集成电路被大规模应用在CPU、DSP等复杂集成电路中。根据预测,2007年将实现65nm,2010年将实现45nm,2013年将实现32nm,2016年将实现22nm产。

  纳米级光刻工艺将广泛使用

  未来5年,集成电路芯片制造技术将全面进入纳米阶段,如何研发与生产工艺相匹配的光刻技术将成为主要问题。虽然当前浸润式光刻技术已经在90nm~65nm水平的应用上达到实用水平,并且正在向45nm工艺节点延展,但在更细线宽的应用上,前景仍不明朗。可以预测,未来5~10年,准分子激光光刻技术、远紫外曝光光刻技术、电子束投影光刻技术、X射线光刻等下一代光刻技术中的一项或几项将进入成熟阶段,成为主流光刻技术。

  铜互连工艺将继续拓展并得到广泛使用

  目前铜互连技术已被众多的生厂家应用于高端电路产品的加工生产中,而且由原来的6~7层互连发展到现今的9~10层互连。围绕着铜互连技术产生了一系列集成电路芯片制造工艺的改进,而且相应的技术改进目前仍在进行当中。在未来5~10年内,铜互连技术本身以及相关技术将继续拓展并趋于成熟和完善,最终完全替代铝互连技术成为主流技术。

  新型器件结构的产生将带动新工艺诞生

  随着器件特征尺寸的持续缩小,未来5~10年内,集成电路的发展将遇到材料复杂性和系统复杂性大幅度提高所带来的阻碍。因此,诸如双栅器件/垂直器件、单电子存储器和相变存储器等将是满足65nm以下器件生产的必要条件。另外,对于45nm以下的器件生产,需要探索更具革新性的器件结构。随着新型器件结构的产生,相关的加工技术将发生本质性的变化,新的加工工艺亦将诞生。

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  我国芯片制造技术现状及差距

  集成电路芯片制造技术是指完成集成电路芯片制造过程的一系列特定的加工工艺技术。这一系列技术包括:掩模制造、氧化、掺杂、外延、光刻、刻蚀、互连等多项技术,而每一项技术之中又包含若干子技术。

  当前,世界上规模化生产的集成电路芯片制造工艺已经进入0.13μm线宽,最先进的集成电路厂商已经开始大规模采用90nm线宽的集成电路芯片制造技术,65nm线宽的工艺技术已经趋于实用化。

  国内集成电路芯片制造技术水平与世界先进水平相差巨大。由于早期我国的集成电路生产厂走的是小而全、大而全的道路,从设计开始,既有芯片生产线,又有封装线,有还包括制版、外延甚至拉单晶等。经过多年发展,这种状况目前得到了很大的改善,一批大型集成电路生产企业逐步建成。2003年,我国8英寸晶片厂在全球占有率提高至10%~12%,我国集成电路芯片制造业已经出露端倪。近年在全球市场兴旺发展的大潮的带动下,我国集成电路产业投资加剧,国际合作的大环境促进了产业向我国大陆转移,中芯国际、上海华宏NEC等大型芯片制造企业已经具备大模集生产集成电路的能力。目前,我国8英寸晶片制造产能快速扩充,主流制造工艺水平已经达到0.18μm。2004年9月,中芯国际0.1μm/12英寸生产线在北京落成,现在已经投产运行,这条生产线是我国目前水平最高的生产线,已经步入世界主流。虽然我国集成路芯片制造业近年来大规模发展,但不容忽视的是,生产过程中所用到的设备基本都是从国外进口。以光刻机为例,以上所提到的生产线中的光刻机基本都是从欧美和日本进口,尤其是0.5μm以下的光刻机百分之百都来自国外。

  在“十五”计划期间,国家安排了集成电路专用设备重大科研专项,包括100nm分辨率集成电路光刻机、等离子刻蚀机和大倾角离子注入机,目前相关设备的研究已经取得成果。

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