後摩爾定律 半導體的未來 - 工程師

鑒於每隔幾天都有人問電子業的未來
我分享自己一年前寫的文章
包括自己的歸納和對未來的預測
希望對心中有疑問的人有幫助

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後摩爾定律時代　半導體的未來?

已經好久沒有寫blog了
在我停筆的這四五年中
網路界也誕生了不少新東西 像是Facebook, Twitter
這些新興的社群網路
彷彿是繼2001年的網路泡沫後另一次的造山運動 匯集大量的投資基金

今天我想 如果我不再重新開始寫blog
第一我會擔心自己提早變成不追趕流行的老人(雖然我還是有在玩facebook啦)
第二我會擔心自己的國語寫作或表達能力退化

這四五年我的生活是在加州矽谷度過的
一開始的求學和後來的工作都在相同的地方
我還記得第一天從舊金山機場一路走101往南
到了聖荷西時 開車接機的叔叔跟我說 矽谷到了
我那時還小小的失落了一下 我以為矽谷應該是像竹科一樣高樓密集林立的
但眼前的矽谷卻是寥寥幾棟高樓和無數間"平房"散落在廣大的區域中
如果不是有一棟建築物上有Yahoo的標誌 我真不知道我來到了矽谷
放眼望去 視野是多麼遼闊 天空是多麼湛藍清澈 容不下一片雲朵

現在已經畢業並工作幾年了
在矽谷時時會提醒自己是活在一個充滿"silicon"的地方
即使實質製造silicon的工廠多已移往外州或亞洲
但矽的精神和靈魂還在這個谷中不停迴盪著 穿梭在已被房屋住家取代的橘子園中

今年是電晶體發明以來的第50周年
這幾十年來 半導體的急速進步與成長造就了許多千萬富翁
也讓許多亞洲國家共襄盛舉的賺了不少錢
誰能想像到 在人類幾千年的文明史中
頭一遭我們能人手一台手機或電腦
讓所有資訊影像轉換成以一位元一位元的數位訊號輕飄飄地在空氣,電纜,或光纖中傳輸
讓世界各角落的人能以虛擬六度空間的方式聯繫起來
雖然沒有小叮噹的任意門
只要一台網路攝影機 還是可瞬間看到地球對岸親朋好友的一舉一動
科技對人類的生活影響層面實在太深太廣了
而堆砌起資訊時代的積體電路 也不過才發展了幾十年 短過一代人的平均壽命

然而就像人的一生一樣
掌握半導體產業50年的摩爾定律
預計在2020年左右會走到終點
即使樂觀的相信技術上可以繼續縮小電晶體的線寬到10nm甚至之下
考慮成本和收益 經濟模型下的甜蜜點似乎早就停在90nm或65nm左右(?)

如果看ITRS road map
CMOS電晶體的線寬最小會縮到22nm 預計在三年後達成
再接下來就要使用架構不同的奈米元件了
預計極限是11nm　約在2022年左右達到
直到現在 究竟用哪種奈米元件取代CMOS電晶體還沒有共識
而如何大量且快速的生產高良率的奈米電路也還不清楚
比方說 光罩解析度馬上就要達到極限了
有人發展一種技術 就像用噴墨印表機一樣 一點一滴的畫出幾千萬電晶體的IC
速度奇慢可想而知

如果半導體業成功的照著ITRS road map走
摩爾定律的確會在2020年代失效
如果因為技術無法突破或是公司無法在更昂貴的新製程中獲利而無法照著road map走
摩爾定律也許會提早失效
而電子業過往"利用摩爾定律的創新模式"也不複在
也就是說　從很大很慢的電腦到很小很快的電腦的"創新"模式將不複在
手機再也不會從磚塊大小的"大哥大"變成迷你可愛的手機
一條128GB的隨身碟也再也不會輕意降價了
所有電子產品的規格(spec)停留在這個點上　成為電子業最後的註記...

在這個走向摩爾定律終點的變遷過程中
有些公司或工程師種類會變的不重要　或不需要這麼多人

對消費者而言
過去的趨勢是　每過一年消費者就可以用"越少"的錢買到"越快越好越小"的電子產品
這迫使(或刺激)消費者購買新的產品取代"還活的好好的"舊產品
然而摩爾定律失效後　消費者花一樣的錢只買的到一樣功能的產品(粗略來講)
如果你要功能或容量兩倍的產品　請你負擔兩倍的"晶片成本"
電腦或手機為何現在能滲透到較貧窮的新興國家　
就是因為摩爾定律（和亞洲高素質低成本人力）的威力讓電子產品不停降價
只要一個產品做到百元美元以下　就會多出成千上萬的人口進入這個市場
這些成千上萬的人口形成更大的網路　
也間接推動了現在赤手可熱的社群網路(social network)
反之　在後摩爾時代　只有金字塔上端的有錢人可以負擔新的高階電子產品
高階產品的市場隨之縮小 願意研發高階產品的公司也會減少

做晶圓代工的公司　由於沒新製程可推　也不用闢出新的生產線　就專心做舊製程的生意
由於不用蓋新的廠房和買天價般的新設備
不變成本(fixed cost)慢慢被時間沖淡　開一顆光罩的成本就會漸漸下降
對IC設計公司是好事　但晶圓公司的毛利率也會越來越少　
公司不成長　股價不成長　裁員整併
由於半導體業最多的就業人口集中在廠房　迫使大部分的半導體從業人員失業

半導體設備商也不用再發展新的技術
只要留幾個有經驗的工程師維護客戶端的設備　

以IC設計公司而言　當製程不再改變後
過一段時間　基本的電路功能其設計會趨於穩定
不管是ASIC的乘法器或加法器　
或是類比電路的PLL或ADC(由於製程固定　spec也會越來越固定)
都會慢慢的建在library中　漸漸的每次製程都要重來的characterization也不必了
由於不需要設計新的電路挑戰更難的spec
電路設計工程師的數量也不需要那麼多
大部分電路方塊(block)被當成library中的基本元素
當系統需要甚麼功能
就把需要的元素甚至類比電路拿來當成積木般拼拼湊湊(如同寫程式般)
再用一些系統層次的CAD tool檢查一下timing,功率,面積或signal integrity就好了

簡單的說　IC設計公司的工作性質慢慢改變了
IC設計公司的存在價值　在以往是不斷追趕著新的規格或製程
即使兩代產品功能一樣　只要下一代比較快　就勇敢的進入下個製程
在後摩爾時代　如同軟體公司　IC設計公司的價值是在開拓更多的應用領域
(反正速度也不會更快 面積也不會更小　賣給系統商的晶片成本也不會降低了）
在走向"應用"這個層次時　IC設計公司也許會與作系統的公司整合在一起
比方說　蘋果的iPod或iPhone　或是多功能型的掌上型機器都是"應用"的例子
值得一提的昰　這些例子中　品牌和外型是很重要的　

除了開發直接走向使用者端產品　
IC設計公司的另一個方向可以是發展"與摩爾定律無關"的元件
摩爾定律主要是針對數位電路的　讓處理數位資訊的能力更快更強
對類比電路而言　其甜蜜點絕不是甚麼22nm或奈米級電晶體
今天類比工程師被迫要把電路放在先進製程上　
是為了跟數位電路一齊搭在同一艘SOC船上
對純類比晶片而言　停留在便宜的舊製程就可以了　
Wii的3D感應器就是一種很好的例子

以後的半導體業會與現今大不同
為減少上下游各環節平分掉的利益　
為面對高階產品無法降低成本的問題　及其衍伸出的市場規模變小
為負擔先進製程的昂貴光罩或其他種製造方式
也許更多的公司整合或倒閉會發生
過去冒出的無晶圓IC設計公司和晶圓代工這種產業分工的模式
可能會走回垂直整合的舊模式　讓資金集中火力　並讓毛利率提升
當晶圓代工廠建立了一套數位和類比電路的library後　他也可以自己發展IC
不然就是系統公司自己做IC設計　就像蘋果電腦買下一家微處理器的公司要自己開發晶片

再誇張一點
在製程固定一段時間後　也許下晶片可以降到夠便宜的價格
並且CAD工具也越來越成熟　
足以精確model不僅元件本身　也包含系統層次的交互作用　以將下test chip的次數減少
此時也許可以再帶起一波無晶圓IC設計的熱潮
只是此次我們不再需要顧慮製程的改變　只要專心在實現創意上
如同軟體公司的操作方式　只是這次我們的函式庫裡是滿滿的電路檔案

無論如何
在後摩爾時代　"硬體"不再進步時　
唯一能進步的就是"系統架構"和"應用創意"了　還有少許特殊功能的"純類比"電路設計


新註:
在今年的一個研討會上Intel的講者說:"摩爾定律是半導體產業的必要驅動力",言下之意,
所有的替代方案(新應用或新架構)都無法產生如同摩爾定律般的的爆炸性驅動力
(exponential!),只要摩爾定律失效的那天,不管是電子業或是資訊業都將會跟其他產業沒
甚麼兩樣.軟體的繼續最佳化與平行處理可以拖延這個結局的時間點,但是不論如何,"資訊
"或"處理資訊"的單位成本都不會exponentially下降了.冰箱過了20年還是冰箱...



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