“互连”是新的增长引擎,而且它也预示着半导体有一个好的未来
作者:Girish Mhatre
每种技术都有它的生命周期。当它被引入到应用实践时,新技术通常需要一段时间才能走向应用。但是一旦开始获得应用,它将迅速扩散。一项技术的扩散阶段往往也是其生命周期中的全盛期。此时,从事这项技术开发的新公司将如雨后春笋般涌现,而且它将给从业者和专家带来大量财富。
下一个阶段是这项技术的广泛接受期。此时,该技术的财富效应蔓延到市场及社会, 它被广泛使用和标准化,并受到供求关系的制约。换言之,它变得大众化。该技术的供应商在变得强大的同时也变得更脆弱。市场规模继续扩大,但厂商越来越难获利。因此,供应商不得不专注于提高生产效率,而创业活动开始减缓。
随着该技术被更新的技术所取代,它开始进入衰退阶段。很少有一种技术会完全消失。替代技术可能具有显著的优势,但通常是1对1的替代。于是,老的技术只能在特定的应用领域找到用武之地。
20世纪早期的三大革命性技术分别是铁路、汽车和飞机。所有这些发明都是为了连接世界,并使世界变得更小。
铁路已经衰落,但仍作为一种廉价、慢速和大容量运输工具而存在。汽车和飞机已经大众化。事实上,汽车是我们定义的一种特别异乎寻常的大众商品例子。它们的销售量每年都在增长,但汽车制造商从每辆车上赚取的利润却变得越来越少。我们可以用无利繁荣这个术语来形容汽车制造业。
本文的目的是研究半导体技术的生命周期,以及最新、最强大的互联技术的生命周期。半导体工业刚从收入和利润下滑的严重困境中解脱出来,我们的目标是探寻什么将使半导体工业重归繁荣。又或者,我们会不会发现在许多方面面临的挑战是如此的严峻,以至于利润和这个产业的健康都将在未来的一段时间内处于危险之中,除非整个产业发生了根本性的变革？
有一件事情非常清楚:随着它的年销售额逼近1,500亿美元,半导体工业不仅成为世界上最大的制造业之一,而且是其中最重要的产业。众所周知,半导体技术带来了20世纪的第三次工业革命:计算和通信革命(以及互联网革命)。
此外,该产业的长期销售前景看上去依然光明。PC和蜂窝电话已经成为今天的日用商品,而且它们继续在大规模地销售。此外,更强大、更多功能的衍生产品正在研发之中, 这些产品将继续消费功能更强大的半导体芯片。
整合了娱乐、移动通信和计算功能的设备正成为推动半导体工业近期增长的引擎。半导体业务总是受到某类特定设备的拉动。最初,来自军事系统的需求培育了整个产业。之后,大型计算机的增长支撑了对半导体的需求。最近,蜂窝电话和互联网创造的爆炸性需求使半导体行业在20世纪末到达顶峰。
特别地,半导体产业的新增长引擎强调“连接性”,尤其是普遍的互连,不仅针对消费电子,而且包括所有类型的应用。这将给针对无线应用和电源管理的半导体器件带来好兆头。
即使没有需要新一类互连能力的新应用,电子设备中包含的硅内容也一直在稳定上升。“随着每一次产品的更新换代,电子系统的含硅量都在逐步增加,”飞利浦的首席技术官Theo Classen表示,“数字设备比模拟设备包含更多的硅内容。硅正在取代铜和铁。例如,在电视机领域,CRT正被LCD取代。相同的事情也发生在交通运输工具上,机械驱动装置正在被机电联接装置所取代。”
事实上,用在汽车和飞机中的电子器件对于半导体工业而言是一个重要的驱动引擎。汽车的电子设备正在迅速增加,半导体器件开始接管引擎和传动控制、巡航控制、舒适和安全装置,并提供导航和多媒体娱乐。但并非所有半导体供应商都能从这个有吸引力的市场受益。
因为该市场要求半导体供应商提供各种各样的产品,如传感器、电源管理器件、闪存存储器和控制器等,但并非所有供应商都能做到这一点. 此外, 设计周期非常长,而且现有的供求关系也很难打破。
再向前看一步,在医疗与电子领域的交叉点,一个潜力巨大的全新半导体应用领域即将出现。“在10年内,医疗监控系统将产生与过去十年里移动电话对半导体工业类似的影响和驱动力,”ARM Holdings公司的Robin Saxby表示,“生物应用已经启动,它们将拓宽系统级芯片的定义。”
尽管前途是光明的,但半导体工业仍面临严峻的短期挑战,这将影响到企业是否能盈利,甚至是否能生存。大量的并购将改变半导体产业的现状。
首先是意法半导体首席经济学家Jean-Phillippe Dauvin所指出的“生产能力过剩”问题,这是由过去几年的需求泡沫而导致的。这种产能过剩就像一个沉重的财务负担套在大多数制造商的脖子上,并使客户在议价中占据主动。反过来,这将影响到盈利的数额,并危及行业中弱势竞争者的生存。
“半导体工业已经成熟,”英飞凌的CEO Ulrich Schumacher表示,“每个领域所能容纳的厂商数量将决定合并的程度。”例如,在DRAM行业领先的前三家厂商现在总共占据了75%的市场份额,而10年前,10家顶级厂商所占有的市场份额也不到50%。Altera公司的CEO John Daane指出,仅两家公司现在就控制了80%的可编程逻辑器件市场,而且已经没有新兴公司再涉足PLD领域的研发。
DRAM和PLD已经存在相当长的时间,因此在成熟的领域里合并是不可避免的。但是现在甚至在最新和增长最快的领域里,合并似乎也将来临。“下一个可能将发生在无线半导体领域,”Schumacher预言道。
新兴企业创业活动由于受到当前经济风暴的冲击而减少,但这可能是产业成熟的另一个标志。“即使新兴公司能够筹集到足够的资本进行设计和生产,它们还面临如何从顶级客户赢得订单的挑战。产品的复杂性增加以及更短的产品生命周期给老牌企业和新兴公司都带来了挑战。”Dialog半导体公司的CEO Roland Pudelko表示。
第二个因素是心态。大多数半导体行业的公司都已经存在了10年以上,因此它们对摩尔定律的信念从未动摇,这个定律假定集成电路的复杂度将以一种可预测的速度翻倍,与此同时,其制造成本将相应下降。额外的好处是:电路复杂度的提高将增加集成的功能、增强芯片的可靠性；同时减少芯片的尺寸、重量和功耗。半导体工业一直相信,他们使芯片变得更快、更便宜、更小的能力将催生新兴的市场。
新兴企业创业活动的减少可能是产业成熟的另一个标志
自1995年以来,半导体行业的收入曲线开始趋于平缓,虽然其总收入在2000年达到峰值。该行业不得不面对计算机和手机需求饱和的现实,而它们一直是产业的主要驱动力。半导体工业可能不得不第一次面对市场驱动力不足的问题。
业界的技术领先者早就对此做出了反应。如果需求下降,那就通过增加复杂度来降低制造成本,即在更大的晶圆上生产面积更小、密度更高、功能更多的集成电路。
如果技术领先者能够成功地坚守摩尔指数,那么他们将把大批的竞争者远远甩在身后。在向下一代工艺转移的过程中,他们将使那些没能充分利用上一代工艺产能的竞争者背上沉重的财政负担。
但目前还不清楚这些领先者能否成功地做到这一点。“对我们的产业来说,许多指数趋势已经接近极限。”摩尔本人曾说过,“如果我们想继续保持历史上的前进速度,那么就必须对这些指数赋予新的涵义。”
在2003年国际固态电路大会的一次主题演讲中,摩尔指出:“在下个十年,我们一定会遇到一个新的基础障碍:由原子组成的材料及其相关技术即将达到原子的极限。”
需要解决的问题还有许多。这些问题可以分为两类:提高器件速度和控制渗漏电流。解决方案目前还不明朗。无畏的技术领先者正在寻找可以帮助现有技术创造更高性能产品的“催化剂”。他们所尝试的技术包括采用应力硅以提高电荷载体的迁移率、高k电介质、金属栅电极以及绝缘硅。在FinFET等多栅器件方面,研究人员也在探索IC基础构建模块的平面结构。
但即使技术障碍被克服,这些研究努力能否带来回报呢？正如摩尔在他的演讲中所指出的:“技术挑战将不断升高,但财务上的挑战也将如此。显然,在一个收入增长放缓的行业里,这是一个非常可怕的障碍。”
克服障碍的成本是如此巨大,以至于只有少数几家最大的半导体制造商才敢于进行开发研究。那么其它的公司该怎么办呢？
在PC产业发生的事情可能将在蜂窝电话产业重演
一些公司正求助于联合研发和联合制造,其它厂商则希望专业晶园代工厂能帮他们解决问题。“人们习惯性地认为代工厂的技术会比最新的工艺落后半拍,但情况不再是如此。”LSI Logic的创始人兼董事长Wilf Corrigan表示。事实上,与自产自用的晶圆厂相比,代工厂具有先天的优势。代工厂可以使用来自许多设计公司的产品来填充它的生产线,而自有晶圆厂越来越需要大批量的产品,以确保它的运作是高效的。
另一方面,制造工艺越复杂,其与设计过程的联系必然越紧密。设计与制造之间更紧密、更交互的集成将给代工厂、无晶圆厂设计公司以及EDA业界带来新的挑战。“EDA业界还不能满足我们的要求,问题在于他们总是无法就标准达成一致。”Corrigan表示。
目前,为了分解设计和制造而进行的实验性努力并没有达到宣称的效果,即建立即插即用虚拟元件的商业模式。不过,ARM Holdings公司是个例外,它的微处理器IP在业界得到了广泛应用。
半导体工业面临的第三个问题与供应链动态有关。半导体技术的独特之处在于:通过提高“封装密度”,厂商可以制造出更智能、更便宜的产品。半导体业界已经使用这种方法来扩展终端市场。但这同时也意味着,随着每一代工艺技术的发展,在设备内部的芯片价值越来越高。
PC是最佳的证明。实际上,PC的所有知识产权都集中在内部的芯片上。以戴尔为代表的PC制造商已经被迫放弃通过功能来创造价值,代之以通过组装、营销和销售创造价值。
在PC产业发生的事情可能将在蜂窝电话产业重演。一大批半导体制造商正在打造标准芯片组,甚至单芯片手机,通过组装这些芯片就可以制造出手机,从而创造在装配、营销和销售之外的价值。如果手机构架及相关知识的控制权被半导体制造商所掌握,那么诺基亚等手机制造商就可能命运堪忧。正如赛普拉斯创始人兼CEO T.J. Rodgers所阐述的一个基本法则:“如果我能制造它,那么你将受到伤害,因为我控制了芯片。”
这对于半导体工业来说也许不是一件坏事。问题是消费类市场有其特殊性。中短期内,半导体工业将把个人消费电子市场视为大批量出货的引擎。这意味着,随着芯片在消费电子产品中所占的价值比重越来越高,半导体工业与个人消费者的距离变得越来越近。然而,消费类市场是众所周知的低利润市场。
“你不能期望从消费类市场赚取高额利润,”英飞凌的CEO Ulrich Shumacher表示,“只有当年增长率高达30%或40%时,所有厂商才都可能是赢家。现在,无线通信市场正逐渐转变成日用消费品市场。”但这对于LSI Logic的Corrigan来说并不是什么新闻。“消费者永远是最终的驱动力,”他说,“今天,消费者与芯片之间的隔阂正在消失。”
问题是,半导体工业并不具备直接服务消费者的经验。十几年前,半导体工业试图通过制造电子表、视频游戏机和计算器来攀向上游的产业链,但结果只是意识到它不应该涉足这些业务。
让我们来看一下今天的案例。虽然LSI Logic不生产DVD整机,但它的确实现了这种播放机的几乎所有功能。由于消费电子市场具有非常高效的销售机制,所以新产品实现商业化的时间被大大缩短。对于一台80美元的DVD播放机(这被认为是刺激消费者疯狂购买的价格点),其内部芯片的利润是相当有限的。
消费者的心理
尽管半导体工业与个人消费者的距离越来越近,但它仍然没有真正了解消费者变化多端的口味和风格,而正是这些口味和风格创造了附加价值。“我们(半导体工业)对大众市场仍缺乏了解,”ST公司的Dauvin承认道,“我们不得不从销售应用转向销售用途。例如,个性化的电子产品可能需要不同的卖点,而不仅是提高产品的性价比。”日本半导体制造商也许是个例外,他们希望凭借自己在消费电子领域的专长重新挽回他们的声誉。
从半导体工业的观点来看,唯一的解决方案是提高制造效率。但这要求进行大规模生产,即制造的产品必须是标准产品而不是定制产品。“对半导体工业而言,实现这一目标的途径之一是从纯元件转向平台。”ST公司董事长Pasquale Pistorio表示。对手持设备而言,平台是指可以通过软件进行定制的大量标准半导体。许多公司都可以提供平台。籍此,半导体制造商将获得制造的经济性,而手机制造商将通过软件实现产品的差异化。不过,这些软件不是由微软、而是由半导体厂商提供。
“软件将比芯片更重要,”Pistorio说,“业界需要可互操作的平台。如果存在这样一个平台,PC的价格将下降得更快。”
平台应该是经编程后可应用于一组大批量产品中的专用标准产品。但一般而言,可编程器件可能最适合用于平衡大批量产品与各种不同应用客户定制要求之间的需求。
“向可编程方向发展是一个明确的趋势,”Altera公司的Daane表示,“就获得高投资回报而言,我们需要在几类市场为几类客户提供大批量芯片。”有趣的是,由标准产品制造商倡议的平台方法与由可编程逻辑器件制造商倡议的可编程方法正在走向融合。为了给FPGA添加更多的结构,Altera及其他厂商不惜牺牲器件的纯灵活性。“我们正在为某些特定客户提供IP模块。这是一个需要折衷的问题。我们希望集成最常使用的模块,但又不能集成得太多。”Daane说。
平台和可编程逻辑器件都是为了降低先进技术的制造成本而提出的解决方案。它们都受到半导体业界摩尔定律的驱动。
问题是如何为现有的成熟的技术寻找合适的应用
“但是我们如何应用这些技术呢？”Corrigan指出,“问题是必须为现有技术找到稳定的应用。”
在这方面,我们或许可以从模拟电路行业的商业模式中发现答案。模拟半导体不需要使用先进的制造工艺。此外,它们可以找到更广泛的应用,而且它们是标准的普通构建模块。模拟半导体公司在衰退时期通常表现得更好,因为他们没有过度依赖于一个应用领域,所以能够维持高利润率。“我们今天获得的利润比4、5年前更高。”凌特公司创始人兼首席执行官Bob Swanson表示。他们之所以能够做到这一点,最重要的原因是采用了更聪明的设计。那么,数字CMOS行业能否从模拟电路行业获得启示呢？
从一开始,数字电路为降低制造成本所采取的方法就与模拟电路有本质区别。“人们总是愿意为更高性能的产品买单,”Swanson说,“因此,我宁愿花费时间设法将芯片的价值提高50美分,而不是去考虑如何降低它的成本。”
每个数字系统都需要一些模拟电路作为补充。“什么是市场驱动力并不重要。”Swanson表示。此外,电源和电源管理以及高压电路都属于模拟领域。除了灵巧的电路设计之外,半导体工业中的模拟电路还引领着封装技术的发展。
最后,思维倾向也是问题之一。模拟电路行业总是积极寻找新应用,因为它不得不如此。这个行业一心一意地设法增加价值,而不是降低制造成本。尽管模拟电路制造商没有发展最高的工艺水平,但是他们拥有对生产工艺的绝对控制力。“我们必须控制工艺。”Swanson说。
赛普拉斯公司的Rodgers正在做进一步的努力。他们试图将其半导体工艺应用到太阳能电池技术和MEMS中。在这两方面,他们并没有使用最先进的制造工艺,相反,他们使用非常经济的半导体工艺创造了与传统CMOS完全不同的应用。“产品的区别在于架构和应用,而制造只是一个过程。”Rodgers表示。
未来的应用
如果真是如此,半导体工业将需要寻找在计算和通信以外的应用。它需要发现新的大规模应用,而且要不必完全依赖制造越来越小的晶体管的能力来满足这些应用的需求。在历史上,面对棘手的难题,业界总是依赖于工程创新。现在,我们也许应该超越工程技术,首先去更好地了解人类自身的情况:什么使生活变得更美好、更方便、更安全,然后再提供相应的技术解决方案。
对此,LSI公司的Corrigan表示乐观:“成千上万的人都在思考未来的应用,而互联网使每个人都知道如何去寻找他们需要的东西。”
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