對新型電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的思考

近40年來，LSI(大規(guī)模集成電路)技術(shù)創(chuàng)新 快速帶動了電子產(chǎn)品不斷向高性能、多功能發(fā)展。但 是,在不久的將來,LSI的發(fā)展速度將隨著“摩爾定律” 的終結(jié)而放緩。不僅在技術(shù)上，在需求上電子產(chǎn)品也 臨近轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對電子產(chǎn)品的需求從追求方便性，延伸 到了娛樂性與流行性等領(lǐng)域，而未來，隨著公眾普遍 意識到環(huán)境、資源等全球性問題，便會要求電子產(chǎn)品 能帶來更多的社會價(jià)值。

1  電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)變

1.1  從發(fā)明晶體管到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

LSI的歷史可以追溯到1947年，當(dāng)時，貝爾實(shí)驗(yàn) 室的威廉?肖克利、沃爾特-布拉頓、約翰?巴丁發(fā)明 了晶體管。這三人也因發(fā)明晶體管而獲得了 1956年的 諾貝爾物理學(xué)獎。此后，德州儀器(TI)的杰克?基爾 比開發(fā)出了晶體管集成技術(shù)，并在1958年制作了世界 上第一個集成電路原型?；鶢柋纫虼双@得了 2000年 的諾貝爾物理學(xué)獎。

在IC領(lǐng)域，隨著晶體管的細(xì)微化以及集成度的 提升，可以以一定的制造成本實(shí)現(xiàn)較高的性能。創(chuàng)辦 英特爾的戈登 摩爾注意到這一點(diǎn)后，1965年在《電 子》雜志上撰文稱IC集成度每18至24個月增長一 倍°IC不斷集成發(fā)展，進(jìn)而演變?yōu)榇笠?guī)模集成電路 (LSI)。此后的LSI在40年內(nèi)都按照摩爾所述的規(guī)律 不斷地集成化。漸漸地，摩爾的觀點(diǎn)被稱為“摩爾定 律”。實(shí)際上,1971年發(fā)明的世界首個微處理器(MPU) 的晶體管加工尺寸為10um，但是，隨著細(xì)微化發(fā)展， 2009年加工尺寸已經(jīng)達(dá)到了其1/200的45 nm0

LSI通過追求細(xì)微化實(shí)現(xiàn)了不斷的高性能化，使 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得以高速發(fā)展。根據(jù)2010年Gartner公 司公布的數(shù)據(jù)，世界LSI市場規(guī)模將近3千億美元， 相當(dāng)于當(dāng)年除通信部分外的1.5萬億美元世界信息技 術(shù)產(chǎn)業(yè)市場的20%。

1.2  摩爾定律帶動了 IT產(chǎn)業(yè)革命

個人電腦(PC)的普及是LSI市場快速增長的原 因之一。1975年面世的世界首個PC機(jī)在上世紀(jì)80 年代開始迅速普及。PC機(jī)的微處理器(MPU)與 DRAM內(nèi)存等所用到的LSI隨著PC機(jī)的普及，其產(chǎn) 量快速增長。

LSI產(chǎn)量增長的同時，按照“摩爾定律”，以一定的成本，快速地提升了性能，性價(jià)比中的“價(jià)格”因 素得以快速降低。低成本化的LSI不僅應(yīng)用于當(dāng)時價(jià) 位較高的PC機(jī)，還被更多的電子產(chǎn)品所使用。LSI 尺寸越來越小，電子產(chǎn)品不斷地向手持化，甚至移動 化發(fā)展。LSI的處理速度同步提升，使更復(fù)雜的控制、 高速通信、數(shù)據(jù)處理成為可能，電子產(chǎn)品不斷向智能 化方向發(fā)展。同時，在互聯(lián)網(wǎng)時代，摩爾定律使得電 子產(chǎn)品不斷普及、互相聯(lián)網(wǎng)，帶動了 IT產(chǎn)業(yè)的革命。

1.3   "摩爾定律”的終結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)“摩爾定律”所描述的細(xì)微化速度，需 要持續(xù)不斷的設(shè)備投資與研發(fā)投資。投資的經(jīng)濟(jì)效果 由LSI基本構(gòu)成因素和互補(bǔ)MOS型晶體管（CMOS）中的微縮理論得以保障。該微縮理論是指將晶體管的 長寬高與電壓都變?yōu)?/2,既保障功能，又同時實(shí)現(xiàn) 高性能化（運(yùn)算速度提高兩倍）與低成本化（面積縮 小為1/4）的物理法則。但是，如果最小加工尺寸細(xì) 微化到100 nm以下時，就開始脫離微縮理論。例如， 隨著細(xì)微化，晶體管所采用的絕緣膜也需要隨之變薄， 容易發(fā)生漏電，導(dǎo)致耗電量增多。為了解決這些問題， 開發(fā)傳統(tǒng)器件將需要固體物理知識、新材料等其他領(lǐng) 域的技術(shù)。

傳統(tǒng)技術(shù)不能解決的課題在今后隨著細(xì)微化的 發(fā)展日益增加，難度也將變高。即便解決了這些課 題，最終，仍會達(dá)到晶體管可正常工作的尺寸上限和 加工技術(shù)的物理上限。專家公認(rèn)這一上限的加工尺寸 為10~20nm左右，如果早的話，未來五年即將迎 來這一上限值。戈登 摩爾本人在2007年英特爾開發(fā) 者論壇主題演講中講到，隨著細(xì)微化的物理限制，“摩 爾定律”將走向終結(jié)。

但是，電子產(chǎn)品的大多基本性能都是由LSI實(shí)現(xiàn) 的。LSI基本因素的CMOS中盡管面臨“摩爾定律” 的終結(jié)，但是對電子產(chǎn)品的高性能化需求卻永無止境, LSI的發(fā)展也不會止步不前。其中，LSI技術(shù)發(fā)展開始 出現(xiàn)三個方向。首先，追求發(fā)展至“摩爾定律”上限的 “延伸摩爾定律”技術(shù)方向。也就是，前面所說的通 過固體物理與新材料謀求解決上限問題。其次，不管 CMOS中的“摩爾定律”是否終結(jié)，應(yīng)該進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) 高性能化，追求與CMOS不同原理的“超越CMOS” 技術(shù)方向。最后，尋求在LSI中追加傳感器等新功能 的“超越摩爾定律”技術(shù)方向。“延伸摩爾定律”與“超 越CMOS”將成為電子產(chǎn)品高性能化的基礎(chǔ)，而“超 越摩爾定律”將成為高性能與多功能的基礎(chǔ)。

2  電子產(chǎn)品的需求變化

美國心理學(xué)家亞伯拉罕?馬斯洛將人類的需求分為幾個層次，每當(dāng)滿足較低層次的需求后，都會再去追下一個較高的層次，這被稱為馬斯洛需求層次。按照這一說法，在人類需求下出現(xiàn)的電子產(chǎn)品也像人類需求一樣，從低向高不斷發(fā)展（圖1給出了電子產(chǎn)品的需求變化）。

2.1  從使用方便性到創(chuàng)造文化價(jià)值

電子產(chǎn)品不斷地滿足著人類的需求。需求發(fā)展到 新的層次，產(chǎn)品也將進(jìn)化到新的階段。電子產(chǎn)品進(jìn)化 的第一階段，主要是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自身的基本性能，以方 便性作為價(jià)值體現(xiàn)。以電話、電器等為代表的基本產(chǎn) 品所帶來的方便性已滿足了我們的基本需求。

滿足基本性能需求之后，我們開始對電子產(chǎn)品的 趣味性、高級性有了更多的需求。通常，我們將這種 滿足個人情緒需求的價(jià)值稱為文化價(jià)值。例如，1979 年推出的隨身聽以“邊走邊聽”的新創(chuàng)意得到了全世 界年輕人的支持。2007年推出的iPhone擁有使用時 所帶來的興奮感，在世界范圍內(nèi)被追捧，成為熱銷商品。

因而，電子產(chǎn)品所提供的價(jià)值從方便性帶來的基 本價(jià)值，擴(kuò)展到賦予情感的文化價(jià)值。電子產(chǎn)品迎來 了一邊由基本性能所帶來的便利價(jià)值，一邊由文化價(jià) 值所產(chǎn)生的個性化的時代。

2.2  創(chuàng)造社會價(jià)值

21世紀(jì)的消費(fèi)特征之一是環(huán)保意識的提升，它使 得大眾的購買意向偏向資源再利用、節(jié)能環(huán)保等對社 會環(huán)境有益的商品，例如：垃圾處理系統(tǒng)、家用太陽 能發(fā)電系統(tǒng)、混合動力車等。在這一趨勢下的電子產(chǎn)品, 將會不斷涌現(xiàn)對社會環(huán)境有益的新型智能產(chǎn)品。像這 類產(chǎn)品，通常是對社會環(huán)境有益的家電一一智能家電。 智能家電通過嵌入新一代LSI,實(shí)現(xiàn)智能基礎(chǔ)設(shè)施的 互聯(lián)，從而降低環(huán)境負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)社會價(jià)值。盡管20世 紀(jì)電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的價(jià)值主要是文化價(jià)值，而智能家 電在社會價(jià)值方面將做出較大貢獻(xiàn)。智能家電的社會 價(jià)值將從保護(hù)稀有資源的材料技術(shù)、節(jié)能環(huán)保的低功率技術(shù)、優(yōu)化工業(yè)控制的信息技術(shù)等多領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)。

同時，隨著近年來資源與能源使用量的爆炸式增 長，未來全球范圍內(nèi)的資源不足、環(huán)境破壞等問題會 日益嚴(yán)峻。為了解決這一全球化課題，只有通過將社 會基礎(chǔ)設(shè)施高度信息化，研發(fā)智能基礎(chǔ)設(shè)施，才能夠 徹底消除資源浪費(fèi)。這些智能基礎(chǔ)設(shè)施將是LSI的下 一個市場。

智能電網(wǎng)就是智能基礎(chǔ)設(shè)施之一。智能電網(wǎng)能 有效地掌握與運(yùn)用用電單位的使用數(shù)據(jù)、供電單位的 供電系統(tǒng)運(yùn)行信息等日益龐大的數(shù)據(jù)而實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò) 的智能化。智能電網(wǎng)需要數(shù)量級更大的數(shù)據(jù)處理能力, 也將是LSI巨大的市場。而且，未來不僅僅是電力網(wǎng)， 供水網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等資源系統(tǒng)也將實(shí)現(xiàn)智能化。還有 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、交通基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施等的智 能化也在快速發(fā)展?；A(chǔ)設(shè)施的智能化需要在各個場 所安裝傳感設(shè)備，使用LSI的傳感設(shè)備能夠分布式處 理，并將數(shù)據(jù)實(shí)時地進(jìn)行反饋。實(shí)現(xiàn)這類大規(guī)模系統(tǒng), 除了 LSI之外，還需要“擴(kuò)展摩爾定律”所涉及的傳 感設(shè)備和低功率設(shè)備。

3  電子技術(shù)的新方向

電子產(chǎn)品的基本價(jià)值是方便性。這一方便性由于 LSI而得到大幅提升。但是，引導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“摩 爾定律”也正一步一步走向終結(jié)。所以，電子產(chǎn)品 的價(jià)值也開始從降低成本、提升方便性轉(zhuǎn)向文化價(jià)值、 社會價(jià)值。

3.1系統(tǒng)融合技術(shù)

隨著LSI技術(shù)發(fā)展瀕臨上限，社會需求也在不斷 發(fā)生變化，電子產(chǎn)品需要融合信息通信技術(shù)、環(huán)境技 術(shù)、生命科學(xué)、人文科學(xué)等不同領(lǐng)域而發(fā)展。

例如，iPhone中首次出現(xiàn)了無按鍵操作概念，就 是通過融合觸摸屏傳感器與獨(dú)自的接口技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。 接口技術(shù)中融合人文科學(xué)，使操作性無與倫比，使用 戶產(chǎn)生煥然一新的興奮感覺。同時，蘋果公司還提出 了隨時隨地欣賞內(nèi)容的概念，并在互聯(lián)網(wǎng)上開設(shè)了 iTunes store?？梢哉f,iPhone正是通過硬件、互聯(lián)網(wǎng) 等系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)了文化價(jià)值。例如，智能電網(wǎng)通 過對電網(wǎng)、信息通信技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)了新的社會基礎(chǔ) 設(shè)施。如果開發(fā)建設(shè)有效利用水資源的社會基礎(chǔ)設(shè)施, 能夠解決氣候問題、人口問題可能引發(fā)的飲用水不足 和糧食不足，而有效利用水資源的智能水網(wǎng)將通過給 排水控制技術(shù)、信息通信技術(shù)、水資源循環(huán)利用技術(shù)、 生命科學(xué)等融合而實(shí)現(xiàn)。

未來，類似的系統(tǒng)融合技術(shù)將成為開發(fā)電子產(chǎn)品 的關(guān)鍵技術(shù)之一，在今后LSI細(xì)微加工技術(shù)發(fā)展速度 放緩的情況下，它會加速電子產(chǎn)品的新的發(fā)展。

3.2  從數(shù)據(jù)中心時代向知識中心時代發(fā)展

LSI引發(fā)電子產(chǎn)品的IT革命，使我們能夠輕而易 舉地獲取大量信息。這一時期的價(jià)值源泉體現(xiàn)在LSI 的信息處理能力，對可瞬間獲取海量信息起到很大作 用?；蛟S這一時代應(yīng)該稱為數(shù)據(jù)中心時代。

21世紀(jì)是應(yīng)對資源不足、環(huán)境破壞等全球化課 題的世紀(jì)。為了解決這一課題，需要解決資源需求 與供給的不平衡，需要實(shí)現(xiàn)能源浪費(fèi)的可視化。例如， 應(yīng)在各個場所安裝傳感器，實(shí)時采集信息，并對海量 信息進(jìn)行解析，從中挖掘最佳知識和控制技術(shù)等。因而, 不僅是采集信息，還要從采集到的信息中篩選與挖掘 出對社會有益的知識，可以說，知識中心時代即將到 來。例如，智能電網(wǎng)中采集各個家庭內(nèi)所安裝的智能 電表的電量使用數(shù)據(jù)、各地區(qū)風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電 等小型發(fā)電狀況。這些海量數(shù)據(jù)通過信息技術(shù)進(jìn)行實(shí) 時的知識管理，能夠確定所需的發(fā)電量，并對電量進(jìn) 行合理分配，進(jìn)行最高效的電網(wǎng)管理。在知識中心時代, 對海量數(shù)據(jù)的采集和進(jìn)行實(shí)時的知識管理，都離不開 信息技術(shù)。

3.3  新時代的關(guān)鍵半導(dǎo)體器件

系統(tǒng)集成技術(shù)和知識中心時代的信息通信技術(shù)的發(fā)展，離不開基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件。此外，目前化石 能源枯竭、減少溫室氣體排放都是緊迫的全球性課題，需要電子產(chǎn)品為解決這些課題做出貢獻(xiàn)。這樣的半導(dǎo)體包括太陽能電池、振動發(fā)電裝置、光熱發(fā)電裝 置等新能源設(shè)備以及用于控制電流的半導(dǎo)體功率器件 等。這些半導(dǎo)體器件的技術(shù)開發(fā)在未來的半導(dǎo)體行業(yè) 仍將占較大比率。其中，為了使LSI等半導(dǎo)體器件產(chǎn)生更多新的附加價(jià)值，尤其需要通過技術(shù)的融合開發(fā) 更多的新功能。不斷在LSI中引入傳感器等技術(shù)，使 其面向能產(chǎn)生新價(jià)值的“超越摩爾定律”技術(shù)方向發(fā)展。

4  結(jié)論

滲透到我們生活每個角落的電子產(chǎn)品，目前在技術(shù)上和需求上都面臨著改變。電子產(chǎn)品由追求方便性 而產(chǎn)生，通過采用LSI得以快速發(fā)展。但是，基于當(dāng) 今CMOS技術(shù)的LSI在不久的將來，高性能化速度 將會放緩，也就是說，“摩爾定律”正在終結(jié)。

同時，追求方便性而產(chǎn)生的電子產(chǎn)品將隨之不斷 被高性能化，充分實(shí)現(xiàn)其基本價(jià)值。而現(xiàn)在，市場需 求將不斷地向文化價(jià)值與社會價(jià)值擴(kuò)展。未來的電子 產(chǎn)業(yè)將追隨這些變化，找到新的發(fā)展方向。20世紀(jì)末 高速發(fā)展的電子產(chǎn)品，其價(jià)值源泉為LSI，但是未來 電子產(chǎn)品的價(jià)值源泉將來自系統(tǒng)融合技術(shù)和知識中心 時代的信息通信技術(shù)。相信未來基于這些技術(shù)與概念, 必將產(chǎn)生更多的新電子設(shè)備，迎來新時代的電子產(chǎn)品 發(fā)展。

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