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。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，貝爾實驗 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現(xiàn)較高的性能。創(chuàng)辦 英特爾的戈登 摩爾注意到這一點后，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，摩爾的觀點被稱為“摩爾定 律”。實際上,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，性價比中的“價格”因 素得以快速降低。低成本化的LSI不僅應(yīng)用于當(dāng)時價 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?！把由炷柖伞迸c“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，主要是實現(xiàn)產(chǎn)品自身的基本性能，以方 便性作為價值體現(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值稱為文化價值。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)品所提供的價值從方便性帶來的基 本價值，擴(kuò)展到賦予情感的文化價值。電子產(chǎn)品迎來 了一邊由基本性能所帶來的便利價值，一邊由文化價 值所產(chǎn)生的個性化的時代。

2.2  創(chuàng)造社會價值

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，實現(xiàn)社會價值。盡管20世 紀(jì)電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的價值主要是文化價值，而智能家 電在社會價值方面將做出較大貢獻(xiàn)。智能家電的社會 價值將從保護(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)實時地進(jìn)行反饋。實現(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 的價值也開始從降低成本、提升方便性轉(zhuǎn)向文化價值、 社會價值。

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，實現(xiàn)了文化價值。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 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，充分實現(xiàn)其基本價值。而現(xiàn)在，市場需 求將不斷地向文化價值與社會價值擴(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，其價值源泉為LSI，但是未來 電子產(chǎn)品的價值源泉將來自系統(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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