ICT融合趋势下的半导体技术和市场发展趋势

王晓明

摘要：认为ICT产业和半导体产业的发展交互影响：ICT产业是中国半导体产业的核心市场方向，而半导体产业的发展将推动ICT加速融合。ICT产业浪潮将围绕下一代信息技术，包括物联网、超高速宽带通信网络，下一代移动通信（5G）、网络与信息安全等。根据ICT产业发展方向，得出芯片架构软件定义化、低功率、封装技术先进化是半导体技术发展的主要趋势。认为中国半导体产业面临重大的机遇和挑战，需要抓住新的产业机会，实现更大发展。

关键词： 半导体；集成电路；信息通信技术；芯片架构；芯片封装

Abstract： The development of the ICT industry and the semiconductor industry mutually influences each other： ICT industry is the core of Chinas semiconductor industry， while the development of semiconductor industry will promote the integration of ICT. The development of ICT industry will focus on the next generation of information technology， including the Internet of Things， ultrahigh-speed broadband communication network， next-generation mobile communication （5G）， and network and information security. Software-defined chip architecture， power efficiency， and advanced packaging technology are the main trends in semiconductor technology. We believe that Chinas semiconductor industry is facing great opportunities and challenges， and we need to seize the new opportunities and achieve greater development.

Key words： semiconductor； integrated circuit； information and communication technology （ICT）； chip architecture； chip package

芯片被喻为国家的“工业粮食”，是所有整机设备的“心脏”，普遍应用于计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等几大领域，起着“生死攸关”的重要作用。2014年全球半导体市场规模达3 200亿美元，其中54%的芯片都出口到中国，但中国产芯片的市场份额只占10%。全球77%的手机是中国制造，但其中不到3%的手机芯片是中国产的。每年进口半导体需要消耗2 000多亿美元，超过了石油和其他大宗商品，是中国第一大进口商品。而且，中国芯片产业长期被其他国家厂商控制，直接制约了中国信息产业的发展。

研究数据表明，芯片产业1美元的产值，可以带动信息产业10美元的产值和100美元的国内生产总值（GDP）。世界各国纷纷将芯片作为国家重点战略产业来抓，美国、日本等发达国家通过大量的研发投入确保技术领先，韩国、新加坡和中国台湾通过积极的产业政策推动集成电路产业取得飞速发展。2014年，中国也正式提出把集成电路产业作为战略的发展方向，中国半导体迎来了腾飞的机遇。

1 半导体市场现状和发展

趋势

自1947年贝尔研究室发明第1个三极管开始，电子工业的不断创新，推动了信息社会的蓬勃发展。1976年Intel创始人Gordon Moore预言：“集成芯片的晶体管数量大约每两年可以翻一倍，伴随集成度提升的是性能的提高。”后来这被称为摩尔定律。如图1所示，集成电路从晶体管（TTL），经过NMOS到CMOS，由1971年的10 um工艺发展到2011年的28 nm，历经了15代，同时摩尔定律也经历了30多年实践的验证。可以预测在2020年左右，CMOS工艺会达到5 nm，半导体即将进入后摩尔的时代 [1]。

半导体行业一直是现代科技的基础，以集成电路（IC）为主的半导体产业也已经成为了全球经济的重要支柱行业之一。据IBS统计，相比全球半导体市场规模的缓慢增长，中国已经成为全球半导体增长最快的市场，到2014年达到了全球市场的一半以上，但是中国的IC设计业产值占全球市场的规模却不到1/5，如图2所示。中国IC设计业还有很大的发展空间，同时也需要面对更大的市场挑战。

根据赛迪市场分析，如图3所示，从2014年中国的半导体市场结构数据看到，半导体市场中与信息、通信和技术（ICT）直接相关（互联网、计算机和消费电子）的市场规模占比达到85%以上，因此ICT相关产业是中国半导体产业的核心市场方向。

2 ICT产业和技术发展趋势

随着个人计算机和通信网络这两次产业浪潮的发展，使平行于物理世界的数字虚拟世界初具规模，而随着IT和CT技术的进一步发展，尤其是在摩尔定律的推动下，所有的设备都慢慢地变得拥有计算能力，拥有联网能力，因此随着数字虚拟世界进一步的扩大和完善，虚拟世界与真实物理世界会有越来越多的连接，最终实现二者的融合。

自超大规模集成电路（VLSI）出现以来，它的快速发展就与整个电子信息产业发展密切相关，如图4所示。在20世纪90年代中期之前，IC的高速发展与IT产业浪潮相匹配，推动了以个人电脑为核心的IT设备的快速普及；接着，CT产业的高速发展继续推动IC的第二次高速发展，半导体的这次高速发展保证了以通信和互联网为核心的CT产业的高速发展，尤其是促进了互联网快速进入千家万户；而进入2010年以后，随着ICT的融合，尤其是移动互联网的发展，基于移动通信网络（M-ICT）的新的产业浪潮将席卷而来，意味着半导体产业的发展即将迎来一轮新的发展高潮。

新的产业浪潮的发展趋势是网络移动化，网络无处不在、无时不在，同时万物互联。新的产业浪潮的发展是ICT的融合，是物联网与互联网的结合，它面对的是海量数据和信息的交流与处理，因此需要更高的通信带宽，更智能化的移动网络和终端，以及更安全的通信和信息，最终形成万物互联的智慧世界，更好地推动社会和经济的发展和进步。因此新的产业浪潮将围绕下一代信息技术，包括物联网（工业互联网）、超高速宽带通信网络，下一代移动通信（5G）、网络与信息安全等。

2.1物联网和工业互联网

物联网是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后信息产业发展的第3次浪潮。

物联网由终端、网络与通信、云计算和物联网应用组成。物联网应用主要包括探测感知、智能家庭、智慧城市和工业互联网等几大类应用方向。

工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果[3]。它通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业、激发生产力，让世界更美好、更快速、更安全、更清洁且更经济。

“工业4.0”是德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念[5]。它是指以信息物理融合系统（CPS）为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第4次工业革命。

“工业4.0”或工业互联网本质上是互联网运动神经系统的萌芽，互联网中枢神经系统也就是云计算中的软件系统控制着工业企业的生产设备、家庭的家用设备、办公室的办公设备，通过智能化、3D打印、无线传感等技术使的机械设备成为互联网大脑改造世界的工具。同时这些智能制造和智能设备也源源不断地向互联网大脑反馈大数据，供互联网中枢神经系统决策使用。

物联网的核心技术包括感知和识别技术，如各类传感器、指纹识别等；通信和网络技术，如移动通信、Wi-Fi、宽带通信网络等；大数据处理技术，针对海量数据的处理和挖掘，创造价值。

根据Gartner预测，未来10年，物联网将全面超过移动互联网和个人电脑，成为最大的半导体市场[4]。

2.2网络通信技术

软件定义网络（SDN）是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。

SDN将网络的智能从硬件转移到软件，用户不需要更新已有的硬件设备就可以为网络增加新的功能。这样做简化和整合了控制功能，让网络硬件设备变得更可靠，还有助于降低设备购买和运营成本。控制平面和数据平面分离之后，厂商可以单独开发控制平面，并可以与ASIC、商业芯片或者服务器技术相集成。

第5代移动通信系统（5G）是3G和4G的延伸。3G和4G移动通信技术是互联网数据驱动的。 那么5G是什么驱动的呢？互联网对更大容量数据的需求仍然是一个主要驱动力，特别在亚洲国家，极高的城市人口密度对网络容量构成了严重的挑战。同时基于物流网的智能电网、智能家居、智能城市等物与物间新型通信业务和数据服务不断涌现是推动5G出现的另一股动力。同时未来的5G网络要比现在的网络具有更高的能量效率。

现在暂时还无法给出5G的完整定义，但是一般公认5G要满足以下这些要求：

·用户体验速度（非理论速度）要达到1～10 Gbit/s

·端到端时延要达到1 ms级

·设备连接数量增加10～100 倍

·能耗减低90%。

因此未来5G网络需要更高的网络带宽，更高的信息处理能力，更大的通信容量，更灵活的网络结构，以及更低的系统能耗。这些都对5G系统和终端用的芯片也提出了更高的要求。

2.3网络和信息安全

网络和信息安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不受偶然的或恶意的破坏、更改、泄露，系统能够连续可靠正常地运行，网络和信息服务不中断，最终实现业务连续性。

网络和信息安全的目的是希望网络系统和系统中的数据实现可管、可控、可信。

随着“棱镜门”、“监听门”等事件的出现，暴露出中国在某些领域的核心技术的缺失，为中国信息安全领域的布局敲响了警钟。安全问题将成为未来网络的核心要素。随着国家信息安全的重要性被提升到战略高度，信息安全建设已经成为刻不容缓且必须大力投入的重点项目，从芯片级解决网络和信息安全问题已经成为共识，真正做到“自主可控”对网络信息安全有着更重要的意义。

3半导体技术发展趋势

前述的ICT的市场、产品和技术发展趋势，对半导体尤其是芯片设计提出了新的、更高的要求。芯片设计技术也需要不断发展来适应和支撑ICT产业的更快发展。半导体技术有着以下一些发展趋势。

3.1软件定义化的芯片架构

ICT融合从SDN开始，并迅速呈现燎原之势。从SDN到软件定义存储（SDS），再到软件定义无线电（SDR），可以说ICT的融合就是对原有专用设备和专用通信网络的通用化，软件定义化的过程。如图5所示，ICT融合的最终结果使ICT融合的架构变成基础通信硬件/专用集成电路（ASIC）+通用CPU。

和可软件化的ICT产品架构类似，芯片的架构也越来越向可软件化方向发展，目前软件可定义化的可重构的芯片架构正在成为主流。软件定义化的芯片架构本质上还是系统级芯片架构（SOC），如图6所示。

软件定义化的芯片架构主要组成部分包括处理器、片上互连、存储以及安全、通用的ICT功能模块和通用标准接口等。下面简单介绍这些部分的发展趋势。

·处理器：处理器虚拟化能力将会进一步增强。

虚拟化是指在同一个物理处理器上提供多种软件执行环境的技术。可在同一CPU上虚拟出安全和标准两种执行环境，未来安全和通用双操作系统会是产品安全解决方案趋势之一。虚拟监控程序是一种非中断方式实现工作负载迁移能力的超级管理程序，它在执行时，会给每一个虚拟机分配适量的CPU、内存等资源，并加载所有虚拟机的客户操作系统，可真正实现多操作系统和应用共享同一套物理硬件，是虚拟化技术的核心。

·互连：总线互连向网络互连（NOC）、一致性互连发展。

随着处理器核和外设数量的增加，系统各个设备间的互联变得越来越复杂，传统的总线matrix的结构已经不能满足性能、带宽的需求，正逐步向NoC网络结构发展。同时多核间的数据一致性维护也对互连提出了新的需求，内置一致性维护模块的互连网络可通过硬件方式保证各个节点间的数据一致性，同时还减少了由于数据一致性所需的额外存储的访问，从而可以为提高系统性能和降低系统功耗提供有力保障。

·存储：集中存储向多通道存储发展。

最新的双重数据比率（DDR 4）/低功率双重数据比率（LPDDR 4）速度可以超过3 200 Mbit/s。即使是这样的速度，以往的集中式存储方式，依然会引起DDR访问数据的阻塞，这种情况下，只能采用双通道DDR方式来提升存储带宽。双通道，就是芯片可以在两个相互独立的数据通道上分别寻址、读取数据，这在架构设计上不仅仅需要系统中有两个DDR控制器。通常情况下，系统还需要有相应的interleave机制，来对访问DDR的操作进行自动拆分，从而缓解单路DDR的带宽压力，有效提升系统性能。

·安全：数据安全向环境安全不断发展。

信息安全日趋重要，软件定义化的架构越来越注重安全设计，安全已经不是普通意义上的数据加密，而是要构建安全的执行环境。软件定义化架构安全设计的趋势是支持安全可信执行环境（TEE）。通过系统架构上的硬件隔离、总线访问控制构建可信区域，在硬件可信区域上实现软件隔离和安全操作系统，在可信环境中管理敏感资产和密钥、执行关键应用，并集成高性能的加解密算法。

·通用ICT功能模块：兼容通信功能，可软件定义。

通用ICT功能模块围绕着软件定义化的结构，更多的是突出基本的功能，通过软件定义来实现完整的系统功能。通用的ICT功能包括编解码、图像视频处理、信号处理等功能。它不一定是纯粹的ASIC硬件模块，也可能是具备一定专用功能的处理器，如图形处理器（GPU）、数字信号处理（DSP）等。

·通用接口：向高速、高带宽的方向发展。

DDR 4、USB 3.0、10 G以上Serdes接口在各种芯片中成为标配，一方面应用场景的复杂使得数据交互量越来越多，而且对数据传输的速度要求越来越高；同时半导体工艺的演进也保证了有相应的技术来支撑数据交互加速的需求。

需要指出，芯片的架构设计已经从传统的经验设计演化到定量评估，从单一的硬件性能/功能设计推进到软硬件协同设计。此外低功耗设计也成为架构设计的重要组成。

3.2低功耗技术

近年来，随着芯片先进工艺、高集成度、复杂IP、先进SOC技术的发展，出现了各种采用低功耗技术的芯片。手机芯片“核战”此起彼伏，仅用两年时间就实现了从单核到八核芯片的跨越，处理器从32位走到64位；复杂的多媒体技术，经过不断发展，实现了高清显示和高清摄影，一次次刷新着眼球；物联网的火热发展，带动各种低功耗微控制单元（MCU）芯片及相关的应用层出不穷。纵观这些SOC芯片，低功耗技术在其中扮演了重要的角色，从表及内我们来看看低功耗技术的一些发展趋势。

·低功耗的互联技术

为了实现低功耗的数据交互，各种标准化组织和公司提出了各种各样的通信技术。大家熟悉的蜂窝无线通信2G/3G/4G/5G技术，已经实现了从几kbit/s到几百Mbit/s的速率连接。现在大量涌现的Bluetooth、Wi-Fi、Zigbee技术，已经实现了更低功耗和更加便捷的互联互通。其他低功耗连接技术，也实现了民用、商用到工业使用的功能各异的万物互联需求。通过制订标准化的互联协议技术，规范产品接口，这些低功耗连接技术实现了各种不同功能的设备可以互联互通。这些低功耗连接技术，通过减少设备之间的信令交互，简化设备接入方式，减少设备连接在网的时间，延长设备睡眠的时间，通过这些方式减少设备的功耗。可以预见，低功耗互联技术和应用会有很大的发展。

·低功耗实现技术

为了有效降低功耗，在芯片设计中通常会使用时钟门控、多阈值设计、多电压设计、电源门控、动态频率调整（DFS）、动态电压频率调整（DVFS）、自适应电源调整（AVS）、低功耗memory技术。芯片动态功耗中，时钟树的动态功耗通常达到40%以上。时钟门控技术根据系统工作的情况，动态门控系统时钟，可以有效减少芯片的动态功耗。多阈值设计是指采用具有不同阈值门限的库单元，在满足时序要求的前提下，尽量降低电路的漏电功耗。通常的电路电压越高性能越好，采用多电压设计技术是为了在满足高速率电路性能的前提下，可以降低低频电路的电压，以此达到降低功耗的目地。电源门控技术，是根据电路的工作特性，当部分电路不需要工作时，关闭该部分电路的电源，降低电路的漏电功耗。DFS设计，是根据系统的性能需求，软件动态调整电路的工作频率，降低电路的功耗。DVFS设计，在DFS设计的基础上，软件根据系统性能需求，可以动态调整电路的工作频率和工作电压，以此达到降低动态功耗的要求。相比DFS、DVFS技术，AVS技术更加智能、高效地降低功耗。AVS技术可以自动检测芯片的性能，实现动态自适应调整芯片的工作电压。低功耗memory技术，是根据memory的工作状况，采用本体偏置的方式降低漏电功耗，或者采用多电源的设计降低memory的漏电功耗。这些低功耗实现技术，通过在芯片设计中的使用，能够有效地解决芯片设计中的功耗问题，被越来越多的设计所采用。

·工艺的提升

随着芯片的工艺制程从65 nm、40 nm到28 nm，再到16 nm/14 nm，乃至10 nm，每次工艺的更新都会有效地降低电路的尺寸和核心电压，减少电路的尺寸，伴随而来的是芯片功耗持续减少。TSMC、Intel、三星等Foundary厂商，正在不遗余力地加快更先进工艺的研发工作。虽然28 nm工艺刚刚普及，但是16 nm工艺已经开始实现量产，14 nm以至于10 nm工艺都已经开始试产， 7 nm的工艺也已经开始研发。

·EDA工具的支撑

为了支持低功耗设计实现，电子设计自动化（EDA）工具厂商提出了不同的解决方案。EDA厂商在提供各自设计流程的同时，还在各自的硬件仿真器上支持低功耗功能。比如Synopsys的Zebu支持UPF，可以在硬件仿真器上实现系统的低功耗设计，调试低功耗的软硬件功能；Cadence的PXP支持CPF，实现低功耗的验证和调试功能。

EDA厂商在构建完整的低功耗设计流程后，方便IC设计者从系统设计、实现、验证、调试等不同层面实现低功耗的功能，加快了低功耗设计的实现进度，并且保证了低功耗设计的质量。

·低功耗软硬件控制策略

随着低功耗功能的复杂化，如何有效地划分低功耗硬件和软件功能变得更加复杂。传统的低功耗实现，硬件占据主导地位，软件只需要实现简单的功能配置既可。随着SOC集成度的增加，各种不同系统功能集成到一颗芯片上，使得系统功耗的管理变得更加复杂。现在的SOC芯片，呈现出多核异构系统、多操作系统、应用模式、管理方式共存的局面，有效划分各个子系统功耗控制功能，划分软硬件的功能。以最小代价实现低功耗并且对功耗控制性能最佳的方式变得尤为重要。低功耗软硬件控制策略的实现，需要耗费大量的系统人员的精力，在不同的方案间进行取舍，设计出满足系统的最优方案。

·低功耗的设计架构

为了实现更低的系统功耗，在架构设计初期就要考虑低功耗的需求。通常低功耗架构设计时，需要考虑到芯片的工作模式、电源分区的实现、时钟复位的考虑、子系统控制数据交互方式、低功耗软件实现、低功耗方案的可实现性、低功耗方案的可测试性、低功耗方案的验证等一系列因素。设计好的方案，还需要进行一系列的功耗评估工作，进行系统工作场景的功耗分析和功耗统计，从各种设计因素对方案进行优化和改进，最终完善低功耗架构。

3.3先进封装技术

随着半导体工艺从摩尔时代进入后摩尔时代，单纯缩减Si工艺尺寸来提高芯片的集成度以减小芯片面积趋于极限，先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和材料的要求，同时应对成本、性能和高集成度挑战，如图7所示。

芯片性能越来越高，管脚数量越来越多，传统的包括方形扁平无引脚封装（QFN）、方型扁平式封装技术（QFP）、球阵列封装（BGA）在内的封装技术无法满足高性能芯片对电性能和抗电磁干扰，因此发展出电磁抗干扰能力强并导电性强及散热性能高的倒装封装技术（FC）。

手机等终端消费产品的低成本要求越发强烈，而国际金价一直保持高位，因此低成本的铜线工艺封装已经大规模应用在消费类芯片中，成本和性能都有明显的优势。

当前电子产品总的发展趋势是小型化、高性能化、智能化。同时电子产品的迭代速度也在不断加快，因此需要半导体产品设计周期短、功能集成度高、性能强大。为了实现多个功能模块内部互联，简化产品系统设计，降低系统成本，越来越多的多die封装如堆叠封装（PiP）、层叠封装（PoP）、系统级封装（SiP）、裸晶片PiP等先进封装形式己广泛应用手机，穿戴及终端产品中。

另外为减小封装面积，降低器件重量及能耗，提高系统速度，封装形式从2D的平面封装逐步转向晶片堆叠、扇出、2.5维中介层和3维硅通孔技术（3D TSV3）的PoP、SiP，目前这些技术己逐步应用在相关领域芯片[5]。

4结束语

半导体工艺和技术的发展使得芯片变得越来越小型化，高性能、低成本、低功耗和智能化的芯片产品会越来越多。半导体技术和产业的发展趋势集中体现在：

·半导体在M-ICT这一融合化的发展趋势下，面对更多新的技术挑战和创新，以及技术和市场方向。

·跨界已经无所不在，芯片设计也面临着各种产品和技术的融合，尤其是通信功能已经逐渐成为芯片中必备的功能。

·软件可定义化对芯片设计带来了更多架构上的挑战和冲击，同时围绕新的芯片架构下的低功耗设计是该结构能够成功应用的关键。

·芯片小型化、智能化发展使得适应多种场景，实现多种功能的芯片逐渐成为主流，单一功能的芯片日益边缘化，因此满足快速推出芯片的先进封装技术成为半导体的热点。

半导体是ICT产业的基石，半导体技术和产品发展趋势与ICT产业交互影响，它的发展趋势将推动ICT加速融合。中国现正在围绕ICT融合推动“互联网+”、“工业4.0”等国家战略，半导体产业面临重大的机遇和挑战。抓住移动互联网、物联网、工业互联网带来的新的产业机会，能够使中国半导体产业尤其是芯片设计实现更快的发展，从而实现中国芯，全球梦。

参考文献

[1] [科技] 芯片： “中国芯” 迎来战略机遇期[N]. 参考消息， 2015-01-13

[2] 2014年物联网产业链现状分析[EB/OL]. http：//www.netofthings.cn/GuoNei/2014-11/3553.html

[3] 何为工业互联网的真正概念[EB/OL].http：//www.iot-online.com/xingyeyingyong/si/2013/0730/24460.html， 2013-07-30

[4] 西门子描绘“工业4.0”路线图，助力中国向工业强国转型[EB/OL]. http：//www.gongkong.com/news/201501/320852.html

[5] 浅析物联网产业的核心技术[EB/OL]. http：//www.enet.com.cn/article/2012/0604/A20120604118345.shtml， 2012-06-04