对新型电子产业发展方向的思考

近40年来，LSI(大规模集成电路)技术创新 快速带动了电子产品不断向高性能、多功能发展。但 是,在不久的将来,LSI的发展速度将随着“摩尔定律” 的终结而放缓。不仅在技术上，在需求上电子产品也 临近转折点。对电子产品的需求从追求方便性，延伸 到了娱乐性与流行性等领域，而未来，随着公众普遍 意识到环境、资源等全球性问题，便会要求电子产品 能带来更多的社会价值。

1  电子产业的技术转变

1.1  从发明晶体管到半导体产业的发展

LSI的历史可以追溯到1947年，当时，贝尔实验 室的威廉•肖克利、沃尔特-布拉顿、约翰•巴丁发明 了晶体管。这三人也因发明晶体管而获得了 1956年的 诺贝尔物理学奖。此后，德州仪器(TI)的杰克•基尔 比开发出了晶体管集成技术，并在1958年制作了世界 上第一个集成电路原型。基尔比因此获得了 2000年 的诺贝尔物理学奖。

在IC领域，随着晶体管的细微化以及集成度的 提升，可以以一定的制造成本实现较高的性能。创办 英特尔的戈登 摩尔注意到这一点后，1965年在《电 子》杂志上撰文称IC集成度每18至24个月增长一 倍°IC不断集成发展，进而演变为大规模集成电路 (LSI)。此后的LSI在40年内都按照摩尔所述的规律 不断地集成化。渐渐地，摩尔的观点被称为“摩尔定 律”。实际上,1971年发明的世界首个微处理器(MPU) 的晶体管加工尺寸为10um，但是，随着细微化发展， 2009年加工尺寸已经达到了其1/200的45 nm0

LSI通过追求细微化实现了不断的高性能化，使 半导体产业得以高速发展。根据2010年Gartner公 司公布的数据，世界LSI市场规模将近3千亿美元， 相当于当年除通信部分外的1.5万亿美元世界信息技 术产业市场的20%。

1.2  摩尔定律带动了 IT产业革命

个人电脑(PC)的普及是LSI市场快速增长的原 因之一。1975年面世的世界首个PC机在上世纪80 年代开始迅速普及。PC机的微处理器(MPU)与 DRAM内存等所用到的LSI随着PC机的普及，其产 量快速增长。

LSI产量增长的同时，按照“摩尔定律”，以一定的成本，快速地提升了性能，性价比中的“价格”因 素得以快速降低。低成本化的LSI不仅应用于当时价 位较高的PC机，还被更多的电子产品所使用。LSI 尺寸越来越小，电子产品不断地向手持化，甚至移动 化发展。LSI的处理速度同步提升，使更复杂的控制、 高速通信、数据处理成为可能，电子产品不断向智能 化方向发展。同时，在互联网时代，摩尔定律使得电 子产品不断普及、互相联网，带动了 IT产业的革命。

1.3   "摩尔定律”的终结

为了实现“摩尔定律”所描述的细微化速度，需 要持续不断的设备投资与研发投资。投资的经济效果 由LSI基本构成因素和互补MOS型晶体管（CMOS）中的微缩理论得以保障。该微缩理论是指将晶体管的 长宽高与电压都变为1/2,既保障功能，又同时实现 高性能化（运算速度提高两倍）与低成本化（面积缩 小为1/4）的物理法则。但是，如果最小加工尺寸细 微化到100 nm以下时，就开始脱离微缩理论。例如， 随着细微化，晶体管所采用的绝缘膜也需要随之变薄， 容易发生漏电，导致耗电量增多。为了解决这些问题， 开发传统器件将需要固体物理知识、新材料等其他领 域的技术。

传统技术不能解决的课题在今后随着细微化的 发展日益增加，难度也将变高。即便解决了这些课 题，最终，仍会达到晶体管可正常工作的尺寸上限和 加工技术的物理上限。专家公认这一上限的加工尺寸 为10~20nm左右，如果早的话，未来五年即将迎 来这一上限值。戈登 摩尔本人在2007年英特尔开发 者论坛主题演讲中讲到，随着细微化的物理限制，“摩 尔定律”将走向终结。

但是，电子产品的大多基本性能都是由LSI实现 的。LSI基本因素的CMOS中尽管面临“摩尔定律” 的终结，但是对电子产品的高性能化需求却永无止境, LSI的发展也不会止步不前。其中，LSI技术发展开始 出现三个方向。首先，追求发展至“摩尔定律”上限的 “延伸摩尔定律”技术方向。也就是，前面所说的通 过固体物理与新材料谋求解决上限问题。其次，不管 CMOS中的“摩尔定律”是否终结，应该进一步实现 高性能化，追求与CMOS不同原理的“超越CMOS” 技术方向。最后，寻求在LSI中追加传感器等新功能 的“超越摩尔定律”技术方向。“延伸摩尔定律”与“超 越CMOS”将成为电子产品高性能化的基础，而“超 越摩尔定律”将成为高性能与多功能的基础。

2  电子产品的需求变化

美国心理学家亚伯拉罕•马斯洛将人类的需求分为几个层次，每当满足较低层次的需求后，都会再去追下一个较高的层次，这被称为马斯洛需求层次。按照这一说法，在人类需求下出现的电子产品也像人类需求一样，从低向高不断发展（图1给出了电子产品的需求变化）。

2.1  从使用方便性到创造文化价值

电子产品不断地满足着人类的需求。需求发展到 新的层次，产品也将进化到新的阶段。电子产品进化 的第一阶段，主要是实现产品自身的基本性能，以方 便性作为价值体现。以电话、电器等为代表的基本产 品所带来的方便性已满足了我们的基本需求。

满足基本性能需求之后，我们开始对电子产品的 趣味性、高级性有了更多的需求。通常，我们将这种 满足个人情绪需求的价值称为文化价值。例如，1979 年推出的随身听以“边走边听”的新创意得到了全世 界年轻人的支持。2007年推出的iPhone拥有使用时 所带来的兴奋感，在世界范围内被追捧，成为热销商品。

因而，电子产品所提供的价值从方便性带来的基 本价值，扩展到赋予情感的文化价值。电子产品迎来 了一边由基本性能所带来的便利价值，一边由文化价 值所产生的个性化的时代。

2.2  创造社会价值

21世纪的消费特征之一是环保意识的提升，它使 得大众的购买意向偏向资源再利用、节能环保等对社 会环境有益的商品，例如：垃圾处理系统、家用太阳 能发电系统、混合动力车等。在这一趋势下的电子产品, 将会不断涌现对社会环境有益的新型智能产品。像这 类产品，通常是对社会环境有益的家电一一智能家电。 智能家电通过嵌入新一代LSI,实现智能基础设施的 互联，从而降低环境负荷，实现社会价值。尽管20世 纪电子产品所产生的价值主要是文化价值，而智能家 电在社会价值方面将做出较大贡献。智能家电的社会 价值将从保护稀有资源的材料技术、节能环保的低功率技术、优化工业控制的信息技术等多领域来实现。

同时，随着近年来资源与能源使用量的爆炸式增 长，未来全球范围内的资源不足、环境破坏等问题会 日益严峻。为了解决这一全球化课题，只有通过将社 会基础设施高度信息化，研发智能基础设施，才能够 彻底消除资源浪费。这些智能基础设施将是LSI的下 一个市场。

智能电网就是智能基础设施之一。智能电网能 有效地掌握与运用用电单位的使用数据、供电单位的 供电系统运行信息等日益庞大的数据而实现电力网络 的智能化。智能电网需要数量级更大的数据处理能力, 也将是LSI巨大的市场。而且，未来不仅仅是电力网， 供水网、天然气网等资源系统也将实现智能化。还有 农业基础设施、交通基础设施、医疗基础设施等的智 能化也在快速发展。基础设施的智能化需要在各个场 所安装传感设备，使用LSI的传感设备能够分布式处 理，并将数据实时地进行反馈。实现这类大规模系统, 除了 LSI之外，还需要“扩展摩尔定律”所涉及的传 感设备和低功率设备。

3  电子技术的新方向

电子产品的基本价值是方便性。这一方便性由于 LSI而得到大幅提升。但是，引导半导体产业的“摩 尔定律”也正一步一步走向终结。所以，电子产品 的价值也开始从降低成本、提升方便性转向文化价值、 社会价值。

3.1系统融合技术

随着LSI技术发展濒临上限，社会需求也在不断 发生变化，电子产品需要融合信息通信技术、环境技 术、生命科学、人文科学等不同领域而发展。

例如，iPhone中首次出现了无按键操作概念，就 是通过融合触摸屏传感器与独自的接口技术来实现的。 接口技术中融合人文科学，使操作性无与伦比，使用 户产生焕然一新的兴奋感觉。同时，苹果公司还提出 了随时随地欣赏内容的概念，并在互联网上开设了 iTunes store。可以说,iPhone正是通过硬件、互联网 等系统的融合，实现了文化价值。例如，智能电网通 过对电网、信息通信技术的融合实现了新的社会基础 设施。如果开发建设有效利用水资源的社会基础设施, 能够解决气候问题、人口问题可能引发的饮用水不足 和粮食不足，而有效利用水资源的智能水网将通过给 排水控制技术、信息通信技术、水资源循环利用技术、 生命科学等融合而实现。

未来，类似的系统融合技术将成为开发电子产品 的关键技术之一，在今后LSI细微加工技术发展速度 放缓的情况下，它会加速电子产品的新的发展。

3.2  从数据中心时代向知识中心时代发展

LSI引发电子产品的IT革命，使我们能够轻而易 举地获取大量信息。这一时期的价值源泉体现在LSI 的信息处理能力，对可瞬间获取海量信息起到很大作 用。或许这一时代应该称为数据中心时代。

21世纪是应对资源不足、环境破坏等全球化课 题的世纪。为了解决这一课题，需要解决资源需求 与供给的不平衡，需要实现能源浪费的可视化。例如， 应在各个场所安装传感器，实时采集信息，并对海量 信息进行解析，从中挖掘最佳知识和控制技术等。因而, 不仅是采集信息，还要从采集到的信息中筛选与挖掘 出对社会有益的知识，可以说，知识中心时代即将到 来。例如，智能电网中采集各个家庭内所安装的智能 电表的电量使用数据、各地区风力发电与太阳能发电 等小型发电状况。这些海量数据通过信息技术进行实 时的知识管理，能够确定所需的发电量，并对电量进 行合理分配，进行最高效的电网管理。在知识中心时代, 对海量数据的采集和进行实时的知识管理，都离不开 信息技术。

3.3  新时代的关键半导体器件

系统集成技术和知识中心时代的信息通信技术的发展，离不开基础的半导体器件。此外，目前化石 能源枯竭、减少温室气体排放都是紧迫的全球性课题，需要电子产品为解决这些课题做出贡献。这样的半导体包括太阳能电池、振动发电装置、光热发电装 置等新能源设备以及用于控制电流的半导体功率器件 等。这些半导体器件的技术开发在未来的半导体行业 仍将占较大比率。其中，为了使LSI等半导体器件产生更多新的附加价值，尤其需要通过技术的融合开发 更多的新功能。不断在LSI中引入传感器等技术，使 其面向能产生新价值的“超越摩尔定律”技术方向发展。

4  结论

渗透到我们生活每个角落的电子产品，目前在技术上和需求上都面临着改变。电子产品由追求方便性 而产生，通过采用LSI得以快速发展。但是，基于当 今CMOS技术的LSI在不久的将来，高性能化速度 将会放缓，也就是说，“摩尔定律”正在终结。

同时，追求方便性而产生的电子产品将随之不断 被高性能化，充分实现其基本价值。而现在，市场需 求将不断地向文化价值与社会价值扩展。未来的电子 产业将追随这些变化，找到新的发展方向。20世纪末 高速发展的电子产品，其价值源泉为LSI，但是未来 电子产品的价值源泉将来自系统融合技术和知识中心 时代的信息通信技术。相信未来基于这些技术与概念, 必将产生更多的新电子设备，迎来新时代的电子产品 发展。

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