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小小芯片撼动世界50年,世界集成电路发展概况

文章来源:北京科普之窗

【内容来源】:《芯片营销》_芯片行业基本情况概括

小小芯片撼动世界50年

【阅读时间】:15min

微芯片的“芳踪”随处可觅:炊具、电脑、信用卡、红绿灯、手机卡等。不久前,她刚刚度过了50岁的生日。

【字数】:约4800字

全球彩票app彩票官网,1958年9月12日,美国得克萨斯仪器公司的工程师杰克•基尔比首次向世人展示了第一个微芯片。他的集成电路是在一个玻璃板上焊上锗晶体管和其他组件完成的。当年7月,因为刚刚加入公司,基尔比未被允许度假。暑假期间,他试图用低成本和有效的方式将许多电子元器件连在一起,以组成一个复杂的电路,当时他选用的半导体材料就是锗。当然,现在锗已被换成了硅。他认为,所有的元器件可由同样的半导体材料制成,并且能形成一个复杂的电路。

【推荐理由】:讲述了集成电路的发源史,分析了2013年前后的芯片行业的全球情况,还有美国,日本,欧洲,韩国,台湾等地区的集成电路发展的特点。

基尔比的“粗糙”设计自此带来了电子工业的革命,也改变了世界的面貌。微芯片最终孕育了现代计算机工业,没有它,互联网也不复存在。现代的通信、交通、医药、制造以及商业都建立在微芯片强大的运算能力的基础上。

【看法】:2017年第一季度全球半导体销售TOP 10如下图。其中4家公司总部在美国,2家在欧洲,2家在韩国,另外新加坡和日本分别有一家。总体上,前10大半导体供应商在2017年第一季度全球半导体厂商的996亿美元销售额中占据了56%的份额。想关于2016年全年的排名,存储巨头SK海力士和美光在2017年第一季度的排行榜中表现出很明显的排名提升。这源于近期DRAM和NAND闪存市场的需求激增,这两家公司分别上升两个位置,SK海力士盘踞第三名,美光则上升为第四名。2017年的并购事件还有国内的一些政策支持,包括武汉新芯科技着力发展存储行业,必然也会在一定程度上影响到市场上芯片的价格和整体的行业水平。国内之前着力发展的显示器和LED相关芯片,在整个市场上控制了芯片的价格,让芯片价格得以下降。芯片行业相对来说也是有自身的周期的,也有大小年之分,不仅与芯片相关厂商,设计商,制造商封装商等有关,还与电子厂家,芯片被提供者的生产周期和全球的经济情况有很大关系。(点击阅读原文链接到“一个外国分析师中的中国半导体”)

技术分析公司高德纳的研究总监吉姆•塔利说:“集成电路如此彻底地与我们的生活紧密交织,以至于很难想象没有它的世界将是什么样子,集成电路是信息时代的发动机。”今年,集成电路的产值将超过2670亿美元,高德纳预计,到2012年将达到3300亿美元。

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近些年来,微芯片变得越来越小。但是,真正的革命在于一个芯片上的晶体管数量越来越多。20世纪60年代后期,一个微芯片上有几百个晶体管;到20世纪80年代,增加到几万个;今年,英特尔公司推出的一款编号为“Tukwila”的微型处理器,其上晶体管数量超过20亿个。

【内容】:

微芯片成功的关键在于它们的生产成本一直很低,因为芯片以及它们的元件被作为一个整体来生产;同时,它们的性能很好,因为其元件能很快地开合,并且消耗的能量也很少。

全球彩票网址登录,1、集成电路的发明

复杂的微芯片的发展一直遵循着戈登•摩尔于1965年提出的摩尔定律:每两年,复杂性将翻倍。然而,最近几年许多人却指出摩尔定律已名存实亡,快速更新换代的微芯片似乎正在注视着这个定律的终结。

美国人杰克.基尔比和罗伯特.诺伊斯被公认为集成电路发明者,共获殊荣。

杰克•基尔比于2005年离开人世,他是幸运的,因为他见证了自己的发明对这个时代发展的推动作用。

1958年,年金34岁的杰克.基尔比加入美国德州仪器公司。正是德州仪器这家“给我提供了大量的时间和不错的实验条件”的公司,基尔比差不多把全部时间用于研究电子器件的微型化,也正是德州仪器的这一温室,孕育了他后来开创性的成就。在晶体管发明之后,无数工程师为此而备受鼓舞,他们开始尝试设计更加快速的计算机,但是由于受晶体管体积限制,由晶体管制成的电子设备体积非常庞大,早期的计算机动辄就有一个房间那么大。在这样的前提下,基尔比提出了将多个电子元器件集成在一个装置上的伟大设想,并最终把它变成了现实。

作者:本报记者刘霞文章来源:科技日报

1958年9月12日,基尔比成功实现了把电子元器件集成在一块半导体材料上的构想,基于锗材料上制作了一个相移振荡器的简易集成电路,并以此于1959年2月申请了“小型化的电子电路”的专利(专利号:US3138743)。

与此差不多同时,在1959年7月,美国仙童公司的罗伯特.诺伊斯利用一层氧化膜作为半导体的绝缘层,制作出铝条连线,使元件和导线合成一体,发明了基于硅的集成电路,于1959年7月也申请了“半导体器件——连接结构”的专利(专利号:US2981877)。

诺伊斯是一位科学界和商业界的器材。他在硅集成电路的发明,开启了半导体芯片行业的新时代,可商业生产的硅芯片,使半导体产业进入了“商用时代”。单就这个成就,诺伊斯也足以名垂青史,不仅如此,他还与人共同创办了两家硅谷最伟大的公司:第一家是仙童公司,被誉为半导体工业的摇篮,集成电路的“黄埔军校”;第二家是科技界最闪耀的明星英特尔(Intel)公司,英特尔公司直到今天仍然代表着集成电路领域最先进的技术,引领着微电子行业的发展方向。

颇具戏剧性的是,基尔比申请专利在先,但是获得批准灾后,而诺伊斯的专利申请在后,批准在先。一段时间内,德州仪器和仙童公司为争夺集成电路发明权而诉诸公堂。而实际上,基尔比和诺伊斯两人的研究互相独立,而且制造方法不相同,从历史时间上而言,基尔比的锗集成电路是第一块集成电路,但是在后世的击沉电路发展过程中,基于硅的集成电路更早投入商用,更加普遍,而且去的了绝对辉煌的成就,因此诺伊斯发明的重要性不言而喻。

1966年,基尔比和诺伊斯同事被富兰克林学会授予巴兰丁奖章,基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”,而诺伊斯被誉为“提出了适合工业生产的集成电路理论”的人。1969年,法院最后判决两者专利没有冲突,从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。2000年,基尔比获得了诺贝尔物理学奖,而诺伊斯在1990年已经逝世,也就与诺贝尔奖擦肩而过了。

追溯集成电路的发明及发展,有几个重要的时间点不可忽视。

真空三极管的发明

1906年,美国科学家李.德福雷斯特发明了真空三极管。真空三极管的出现是电子科学技术史上一件划时代的大事,它推动了无线电技术的迅猛发展,并奠定了近代电子工业的基础。早在1904年,英国伦敦大学的佛莱明发明了真空二极管。真空二极管不能对信号进行放大,用途非常局限,无法推动电子技术的继续发展,直到真空三极管出现后,电子管才成为实用的器件。真空三极管使得远程无线电通信,无线电话,收音机,广播,电视,高频加热炉等消费类电子产品成为可能,世界上第一台电子计算机也因此才能制造出来。德福雷斯特被誉为“电子管之父”。

晶体管的发明

电子管推动无线电技术的发展,但同时无法回避其体积大,易损坏,能耗高,老化快等缺点,这些固有的缺点限制了电子技术的发展,也成为工程师寻找更佳性能替代品的动力。1947年,贝尔实验室的三位科学家——威廉.肖克利,约翰.巴丁,沃尔特.布拉顿发明了一个由锗材料制成的电子放大器件。这个器件不但具备电子管的功能,而且同时具备体积小,质量轻,能耗低,寿命长等优点,这个器件被命名为晶体管。肖克利,巴丁,布拉顿于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明是电子技术史上具备划时代意义的事件,它奠定了现代电子技术的基础,揭开了微电子技术和信息化的序幕,开创了一个崭新的时代——硅时代。晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等发明相提并论。

有意思的是,肖克利后来在1955年成立“肖克利实验室”,招募了大批优秀的人才,其中有8人后来辞职,他们当中有一位发明了基于硅的集成电路,他就是罗伯特.诺伊斯。

CMOS后集成电路时代

集成电路技术发展到1963年,仙童公司的FrankWanlass发明了互补式金属氧化物半导体电路。到了1968年,美国无线电公司一个由亚伯.梅德温领导的研究团队成功研发了第一个CMOS集成电路。CMOS工艺由于具备静态功耗低,适合电源电压宽度大以及抗干扰能力强等优点,迅速成为主流的集成电路生产工艺。时至今日,绝大部分的芯片都是采取CMOS工艺。CMOS技术,光刻机,离子注入机等技术的发展,推动集成电路技术从众大规模发展到超大规模。

2、  世界芯片产业格局概览

集成电路产品发展至今50余年,其主要的产业分布集中在美国欧洲,日本,韩国和中国台湾五个地区。由于集成电路是最尖端的高科技行业,世界上大部分国家和地区都不具备,哪怕是普通的芯片设计或者制造技术。

美国知名市场研究机构iSuppli的报告显示,2012年全球芯片厂商营收前20名的公司中,美国公司占据9个席位,分别是英特尔,高通,德州仪器,博通,镁光,超微,英伟达,飞思卡尔,美满电子;日本占据5个席位,分别是东芝,瑞萨,索尼,尔必达,罗姆;欧洲占据3个席位,分别是意法,英飞凌,恩智浦;韩国占据2个席位,分别是三星,海力士;台湾则占据一个席位,是联发科。

根据全球芯片厂商的营收情况,我们可以看到全球的芯片产业布局有如下特点:

美国主导着全球的集成电路产业

美国是全球最大的半导体消费市场,也是最大的生产国,主导了全球半导体与电子产品的发展。

集成电路从美国诞生,从其发明之日开始就意味着其在美国的发展是技术先导方向的,美国的集成电路在原创性和拓展性上,遥遥领先与世界其他国家。美国的芯片企业在研发上的投入比例非常大,这保障了了其技术的领先优势。

集成电路在美国发展之初,离不开军事工业的,在20世纪60年代初期,超过80%的集成电路消费者都是军工企业。后来随着民用产品的普及,军工需求的比例才降下来。和其他行业的高新技术一样,军工需求是第一推动力。至今,美国的芯片技术仍然有很多事其他国家无法企及和想象的。

美国在电子产品的市场,技术与新产品的发展及应用上,都具有指标意义,每年1月份的CES拉斯维加斯电子展依然是全球电子产品的方向标。美国的集成电路产业在世界上处于霸主地位,他拥有由集成电路产业所带动的一流上下游电子产业。数十年来电脑工业均由美国厂商所主导,目前在网络设备上亦取得领先地位,通信产业与欧洲厂商比肩,军事工业更是世界强首。一直以来,美国都是全球最大的半导体消费市场,这项先天优势,是美国集成电路设计也蓬勃发展的重要基础。

日本是全球芯片重镇

日本的集成电路发展,相对于美国要落后一些,因此日本芯片行业的发展思路是通过快速引进技术,重金购买集成电路专利的办法,达到骑不快,缩短差距的目的。日本在引进阶段特别注意消化吸引国外的精华,并加以本民族的创新,汇报效果好,赶超步伐快。日本以民用电子来带动集成电路产业,从收音机到数字视像设备等民用设备的发展,在初期避开了与美国的竞争,后期则转向发展计算机,通信设备等投资类集成电路。其产业发展一直紧随美国之后,是世界第二半导体产业生产大国。在20世纪80年代曾一度成为世界半导体产业的中心。

近年来,随着世界经济的震荡,韩国,东南亚国家以及中国大陆的半导体产业与市场的迅速成长和竞争,日本半导体业陷入新一轮危机之中。在移动通信,智能手机以及液晶电视等重大的消费类电子市场受挫之后,日本电子工业五大巨头——日本电器公司,东芝,日立公司,富士通,三菱电机屡屡报亏,形式不容乐观。即便如此,日本在芯片行业依然是芯片行业不可忽视的第二巨人

欧洲三巨头举足轻重

欧洲的集成电路产业虽然不如美国和日本,但是仍然有三家规模相当大的公司——意法半导体,英飞凌和恩智浦半导体,他们在全球的集成电路产业中举足轻重,欧洲曾经是美国之外的第二大电子产品市场,在通信,汽车,照明等电子技术领域有着精深的技术积累和强大的市场需求,欧洲的集成电路厂商具备自身一流的技术水准,虽然经过多次的分拆离合,最终还是形成了三巨头各领风骚的格局。

近年来,由于欧元升值,政府补贴少喝产业趋势向亚洲转移,欧洲的半导体产业由于前瞻性不如美国,实用性不如亚洲,已经受到很大的挑战,其市场占据份额逐年下降。研究者认为,欧洲的集成电路行业分局各国,不够集中,不能如美国那样集约化发展,这也是欧洲半导体走下坡路的原因。还有研究者认为,欧洲在第二代手机市场上取得遥遥领先的成功,但是在3G,4G时代和互联网时代并没有很好的建树,这也是其在芯片领域竞争力越来越弱的原因之一。与此同时,美国和亚洲在新型的消费类电子产品市场势头强劲,难以阻挡。

韩国后来居上造航母

直至20世纪70年代末,韩国的芯片制造工业还很薄弱,但从80年代开始,在政府的大力支持下,集成电路得到突飞猛进的发展。

韩国的集成电路发展主要以政府的强势支持为基础,集中力量引进国际先进技术,面向需求广阔的世界电子市场,重点打造如三星电子这样的航空母舰,由于政府政策和资金的大力支持,韩国的集成电路发展迅猛,自成一方诸侯。特别是近几年,三星电子在全球市场不断成功,在笔记本,手机,平板,LED,SRAM,DRAM等领域,无处不活跃着它的影子。

中国台湾精确定位,专业化发展

中国台湾在20世纪70年代成立了台湾电子研究院电子锁,在引进美国RCA公司集成电路技术的基础上,在世界范围内招揽集成电路专家,进行自主创新,研发成果及时向产业转移,并通过当局主要发起的方式,先后成立了联华电子,台积电等现为世界知名的集成电路企业。

台湾集成电路产业的基础定位是代工生产。在集成电路行业分工日益细化的时候,台湾抓住机会,没有在电路设计这个竞争白热化的环节厮杀,而是把集成电路产业链中的代工生产环节作为最能展现台湾竞争力的产业来发展。事实证明,这个思路是正确的,时至今日,台积电,台联电,日月光等工厂代表着世界最一流的芯片晶圆制造和封装测试技术,台湾是全球绝大部分芯片的实际诞生之地。

在芯片代工企业的带动之下,台湾的集成电路设计公司也如雨后春笋般涌现,在消费类电子产品的大量需求下,台湾的集成电路企业成功的发展成为规模仅次于美国的集成电路产业群。台湾集成电路设计,硅片加工,封装与测试所形成的高水平分工的完整产业链,这更是全球其他地区所不能及的竞争优势。

台湾芯片设计公司龙头企业联发科也就是抓住了这样的机会,近年来在DVD,手机行业突围,与全球芯片市场中抢占一席之地。

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