圖為摩爾定律
摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng )始人之一戈登?摩爾（Gordon Moore）提出來(lái)的。其內容為：集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍，而價(jià)格下降一半；或者說(shuō)，每一美元所能買(mǎi)到的計算機性能，將每隔18個(gè)月翻兩倍以上。[1]這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。
1965年4月19日，《電子學(xué)》雜志（Electronics Magazine）第114頁(yè)發(fā)表了摩爾（時(shí)任仙童半導體公司工程師）撰寫(xiě)的文章〈讓集成電路填滿(mǎn)更多的組件〉，文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年翻一番。
1975年，摩爾在IEEE的一次學(xué)術(shù)年會(huì )上提交了一篇論文，根據當時(shí)的實(shí)際情況對摩爾定律進(jìn)行了修正，把「每年翻一番」改為「每?jì)赡攴环?，而現在普遍流行的說(shuō)法是「每18個(gè)月翻一番」。但1997年9月，摩爾在接受一次采訪(fǎng)時(shí)聲明，他從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)「每18個(gè)月翻一番」，^ 而且SEMATECH路線(xiàn)圖跟隨24個(gè)月的周期。
大抵而言，若在相同面積的晶圓下生產(chǎn)同樣規格的IC，隨著(zhù)制程技術(shù)的進(jìn)步，每隔一年半，IC產(chǎn)出量就可增加一倍，換算為成本，即每隔一年半成本可降低五成，平均每年成本可降低三成多。就摩爾定律延伸，IC技術(shù)每隔一年半推進(jìn)一個(gè)世代。
摩爾定律是簡(jiǎn)單評估半導體技術(shù)進(jìn)展的經(jīng)驗法則，其重要的意義在于長(cháng)期而，IC制程技術(shù)是以一直線(xiàn)的方式向前推展，使得IC產(chǎn)品能持續降低成本，提升性能，增加功能。
臺積電董事長(cháng)張忠謀曾表示，摩爾定律在過(guò)去30年相當有效，未來(lái)10~15年應依然適用。
什么是晶圓代工
在90年代前，ic設計和生產(chǎn)加工都是由一些大公司獨包，如inter, Ti, motorola等，只有非常大的公司才有能力涉足ic領(lǐng)域。90年代臺灣開(kāi)辟了新的ic行業(yè)模式，建立了專(zhuān)業(yè)的晶圓加工廠(chǎng)，并對外開(kāi)放代加工業(yè)務(wù)，這才催生了許許多多的ic設計公司，專(zhuān)門(mén)從事設計工作，也培養了cadence, synopsys這樣的開(kāi)發(fā)工具設計公司。
不提供自己設計的大量IC產(chǎn)品，而是專(zhuān)注于為其它廠(chǎng)商生產(chǎn)IC，這是業(yè)界對晶圓代工普遍的定義。據市場(chǎng)調研公司IC Insights，預計2006年純IC晶圓代工市場(chǎng)增長(cháng)22%，而相比之下全球IC產(chǎn)業(yè)的增長(cháng)率僅為8%(這么高的增長(cháng)率，是促使三星決定進(jìn)軍晶圓代工市場(chǎng)的關(guān)鍵原因)。
在過(guò)去幾年里，純晶圓代工市場(chǎng)一直由臺積電(TSMC)、聯(lián)電(UMC)、特許半導體(Chartered)和中芯國際(SMIC)等“四大”廠(chǎng)商所控制。實(shí)際上，2006年臺積電銷(xiāo)售額預計將超過(guò)100億美元，保持其50%的市場(chǎng)份額。2006年全年，預計“四大廠(chǎng)商”在全球純晶圓代工市場(chǎng)中占有84%的份額。
以下是全球十大晶圓代工廠(chǎng)排名：
全球二十大半導體廠(chǎng)商（Worldwide Top 20 Semiconductor Sales Leaders），全球半導體廠(chǎng)可區分成三種：
芯片制造商(如英特爾)，設計制造自有芯片，也稱(chēng)為IDM。
沒(méi)有自設工廠(chǎng)的半導體公司(例如 ATI或Xilinx)，設計并銷(xiāo)售自己的芯片但制造卻是委外的，也稱(chēng)為Fabless。
晶圓代工產(chǎn)業(yè) (如TSMC，UMC) 只生產(chǎn)芯片，不進(jìn)行設計工作，也稱(chēng)作Foundry。
全球20強
在半導體產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的今天，讓我們一起來(lái)閱讀這段60年前的歷史…...
60年前的1947年12月，3 名貝爾試驗室的科學(xué)家共同發(fā)明了晶體管，從而開(kāi)辟了現代電子時(shí)代，包括當今的LSI在內的全球性產(chǎn)業(yè)也由此誕生。
1947年的晶體管
自此人們與晶體管之間的聯(lián)系日益緊密，這源于 1951 年晶體管首次在LSI位于賓夕法尼亞州Allentown聯(lián)合大道 (Union Boulevard) 的原西方電子廠(chǎng)進(jìn)行常規生產(chǎn)。西方電子(Western Electric) 當時(shí)是一家集辦公室、實(shí)驗室、工廠(chǎng)于一體的公司。西方電子和貝爾實(shí)驗室都是AT&T（貝爾系統）的一部分。
由于在紐約的電子管市場(chǎng)不夠大，也不夠成熟，難以滿(mǎn)足日新月異的技術(shù)需求，西方電子決定在1946年將公司業(yè)務(wù)擴展到賓西法尼亞州的Lehigh Valley，并于1947年的晚些時(shí)候在A(yíng)llentown正式投入量產(chǎn)。當第一條晶體管生產(chǎn)線(xiàn)于1951年建成后，一場(chǎng)從電子管技術(shù)到固態(tài)技術(shù)的再培訓計劃也隨之開(kāi)始。1952年晶體管首次成功應用于電話(huà)網(wǎng)絡(luò )。
IOTATRON?
每一項新發(fā)明都需要一個(gè)名稱(chēng)，貝爾實(shí)驗室想了好幾個(gè)，什么“半導體三極真空管”、“固態(tài)三極真空管”、 “表面狀態(tài)三極真空管”、“晶體三極真空管”、“Iotatron”等。但最終John Pierce提出并采用了“晶體管”一詞。
Pierce 回憶說(shuō)：“我之所以提出這個(gè)名字，著(zhù)重考慮了該器件是做什么的。那時(shí)，它本應該是電子管的復制品。電子管有跨導，晶體管就應該有跨阻” 此外，這個(gè)器件的名稱(chēng)應當與變阻器、電熱調節器等其它器件名稱(chēng)相匹配。于是我建議采用“晶體管”這個(gè)名字。
這一重要的周年慶典日前在加利福尼亞州和賓西法尼亞州隆重舉行。
鑒于A(yíng)llentown市與晶體管之間的聯(lián)系，市長(cháng) Ed Pawlowski發(fā)表聲明，將今年的12月16日，星期天（也就是晶體管誕生60周年紀念日）命名為 “Allentown市晶體管日”。
另外，LSI 將首枚晶體管的副本捐贈給坐落于加州Mountain View市的計算機歷史博物館(CHM)，在這里存放著(zhù)信息時(shí)代各種具有歷史意義的紀念物及名人故事。這個(gè)博物館是世界上與計算機歷史相關(guān)的物品、軟件、文檔、動(dòng)態(tài)及動(dòng)態(tài)影像和名人故事的最大最重要的收藏地。
昨日的歷史激勵著(zhù)今日的無(wú)限創(chuàng )新。
LSI的首席執行官Abhi Talwalkar說(shuō)：“人們常說(shuō)，我們今天之所以能夠取得如此輝煌的成就，是因為我們站在前輩巨人的肩膀上。在我們慶祝晶體管，這一20世紀無(wú)疑最重要的發(fā)明誕生之際這句話(huà)尤其適合。幸運的是，發(fā)明晶體管的創(chuàng )新精神今天仍然像過(guò)去一樣綻放著(zhù)進(jìn)取的光芒?！?/p>
計算機歷史博物館的首席執行官John O’Toole補充說(shuō)：“沒(méi)有晶體管這個(gè)現代微電子技術(shù)的基本構建塊，就不會(huì )有今天計算機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展?！?/p>
晶體管的重要性起初不被理解。貝爾實(shí)驗室名譽(yù)總裁 Ian M. Ross 在一篇 IEEE 文章中寫(xiě)道晶體管的發(fā)明“使我們的社會(huì )發(fā)生了偉大變革，這場(chǎng)變革的深遠意義不亞于鋼鐵的發(fā)現、蒸汽機的發(fā)明以及英國工業(yè)革命?！?/p>
John Bardeen（左）、William Shockley（坐）和
Walter Brattain（右）共同發(fā)明了晶體管。
晶體管的發(fā)明工作始于新澤西的默里山，在這里科學(xué)家們正在尋找電子管的替代品。電子管雖然能夠放大音樂(lè )和語(yǔ)音，并使長(cháng)途通話(huà)在 20 世紀上半葉成為現實(shí)，但問(wèn)題在于電子管功耗大，產(chǎn)生的熱量過(guò)多，且極易燒壞。
如圖所示，正在探索新的解決方案的科學(xué)家——固態(tài)物理學(xué)理論家 William Shockley、實(shí)驗物理學(xué)家 Walter Brattain 以及理論物理學(xué)家 John Bardeen。
Bardeen 和 Brattain 過(guò)去一直在對半導體的性質(zhì)進(jìn)行研究。結合他們的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，Bardeen 和 Brattain對另一種半導體材料鍺進(jìn)行了實(shí)驗。鍺是一種具有金屬光澤、金剛石型晶體結構的灰白色物質(zhì)。晶體管是在一次試驗中偶然發(fā)現的，當時(shí) Brattain 正在觀(guān)察與兩條相距千分之二英寸的電線(xiàn)接觸的鍺晶體可以產(chǎn)生放大效果。
使用硅材料的技術(shù)被開(kāi)發(fā)之前，鍺在晶體管發(fā)展的初始幾年一直被用作半導體材料。硅的儲量更為豐富，是一種更耐用的半導體材料。
圖為20 世紀 50 年代，在西方電子的Allentown工作間，一名員工正在使用高精度天平稱(chēng)量成品晶體管。
上述提到的三位發(fā)明家共同獲得了 1956 年的諾貝爾物理學(xué)獎。后來(lái)，Bardeen被聘請為伊利諾斯大學(xué) (University of Illinois) 的教授；Brattain在華盛頓沃拉沃拉市的惠特曼學(xué)院(Whitman College)、哈佛大學(xué)(Harvard University)、明尼蘇達大學(xué)(University of Minnesota)和華盛頓大學(xué) (University of Washington) 做起講師；而 Shockley 在擔任斯坦福大學(xué) (Stanford University)電氣工程學(xué)院的教授的同時(shí)還成立了 Shockley 半導體實(shí)驗室（貝克曼儀器有限公司的一部分），為硅谷及電子產(chǎn)業(yè)的誕生做出了杰出的貢獻。集成電路的發(fā)明者、英特爾公司的創(chuàng )始人等后起之秀都曾在 Shockley 半導體實(shí)驗室工作過(guò)。
同時(shí)，他們發(fā)明的晶體管繼續以或微小或巨大的方式改變著(zhù)整個(gè)世界。
1954 年，隨著(zhù)第一臺晶體管無(wú)線(xiàn)電的售出，晶體管成為大眾文化的一部分，這是為晶體管發(fā)明者們所稱(chēng)道的一個(gè)發(fā)展。
直到 20 世紀50年代后期，晶體管成為了電子電話(huà)轉接系統的一個(gè)不可分割的組成部分，也成為便攜式收音機、計算機和雷達等其它重要產(chǎn)品和服務(wù)的關(guān)鍵組件。
晶體管發(fā)展歷程
隨著(zhù)半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的運行速度更快，可靠性更高，成本也更低。1959 年，隨著(zhù)能夠將大量的晶體管及其它電子器件集成到一塊硅片上的集成電路的發(fā)明，晶體管取得了新的突破。
這些微芯片不僅使得晶體管的創(chuàng )新達到了新的高度，而且還推動(dòng)了信息時(shí)代的發(fā)展。
自晶體管發(fā)明以來(lái)，其尺寸不斷縮小，到現在，60億（相當于目前全球人口數量）枚晶體管所占面積不過(guò)僅為一張信用卡的大小而已。
2007年12月16日成為Allentown市晶體管日
晶體管發(fā)明后的60年，世界的電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，極大地豐富了人民的物質(zhì)和文化生活。集成電路的集成度已超過(guò)300億元件，芯片制造工藝已從“微米級”、“亞微米”、“深亞微米級”進(jìn)入到“納米電子級”的系統芯片時(shí)代，晶圓的尺寸從2英寸發(fā)展到現在的12英寸，在一個(gè)芯片上，可集成包括CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲器、總線(xiàn)和其它功能模塊及嵌入軟件等，并相互連接構成完整的系統。晶體管的發(fā)明，極大地促進(jìn)了人類(lèi)的文明。
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