半导体产业系列（一）--日本半导体产业之崛起

姓 名：李欢迎            学 号：20181214053              学 院：广研院

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【 嵌牛导读 】 ： 半导体的应用领域很广，在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，可以说是现代科技的骨架。半导体应用的关键领域便是集成电路。集成电路发明起源于美国，后来在日本加速发展壮大，到目前在韩国台湾分化发展。本文旨在介绍日本半导体的发家史，体会上世纪美日之间在半导体产业争霸上的血雨腥风，同时从中寻找一些我国科技产业的发展经验。

【 嵌牛鼻子 】 ： 日本半导体产业

【 嵌牛提问 】 ： 日本半导体产业是如何在美国技术封锁的牢笼中走向世界？

【 嵌牛内容 】

       在集成电路行业，全球范围内的每一次技术升级都伴随模式创新，谁认清了技术、投资和模式间的关系，谁才能掌握新一轮发展主导权，在全球竞争中占据更为有利的地位，超大规模集成电路（VLSI）计划便是例证。日本的集成电路产业发展较早，在20世纪60年代便已经有了研究基础，发展至今经历了从小到大、从弱到强、转型演变的历史，其中从1976年3月开始实施的超大规模集成电路计划是一个里程碑。

日本集成电路的起点

       在超大规模集成电路计划实施前，日本的集成电路行业已经有了一定的基础。作为冷战时期美国抵御苏联影响的桥头堡，日本的集成电路发展得到了美国的支持。1963年，日本电气公司便获得了仙童半导体公司的平面技术授权，而日本政府则要求日本电气将其技术与日本其他厂商分享。以此为起点，日本电气、三菱、夏普、京都电气都进入了集成电路行业。在日本早期的集成电路发展中，与美国同期以军用市场为主不同的是，日本在引进技术后侧重于民用市场。究其原因，第二次世界大战后，日本的军事建设受限，在美苏航天争霸的过程中日本的半导体技术只能用于民间市场。正是如此，日本走出了一条以民用市场需求为导向的集成电路发展之路，并在20世纪70年代和80年代一度赶超美国。

        日本政府为集成电路的发展制定了一系列的政策措施，例如1957年制定的《电子工业振兴临时措施法》、1971年制定的《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》和1978年制定的《特定机械情报产业振兴临时措施法》，加上民用市场的保护使日本的集成电路具备了一定的基础。

20世纪70年代，在美国施压下，日本被迫开放其半导体和集成电路市场，而同期IBM正在研发高性能、微型化的计算机系统。在这样的背景下，1974年6月日本电子工业振兴协会向日本通产省提出了由政府、产业及研究机构共同开发“超大规模集成电路”的设想。此后，日本政府下定了自主研发芯片、缩小与美国差距的决心，并于1976—1979年组织了联合攻关计划，即超大规模集成电路计划，计划设国立研发机构——超大规模集成电路技术研究所。此计划由日本通产省牵头，以日立、三菱、富士通、东芝、日本电气五家公司为主体，以日本通产省的电气技术实验室、日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所为支持，其目标是集中优势人才，促进企业间相互交流和协作攻关，推动半导体和集成电路技术水平的提升，以赶超美国的集成电路技术水平。

        项目实施的4年间共取得上千件专利，大幅提升了日本的集成电路技术水平，为日本企业在20世纪80年代的集成电路竞争铺平了道路，取得了预期的效果。把握世界竞争大势、研判未来发展方向，需要凝聚力量、统筹协调的专业认知作为支撑。尽管事后看，日本的超大规模集成电路计划实施效果非常理想，但是实施过程却并不顺利。根据前期测算，计划需投入3000亿日元，业界希望能够得到1500亿日元的政府资助，后来实施4年间共投入737亿日元，其中政府投入291亿日元。其间，自民党信息产业议员联盟会长桥木登美三郎多次努力，希望政府追加投入，但是未能如愿。政府投入未及预期，参与企业的士气受到了一定程度的打击。当时，参与计划的富士通公司福安一美说：“当时，大家都有一种被公司遗弃的感觉，而且并未料到竟然研制出向IBM挑战的产品。”

       投入不及预期，再加上研究人员从各企业和机构间临时抽调、各行其道，一时间日本的超大规模集成电路计划开发很不顺利，不同研究室人员间互相提防、互不往来、互不沟通的现象十分普遍。 此时，垂井康夫站了出来。垂井康夫1929年出生于东京，1951年毕业于早稻田大学第一理工学院电气工学专业，1958年申请了晶体管相关的专利，是日本半导体研究的开山鼻祖，1976年超大规模集成电路技术研究会成立时被任命为联合研究所的所长。

       垂井康夫在当时的日本业界颇具声望，他的领导使各成员都能信服。 垂井康夫对参与方进行积极的引导，指出参与方只有同心协力才能改变基础技术落后的局面，在基础技术开发完成后各企业再各自进行产品开发，这样才能改变在国际竞争氛围中孤军作战的困局。垂井康夫的努力，很快为研发人员所接受，各家力量得到了有效的融合，而历时4年的风雨同舟、协同努力成了日本集成电路产业发展的最好推力。除垂井康夫外，当时已从日本通产省退休的根岸正人功不可没。当时，超大规模集成电路技术研究会设理事会，日立公司社长吉ft博吉担任理事长，但是在真正的执行过程中，根岸正人发挥了很好的协调作用。

       根岸正人有多年推动大型国家研究计划的经验，他对计划各参与方的能力、利益诉求都颇为了解，在计划中通过其有效的沟通化解了冲 突，为垂井康夫成功地凝聚团队做了背后的铺垫。 可以看出，在集成电路的研发攻关中，除了资金和资源投入外，团队协调和技术融合更是成功的关键。

       从超大规模集成电路计划的组织架构来看，除垂井康夫领导的联合研究所外，先前成立的两个联合研究机构也参与了超大规模集成电路计划，分别是日立、三菱、富士通联合建立的计算机综合研究所，以及由日本电气和东芝联合成立的日电东芝信息系统。三个研究所分别从事超大规模集成电路、计算机和信息系统的研发，其中联合研究所负责基础及通用技术的研发，另两个研究所则负责实用化技术开发（重点为64KB及256KB内存芯片的设计及开发）。在各方的协同努力下，参与方都派遣了其最优秀的工程师。来自各地的工程师们肩并肩地在同一研究所内共同工作、共同生活、集中研 究，在微细加工技术及相关设备、硅晶圆的结晶技术、集成电路设计技术、工艺技术和测试技术上取得了突破。其中，联合研究所主要负责微细加工技术及相关设备、硅晶圆的结晶技术的攻关，其他技术的通用部分也由其负责，实用化的开发则由另两个研究所负责。

       具体来看，六个研究室中，分别由不同企业负责协调：第一、第二、第三研究室主要攻关微细加工技术，分别由日立、富士通和东芝负责协调；第四研究室攻关结晶技术，由工业技术研究院电子综合研究所负责协调；第五研究室负责工艺技术，由三菱负责协调；第六研究室攻关测试、评价及产品技 术，由日本电气负责协调。微细加工技术是计划的重心，从联合研究所的研究成果来看，日本当时开发了三种电子束描绘装置、电子束描绘软件、高解析度掩膜及检查装置、硅晶圆含氧量及碳量的分析技术等。垂井康夫评估说，计划实施完毕后日本的半导体技术已和IBM并驾齐驱。在计划中，日本企业对于动态随机存储器有了深入的理解，其更高质量、更高性能的动态随机存储器芯片为日本赶超美国提供了机遇。

       从1980年至1986年，日本企业的半导体市场份额由26％上升至45％，而美国企业的半导体市场份额则从61％下滑至43％。 1980年，联合研究所的研究工作已全部结束，而另两个研究所则追加资金（共约1300亿日元）作进一步的技术开发， 以1980年至1982年为第一期，1983至1986年为第二期。 这些系统化的布局为日本的半导体行业腾飞发挥了至关重要的作用。

       从人员来看，计划开展期间的联合研究所研发人员数量为100人左右，计算机综合研究所的研发人员数量为400人左右，日电东芝信息系统则为370人左右。在后续投入阶段，研究人员数量减少，1985年计算机综合研究所研发人员已减至90人左右，而日电东芝信息系统则减至30人左右。尽管联合研究所研发人员相对较少，但事关各企业的未来发展基础，因此各企业都派遣一流人才参与。在此过程中，垂井康夫对各企业都十分了解，点名要求各企业派遣其看中的人才。

       在实施超大规模集成电路计划及后续的资助计划后，1986年日本半导体产品已占世界市场的45％，超越美国成为全球第一半导体生产大 国。 1989年，在存储芯片领域，日本企业的市场份额已达53％，与美国该领域37％的市场份额形成了鲜明对比。 在日本企业的巅峰时期，日本电气、东芝和日立三家企业排名动态存储器领域的全球前三，其市场份额甚至超90％，与之相比，美国德州仪器和镁光科技则苦苦支撑。

对于研发人员来说，如何将最新的先进技术集成到产品中，让先进技术既可以体现在卓越的产品功能上，又可以体现在降低产品成本上，有许多因素需要考虑，产品上市的时间是最为重要的因素之一，且围绕产品上市时间有许多决定是在不断更新的。需要考虑的因素很广，包括从产品功能、设计实现、产品测试以及电磁干扰(EMI)是否符合要求。减少设计的反复是可能的，但这依赖于前期工作的完成情况。多数时候，越是到产品设计的后期越容易发现问题，更为痛苦的是要针对发现的问题进行更改。然而，尽管许多人都清楚这个经验法则，但实际情况却是另外一个场景，即许多公司都清楚拥有一个高集成度的设计软件是重要的，但这个想法却往往折衷于高昂的价格。本文将要阐述PCB设计所面临的挑战，以及作为一名PCB设计者在评估一个PCB设计工具时该考虑哪些因素。 下面是PCB设计者务必考虑并将影响其决定的几点因素： 1.产品功能 a.覆盖基本要求的基本功能，包括： i.原理图与PCB布局之间的交互 ii.自动扇出布线、推拉等布线功能，以及基于设计规则约束的布线能力 iii.精确的DRC校验器 b.当公司从事一个更为复杂的设计时升级产品功能的能力 i.HDI(高密度互连)接口 ii.灵活设计 iii.嵌入无源元件 iv.射频(RF)设计 v.自动脚本生成 vi.拓扑布局布线 vii.可制造性(DFF)、可测试性(DFT)、可生产性(DFM)等 c.附加产品能执行模拟仿真、数字仿真、模数混合信号仿真、高速信号仿真以及RF仿真 d.具备一个易于创建和管理的中央元件库 2.一个技术上位于业界领导层中并较其他厂商倾注了更多心血的良好伙伴，可助你在最短的时间内设计出具有最大功效和具有领先技术的产品 3.价格应该是上述因素中最为次要的考虑因素，需要更多关注的是投资回报率! PCB评估需考虑许多因素。设计者要寻找的开发工具的类型依赖于他们所从事的设计工作的复杂性。由于系统正趋于越来越复杂，物理走线和电气元件布放的控制已经发展到很广泛的地步，以至于必须为设计过程中的关键路径设定约束条件。但是，过多的设计约束却束缚了设计的灵活性。设计者们务必很好的理解他们的设计及其规则，如此这般他们才清楚要在什么时候使用这些规则。 评估期间，设计者必须问自己：对他们而言，什么标准是至关重要的? 让我们看看一些迫使设计者重新审视其现有开发工具功能并开始订购一些新功能的趋势： 1.HDI 半导体复杂性和逻辑门总量的增加已要求集成电路具有更多的管脚及更精细的引脚间距。在一个引脚间距为1mm的BGA器件上设计2000以上的管脚在当今已是很平常的事情，更不要说在引脚间距为0.65mm的器件上布置296个管脚了。越来越快的上升时间和信号完整性(SI)的需要，要求有更多数量的电源和接地管脚，故需要占用多层板中更多的层，因而驱动了对微过孔的高密度互联(HDI)技术的需要。 HDI是为了响应上述需要而正在开发的互连技术。微过孔与超薄电介质、更细的走线和更小的线间距是HDI技术的主要特征。 2.RF设计 针对RF设计，RF电路应该直接设计成系统原理图和系统板布局，而不用于进行后续转换的分离环境。RF仿真环境装的所有仿真、调谐和优化能力仍然是必需的，但是仿真环境较“实际”设计而言却能接受更为原始的数据。因此，数据模型之间的差异以及由此而引起的设计转换的问题将会销声匿迹。首先，设计者可在系统设计与RF仿真之间直接交互其次，如果设计师进行一个大规模或相当复杂的RF设计，他们可能想将电路仿真任务分配到并行运行的多个计算平台，或者他们想将一个由多个模块组成的设计中的每一个电路发送到各自的仿真器中，从而缩短仿真时间。 3.先进的封装 现代产品日渐增加的功能复杂性要求无源器件的数量也相应增加，主要体现在低功耗、高频应用中的去耦电容和终端匹配电阻数量的增加。虽然无源表贴器件的封装在历经数年后已缩小得相当可观了，但在试图获得最大极限密度时其结果仍然是相同的。印刷元器件技术使得从多芯片组件(MCM)和混合组件转变到今天直接可以作为嵌入式无源元件的SiP和PCB。在转变的过程中采用了最新的装配技术。例如，在一个层状结构中包含了一个阻抗材料层，以及直接在微球栅阵列(uBGA)封装下面采用了串联终端电阻，这些都大大提高了电路的性能。现在，嵌入式无源元件可获得高精度的设计，从而省去了激光清洁焊缝的额外加工步骤。无线组件中也正朝着直接在基板内提高集成度的方向发展。 4.刚性柔性PCB 为了设计一个刚性柔性PCB，必须考虑影响装配过程的所有因素。设计者不能像设计一个刚性PCB那样来简单地设计一个刚性柔性PCB，就如同该刚性柔性PCB不过是另一个刚性PCB。他们必须管理设计的弯曲区域以确保设计要点将不会导致由于弯曲面的应力作用而使得导体断裂和剥离。仍有许多机械因素需要考虑，如最小弯曲半径、电介质厚度和类型、金属片重量、铜电镀、整体电路厚度、层数和弯曲部分数量。 理解刚性柔性设计并决定你的产品是否允许你创建一个刚性柔性设计。 5.信号完整性规划 最近几年，针对串并变换或串行互连的与并行总线结构和差分对结构相关的新技术在不断进步。 图2表明了针对一个并行总线和串并转换设计所遇到的典型设计问题的类型。并行总线设计的局限在于系统时序的变化，如时钟歪斜和传播延时。由于整个总线宽度上的时钟歪斜的原因，针对时序约束的设计依然是困难的。增加时钟速率只会让问题变得更糟糕。 图2：并行总线和串并转换设计所遇到的典型设计问题。 另一方面，差分对结构在硬件层面采用了一个可交换的点对点连接来实现串行通讯。通常，它通过一个单向串行“通道”来转移数据，这个单向串行通道是可以叠加成1-、2-、4-、8-、16-和32-宽度的配置。每个通道携带一个字节的数据，因而总线可处理从8字节到256字节的数据宽度，并且通过使用某些形式的错误检测技巧可保持数据的完整性。然而，由于数据速率很高，导致了其他设计问题。高频下的时钟恢复成为系统的重担，因为时钟要快速锁定输入数据流，以及为了提高电路的抗抖性能还要减小所有周期到周期间的抖动。电源噪声也为设计师带来了额外问题。该类型的噪声增加了产生严重抖动的可能，这将使得眼图的开眼变得更加困难。另外的挑战是减少共模噪声，解决来自于IC封装、PCB板、电缆和连接器的损耗效应所导致的问题。 6.设计套件的实用性 USB、DDR/DDR2、PCI-X、PCI-Express和RocketIO等设计套件将毋庸质疑地对设计师进军新技术领域产生很大的帮助。设计套件给出了技术的概况、详细说明以及设计者将要面临的困难，并紧跟有仿真及如何创建布线约束。它与程序一起提供说明性文件，这为设计者提供了一个掌握先进新技术的先机。

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