От ускорения темпа жизни - к улучшению ее качества

Уже более четырех десятилетий прогресс в полупроводниковой промышленности определялся принципом роста производительности – «Законом Мура». Это привело к появлению быстрых цифровых процессоров, увеличению скорости передачи информации, разработке микросхем памяти огромной емкости, что, в свою очередь, резко увеличило производительность персональных компьютеров, мобильных телефонов и других устройств, задачей которых является передача и хранение больших массивов данных. Однако экономические реалии полупроводниковой промышленности, а также изменения в жизни современного общества меняют существующую парадигму развития индустрии полупроводников и свидетельствуют о том, что действие Закона Мура постепенно теряет свое определяющее значение. На это указывают и такие факторы, как возрастающая стоимость создания микросхем типа «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC) на основе передовой CMOS-технологии и постоянно уменьшающиеся физические размеры чипов. Более того, современному потребителю нужно нечто большее, чем просто высокопроизводительная электроника, ему нужны новые интеллектуальные товары. Так, глобальный процесс старения населения требует создания инновационного медицинского оборудования и приборов контроля качества продуктов питания. Осознание обществом актуальности проблем окружающей среды требует разработки «зеленых» (экологически чистых) решений. Возросшая мобильность населения создает потребность в инновационной электронике, которая служит делу обеспечения безопасности, помогает справиться с пробками на дорогах, предоставляет людям необходимую информацию в режиме реального времени, развлекает их и оказывает им помощь в пути.

Создание таких решений становится возможным при интеграции существующих CMOS – технологий с технологиями поколения More-than-Moore, т.е. «больше, чем Мур». More-than-Moore – направление в микро/наноэлектронике, объектом исследований и разработок которого являются новые возможности применения традиционных технологий в полупроводниковой промышленности. На основе технологий поколения More-than-Moore создаются мультитехнологичные продукты и приложения с высокой добавленной стоимостью для потребителя, поскольку акцент делается не на производительности продукта, а на потенциале его применения в повседневной жизни. К ним можно отнести технологию объединения на одном кристалле блоков аналоговой и цифровой обработки сигнала, создание высоковольтных структур, создание структур с ультранизким энергопотреблением. Такой сдвиг в сторону мультитехнологичных решений, т.е. решений, осуществляемых посредством объединения нескольких технологий, окажет свое влияние на дальнейшее развитие методологий проектирования, моделирования, верификации, а также на развитие системной архитектуры. В конечном итоге изменятся сегодняшние модели совместного проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (Research and Development — R&D), возникнут новые модели отношений участников рынка высоких технологий.

От роста производительности к повышению качества жизни

Производство полупроводников – относительно молодая отрасль, и так сложилось, что участники рынка изначально ориентировались на постоянное увеличение производительности выпускаемой продукции в соответствии с наблюдением Мура об удвоении числа транзисторов на кремниевой пластине каждые 18 месяцев. До настоящего времени закон Мура выполнялся, при этом рост производительности сопровождался снижением затрат на изготовление транзисторов. Это привело к тому, что предлагаемые сегодня системы на кристалле, предназначенные для потребительской электроники, могут насчитывать сотни миллионов транзисторов. Гигантский рост производительности привел также к тому разнообразию электронных устройств, которое наблюдается повсюду.

Закон Мура еще не исчерпал себя, однако наравне с увеличением плотности размещения транзисторов на кристалле возросли и затраты на разработку процессов, обеспечивающих такую плотность. В результате самое экономически выгодное интегральное решение, доступное на рынке сегодня, не обязательно производится на основе самой малой (и самой дорогой) CMOS – технологии.

В NXP предвидят изменения в производстве полупроводников, где рамки инновационного развития будут значительно расширены для решения задач, обеспечивающих новое качество жизни людей.

Таким образом, закон Мура, который десятилетиями определял технологический прогресс в полупроводниковой промышленности, сохранит свое значение лишь частично – для массово выпускаемых чипов. Но есть вероятность, что со временем он потеряет свою актуальность и там, когда будут достигнуты границы физических возможностей или экономической целесообразности.

Существующие в обществе тенденции создают широкие рыночные перспективы тем компаниям, которые поставляют отвечающие современным требованиям интегральные схемы, направленные на решение таких задач, как экономия электроэнергии в бытовой электронике и системах освещения, создание диагностического медицинского оборудования, контроль качества продуктов питания и создание систем управления транспортными потоками. Экономический спад не мешает росту этих рынков, поскольку инвестиции в инновационные чипы весьма выгодны. Затраты на приобретение таких продуктов зачастую легко окупаются за счет получаемой экономии электроэнергии, снижения затрат на медицинское обслуживание, уменьшения экономических потерь из-за пробок на улицах. Таким образом, инновационные микросхемы, отвечающие реальным потребностям, часто становятся самоокупаемыми.

Специализированные решения

Современные рынки требуют решений, оптимизированных под конкретные применения. Для этого необходима более интенсивная кооперация между производителями оборудования (Original Equipment Manufacturers — OEM), поставщиками полупроводников и другими заинтересованными игроками. Это, в свою очередь, будет способствовать ускоренному внедрению инновационных решений, предоставляя производителям оборудования дополнительные возможности для специализации. Сотрудничество на ранних этапах также является гарантией того, что использование в оборудовании новых микросхем не создаст никаких проблем для производителя, приведет к сокращению времени проектирования и снижению стоимости этого этапа, а также позволит производителю выйти на рынок с новым продуктом раньше конкурентов.

В качестве хорошего примера такого подхода можно назвать совместную разработку компаниями NXP и Phonak (Фонак) последнего поколения слуховых аппаратов на основе принадлежащей NXP технологии беспроводной связи с ультранизким энергопотреблением. Эта технология на основе явления магнитной индукции не только обеспечивает низкое энергопотребление, но также, в отличие от более традиционной радиочастотной связи, не воздействует на ткани человеческого тела. Малые временные затраты на проектирование продукта и его легкий выход на рынок — все это оказалось возможным в результате тесного сотрудничества в области научных изысканий и опытно-конструкторских работ Phonak и NXP. Таким образом, сфокусировавшись на специализированных чипах и позволив заказчикам играть более активную роль в научно-исследовательских и проектных изысканиях, компании смогли создать жизнеспособный в коммерческом отношении продукт с превосходными рыночными перспективами.

Все дело в инновациях

В условиях непрерывного снижения доходности и высокой конкуренции ни одна компания-производитель полупроводниковых интегральных схем не может позволить себе инвестировать свыше 20% прибыли на проведение научно-исследовательских и проектных работ. Однако замораживание инновационных проектов в целях экономии средств не является рациональным решением.

Полупроводниковой отрасли потребуется выработать новый, более тонкий подход к инновациям. Инновации должны сойти с накатанной дороги развития CMOS-технологий. Они будут определяться творческими решениями, позволяющими объединить существующие и новые технологии в интеллектуальных чипах, спроектированных с учетом пожеланий конкретных заказчиков. Движению в сторону мультитехнологичных (More-than-Moore) приложений способствует то обстоятельство, что на этом пути не требуется чрезвычайных затрат на этапе проектирования, присущих современным CMOS-технологиям.

Более тонкая инновационная политика также означает, что, работая с заказчиками, можно создавать решения, специализированные для их нужд, уменьшать стоимость продуктов и сокращать время их выхода на рынок. Более тонкая инновационная политика также означает, что компаниям- производителям необходим переход к более тесному сотрудничеству c научно-исследовательскими институтами, университетами, правительственными организациями и агентствами по стандартизации.

В полупроводниковой промышленности инновации продолжают оставаться необходимой предпосылкой для достижения успеха, и в настоящее время появляются новые пути создания инновационных решений.

Мультитехнологичные инновации NXP

NXP активно занимается разработкой и продажей мультитехнологичных компонентов и интегральных схем. Для большей определенности можно посмотреть на некоторые примеры того, как подход More-than-Moore уже сейчас приводит к развитию технологий, которые открывают интересные деловые перспективы и улучшают повседневную жизнь людей.

Эффективность (КПД) источников питания бытовой электроники

В мире огромное количество энергии растрачивается впустую источниками питания электронных устройств, таких как телевизоры, ноутбуки и настольные персональные компьютеры. Причем это происходит как при активной работе этих приборов, так и в режиме ожидания.

В связи с этим во многих частях света принимаются нормативные акты, требующие использования только таких сетевых блоков питания, эффективность которых остается высокой во всех режимах, в том числе и в режиме ожидания, когда потребляемая мощность мала. По сути, такие законы запрещают применение классических трансформаторных блоков питания. Чтобы экономия от энергосбережения превысила вложенные затраты, нужны специальные технологии интеллектуального управления питанием в активном режиме, а также высокая эффективность разрабатываемых устройств питания. В качестве примера можно привести семейство GreenChip компании NXP. Это семейство микросхем соответствует показателям стандарта экономичного энергопотребления электроприборов Energy Star и обеспечивает снижение потерь в источниках питания почти в два раза. Такое положение дел сохраняется во всех режимах — от выдачи полной мощности до работы в режиме ожидания. Достичь этого удалось за счет комбинации оптимизированной архитектуры и дизайна со специальной полупроводниковой технологией. Здесь неприемлемо объединение всех функций в одной микросхеме, типичное для интегральных схем, развитие которых идет согласно закону Мура. Для достижения оптимизированных выходных характеристик необходимо применение различных технологий: высоковольтной для контроллера высокого напряжения со стороны первичной обмотки и корректора мощности и низковольтной быстродействующей с высокой плотностью элементов для схемы управления силовыми приборами. И, наконец, для выходных контроллеров, управляющих синхронными выпрямителями на стороне вторичной обмотки, через которые протекают высокие токи, применяется технология создания полупроводниковых структур низкого или среднего напряжения. Уникальные технологические решения NXP привели к созданию преобразователей с абсолютно рекордным коэффициентом полезного действия, намного превосходящим уровни, установленные законодательством.

Технология Near-Field Communication

Технология Near-Field Communication (связь малого радиуса действия) чрезвычайно упрочила свои позиции за последние несколько лет. Возросло число организаций — от банков и транспортных операторов до производителей мобильных телефонов, желающих использовать эту технологию в своем бизнесе. Однако недостаток стандартов в промышленности ограничивает глобальный массовый выход этой технологии на уровень производителей телефонов и операторов мобильной связи.

Поскольку NXP была одним из разработчиков технологии NFC, она находится «на передовой» инициатив по стандартизации и формированию круга заинтересованных игроков рынка, чтобы способствовать принятию соответствующих стандартов и адаптации этой технологии. Принимая во внимание тот факт, что общество становится все более сложным, и конечным пользователям требуются устройства с множеством функций, компания NXP недавно начала выпускать первый стандартизированный NFC-чип для стимулирования рынка.

Этот новый чип предназначен для решения некоторых проблем, сдерживающих продвижение технологии NFC; SIM-карта становится ключевой частью NFC- устройства, обеспечивая безопасность бесконтактных транзакций и предоставляя NFC-функциональность в виде микросхемы. Однако в компании NXP уверены, что применение технологии NFC не должно быть ограничено только телефонами, ставится цель более широкой интеграции данной технологии в ноутбуки и цифровые фотоаппараты, что позволит объединять устройства в одноранговую сеть, увеличив тем самым возможности по передаче мультимедийного контента между различными устройствами.

Базовые станции

Общество, обеспокоенное вопросом рационального энергопотребления и уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа, предъявляет требование энергоэффективности и для базовых станций мобильной связи. Такое требование, однако, противоречит стремлению использовать все более сложные способы модуляции сигнала с соответствующим увеличением выходной мощности.

Чтобы примирить столь противоречивые требования, NXP разрабатываются компоненты для использования в радиочастотных блоках базовых станций, начиная от преобразователей данных (ЦАП и АЦП) и блоков обработки слабых сигналов (смесители, малошумящие усилители, усилители с регулируемым коэффициентом усиления и т.д.) и заканчивая высокочастотными силовыми транзисторами. Технология RF-LDMOS компании NXP, используемая в усилителях мощности, обеспечивает превосходные характеристики в современных приложениях со сложной модуляцией сигнала, таких как 3G, LTE и 4G, и удерживает рекорд по энергетической эффективности. Превосходные характеристики усилителей в дальнейшем будут улучшены еще больше посредством внедрения нитрид-галлиевой (GaN) технологии NXP.

Более того, компанией NXP вкладываются средства в развитие архитектур усилителей мощности, чтобы еще больше снизить их энергопотребление. Пример тому — интегральный усилитель Догерти - усовершенствованный интегральный усилитель, который вскоре будет представлен компанией NXP и который будет первым подобным прибором в области мощных радиочастотных устройств.

В долгосрочной перспективе емкость ячеек базовых станций значительно вырастет, поскольку такие приложения как Интернет и мобильное телевидение по запросу с каждым годом требуют все большей пропускной способности. Чтобы обеспечить развитие этих приложений, нужно будет создавать еще более развитые системы, такие как базовые станции с фазированной антенной решеткой (phased array base stations). В компании NXP изучаются высококачественные «строительные блоки», которые позволят создавать такие базовые станции. Обладание всеми современными технологиями позволит NXP продолжить играть ведущую роль в создании базовых станций будущего.

Рене Пеннинг де Вриз, Главный директор по технологиям (CTO), NXP