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为集成电路大家族“拍摄全家福”

2020-11-13 14:31| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 12984| 评论: 0|原作者: 天高云淡Andi863|来自: 芯论语

摘要: 集成电路(芯片)应用十分广泛,种类很多,型号十分繁杂。只要出现新的应用需求,就会产生新的芯片。要描绘芯片大家族全貌,首先要对它进行分类。芯片的分类方法可以有许多种,例如按晶体管工作状态、制造工艺、适用性 ...
摘要:芯片种类很多,即便是行业内人士,也很难对芯片准确分类和全面了解,当前公众对芯片的了解可以说是管中窥豹。本文尝试“拍摄”一套芯片大家族的“全家福”,以便大家对芯片家族有一个全局地了解。其实,这个尝试是挺难的。芯片犹如浩瀚宇宙的繁星,你观察的越仔细,就会发现的越多。数不清,理还乱,是力不从心,别是一番滋味在心头……
 
集成电路(芯片)应用十分广泛,种类很多,型号十分繁杂。只要出现新的应用需求,就会产生新的芯片。要描绘芯片大家族全貌,首先要对它进行分类。芯片的分类方法可以有许多种,例如按晶体管工作状态、制造工艺、适用性、集成规模、功率大小、封装形式、应用环境、功能用途等进行不同的分类。关注点不同,分类方法也就不同。

本文重点关注芯片中晶体管工作状态和电信号种类,把芯片家族粗略划分为数字电路芯片、模拟电路芯片和数模混合电路芯片、特种电路芯片四大类。


图1.对芯片大家族的简单分类

一、数字电路芯片
数字电路芯片主要用于计算机和逻辑控制领域,它的工作原理是通过晶体管控制电流的“开”和“关”,来表达数据或信息的“1”和“0”,或者表达逻辑判断的“是”与“非”,所以数字电路也称为开关电路或者逻辑电路。数字电路主要是由工作在开关状态的晶体管组成的。因此,数字电路的规模大小由其中的晶体管多少来分类。数字电路芯片主要包括以下7类。
 
1.逻辑电路(包括与门、或门、非门、锁存器、移位器、计数器、编码器、译码器、选择器、比较器、运算器等):逻辑电路芯片国际通用系列有74系列、40系列、54系列、厂家兼容系列、非系列专用电路等。以74系列为例,它的功能型号超过97种,每种型号再加上输入输出数、电源、功耗、速度等不同,又可衍生出4倍以上的品种,总共多达400多个品种。这么多系列加起来,仅仅逻辑电路芯片就已经非常繁杂了。
但是,逻辑电路品种再多,基本上是由与门、或门和非门电路组合而成的,因此,上述系列的电路也称为组合逻辑电路。与门电路用于“几个输入条件同时存在才有结果,否则就无结果”的判断;或门电路用于“几个输入条件只要有一个存在就有结果,都不存在就无结果”的判断;非门电路用于“输入条件存在就无结果,输入条件不存在就有结果”的判断。这些判断和处理组合起来,就可以处理非常复杂的控制和运算问题。


图2.三种最基本的逻辑芯片
 
理论上,数量庞大的逻辑电路芯片可以实现目前所有复杂芯片的功能,例如中央处理器(CPU)、微控制器(MCU)、片上系统(SoC)等,更甚者可以实现一个复杂系统的功能,例如电脑、交换机等。只是印刷电路板(PCB)上将要安装成千上万,甚至更多的芯片。早期的电子产品都是这么干的,但今天不需要这么干了。因为今天芯片的集成度很高,许多自成系统的逻辑电路可以集成在芯片内部,一个芯片可以实现很复杂的功能,例如CPU,也可以实现一个完整的系统,例如SoC。所以,今天没有人愿意用大量小芯片实现大系统,因为那样做出来的系统体积很大、可靠性很差、成本也很高。


图3.一些组合逻辑电路芯片举例
 
今天的逻辑电路芯片用量已经不大了。就像盖房子可以全部用砖瓦,也可以用一些大型构件,辅助以少量砖瓦,砖瓦用量自然就少了。今天的逻辑电路芯片仅用在小电子产品中,或者用在大系统的通用大芯片之间的连接电路中。
 
2.通用处理器(CPU、GPU、DSP、APU等):通用处理器是由海量逻辑电路组成的,它包含了控制、存储、运算、输入输出等部分,形成了一个完整的数据和信息处理系统。它是规模较大、结构最复杂的一类数字电路芯片。(按照通用处理器芯片上可以集成100多亿只晶体管计算,通用处理器大致包含了30多亿个与门、或门、非门电路)。因此,通用处理器被归类为巨大规模集成电路。
通用处理器芯片的特点是按照摩尔定律不断迭代,不断推陈出新,形成了若干个产品系列。例如Intel和AMD的X86系列、IBM的PowerPC系列、MIPS的嵌入式CPU系列和ARM RISC系列等数十个系列。每个系列已生产了20~30多个芯片型号,每个型号的市场平均寿命在2年左右。

图4.一些通用处理器芯片举例
 
通用处理器被称为电子产品和信息系统的大脑和中枢。中央处理器(CPU)用于管理、调度和控制电子产品和信息系统各组成部分协调高效工作;图像处理器(GPU)接受CPU管理,但可以独立管理、调度和控制有关图像显示、图形处理的事务;数字信号处理器(DSP)也接受CPU管理,但可以独立完成大量、成批和规整的数据和信息的快速运算和处理;随着人工智能技术快速发展,传统的CPU结构不能适应人工智能系统对信息存储、运算和推理的要求,新型处理器结构创新产品应运而生,百花齐放。这就是人工智能处理器(APU),代表产品如 IBM公司的 TrueNorth、高通公司的Zeroth、谷歌公司的TPU、微软公司的Brainwave、寒武纪公司的Cambricon-1A、燧原科技的邃思DTU等。
 
3.存储器(SRAM、DRAM、PROM、Flash等):存储器是用于存储数据和信息的芯片。其中,可细分为静态存储器(SRAM)、动态存储器(DRAM、LPDDRX)、可编程只读存储器(PROM)、闪速存储器(Flash)和嵌入式存储器(Embedded Memory)等。
SRAM用于电子产品中存储数据,在通电过程保持数据不变,断电后数据丢失;DRAM在通电过程中通过定时刷新保持数据不变,断电后数据丢失;Flash在通电过程中保持数据不变,断电也不丢失;PROM一旦用特殊手段写入数据后,不论通电与否都不会丢失。前两种称为易失性存储器,后两种称为非易失性存储器。以上这几种存储器可以封装成独立的存储器芯片,也可以设计在CPU、MCU、SoC之中,也被称为嵌入式存储器。


图5.一些存储器芯片举例
 
根据用途不同,要选择使用不同的存储器,例如,台式电脑断电后数据一般保存在硬盘上,所以大量采用DRAM(DDR、LPDDRX等),而手机为了永久保持数据(如通信录、照片、音视频等),就要大量使用Flash芯片。
 
4.单片系统(SoC):单片系统就是把一个电子系统全部集成到一颗芯片中。只要给SoC芯片加上电源和少量外部电路,就可以实现一个完整的电子产品或系统的功能。例如音视频播放器(MP4)、汽车导航仪、手机等都可以用一个SoC芯片加少量外部元器件来实现。SoC芯片内部一般由CPU核、嵌入式存储器、I/O接口(按键、触控、USB、WiFi……)等部分组成。SoC芯片是面向具体应用领域而设计的专用系统级芯片,例如用在医疗设备、汽车电子、抄表系统、智能手机、智慧电视等领域,都有适合该领域应用的SoC芯片。SoC芯片不像CPU芯片那样可以跨领域通用,只能在本应用领域内使用。


图6.一些面向应用的SoC芯片举例
 
5.微控制器(MCU):微控制器通常也称为单板机或单片机,它是简化版的通用处理器(CPU)。简化体现在几个方面,包括处理字宽、处理器和指令架构、内存大小、时钟速度等。MCU一般用在较简单的、小型的电子产品或系统中,实现简单的控制和数据处理任务,但在大型系统中,也可以用许多MCU完成复杂的控制任务。MCU芯片的应用面十分广泛,从小到阳台定时浇花器、电饭锅、电冰箱等的控制,中到仪器、仪表、工业自动化生产线等的控制,再到大型应用例如高铁、飞机等的系统控制等。

以MCU或SOC芯片为核心搭建的电子系统也称为嵌入式系统,MCU和SOC也被称为嵌入式微处理器。
MCU的种类特别多,主要产品多达70 多个系列,500多个品种。例如MCS-51系列、PIC系列、STM32系列、MSP430系列、TMS系列、AVR系列、STC系列等。仅MCS-51系列,按一个机器周期有几个时钟周期T划分为几个规格,12T的芯片有8051、8031、AT89C51、8032等;6T的芯片有STC89系列等;4T的芯片有80C320、W77E58等;1T的芯片有STC系列等。同时又有不同的厂家和品牌,芯片型号非常多。


图7. 一些MCU芯片举例
 
6.定制电路(ASIC) :如果用户不想使用通用芯片,而是按自己的应用要求定制一款芯片,这种芯片就称为全定制芯片。二代身份证芯片就是典型的ASIC例子。有些整机厂商为自己的产品定制ASIC,避免采用通用芯片,一是为了保护产品的技术细节和诀窍,二是ASIC会更加适合自己产品的需要,三是只要产品能上量,就可以摊薄ASIC高昂的定制费用。


图8.一些ASIC芯片举例
 
7.可编程逻辑器件(PLD) (包括PLD、PAL、GAL、FPGA等):前面第1~6类芯片被称固定逻辑电路芯片,它们从代工厂生产出来后,功能就被固定下来,不能再进行任何大的改变。如果需要完善和升级,就要先修改设计,再交由代工厂重新生产。修改和重新生产的成本是很高的,只有需求量很大的芯片才按照固定逻辑电路的模式进行开发。需求数量少、有更新和升级可能的芯片,需要按照可编程逻辑器件的模式进行开发。

可编程逻辑器件(PLD)由工厂生产出来后,其功能还没有确定,需要设计人员按需求进行编程后,芯片才能表现出想要的功能。而且某些种类的PLD芯片还可以进行多次编程,十分适合要对芯片的功能进行完善和升级的应用场合,例如通信设备、移动通信基站等。

可编程逻辑器件在编程之前属于通用芯片,厂家可以批量生产,满足不同领域的应用需求。而在编程之后就变成了专用芯片,只满足某个具体领域的特殊应用。因此,PLD芯片也称为半定制芯片。


图9.一些可编程逻辑器件芯片举例
 
目前应用最广的是现场可编程门阵列(FPGA),它特别适合用在用量不大,或者用量较大,但需要不断完善和升级的应用场合。它在通信、安防监控、自动控制、人工智能、军工与航天等领域,以及芯片设计的原型验证、算法与嵌入式系统开发等方面都有着广泛应用。

有人喜欢把ASIC和PLD进行对比,因为ASIC和编程后的PLD都是专用定制芯片。但它们有以下区别,一是前者是交由设计者和制造厂去定制,后者是自己编程定制;二是前者生产处理后,芯片功能不能改动,后者经编程后,芯片功能还可以完善和升级。三是前者生产定制代价很高,需要产品上量才行,后者定制成本很低,适合在小批量产品上使用。
 
二、模拟电路芯片
模拟电路是指用来对模拟信号进行检测、传输、变换、处理、放大等工作的电路。模拟电路中的元件除了晶体管外,还包括二极管、电阻、电容和电感等。其中,晶体管大多数不是像数字电路一样工作在开关状态,而是工作在线性状态。模拟电路芯片功能很多,种类也很多,很难成系列。与数字电路相比,模拟电路芯片的设计难度更大,需要更长时间的技术积累,对设计人员的要求更高。因此,模拟电路芯片和系统的设计人员的薪酬更高。

说明:这部分芯片举例图中给出了芯片的内部结构图,看似复杂,其实比数字芯片(例如CPU、GPU等)规模小很多,数字芯片中的晶体管数量多达数百~上百亿只,无法画出晶体管级的结构,只能画出大的功能模块。不要误认为模拟芯片比数字芯片结构复杂。
 
1.分立器件和模组(二极管、三极管、MOSFET、IGBT等):这些器件和模组也是采用集成电路平面工艺制作而成,虽然封装成器件和模组的形式,外观不像一般的芯片,但它们也属于集成电路的范畴。分立器件内部的元件数量极少,但在设计和制造时,对其中元件参数的把控极其讲究。不像数字电路以功能为王,所有模拟电路都是以参数和性能为王。


图10.一些分立器件和模组举例
 
2.电源电路:电源电路用于把200V50Hz交流电转换成不同输出电压和电流的直流电,作为各种电子产品和系统的电源。电源电路芯片种类很多,仅以常用的开关电源芯片为例,芯片型号竟多达300多种(其中DC/DC芯片160多种;AC/DC芯片60多种;电源控制器芯片30多种;充电控制器芯片50多种)。估计现有的电源芯片型号不下500种。


图11.一些电源芯片举例
 
3.信号检测电路:用于检测微弱的电信号,经过滤波、放大等多种前端处理后,变成便于处理的大信号、或者数字信号。


图12.一些信号检测芯片举例
 
4.滤波器:滤波电路用于信号的提取、变换或抗干扰。它是一种选频电路,可以使信号中特定的频率成分通过,同时极大地衰减其他频率成分。因此就有低通、带通和高通滤波器之分,也有无源和有源滤波器之分,滤波器芯片一般是有源滤波器。


图13.一些滤波器芯片举例
 
5.转换电路:转换电路用于把电流信号转换成电压信号或将电压信号转换为电流信号;或者将直流信号转换为交流信号或将交流信号转换为直流信号;或者将直流电压转换成与之成正比的频率等。开关电源、稳压电路、电平转换、模拟-数字转换电路(ADC/DAC)等也是转换电路。ADC/DAC属于数模混合电路,故放在第三部分介绍。


图14.一些转换电路芯片举例
 
6.信号发生器:信号发生电路用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。它主要包括各种函数信号发生器,特殊频率、波形和脉冲信号发生器等。根据应用需要,信号发生器产生的信号种类也在不断增加中。


图15.一些信号发生器芯片举例
 
7.放大器:放大电路用于对信号的电压、电流或功率进行放大。主要包括前置放大器、运算放大器和功率放大器(PA)等十多种放大器。而且根据信号频率高低,还可分为低频、中频、高频、射频等种类。而且,因应用场合不同,有不同的性能要求,会有不同种类的放大器名称。


图16.一些放大器芯片举例
 
三、数模混合电路
1.模-数转换器(ADC、DAC):模拟-数字转换器(ADC)和数字-模拟转换器(DAC)芯片是现实世界与数字世界的电路接口,没有这些芯片就没有今天的数字化世界。这类芯片从通道数量、转换位宽、转换速率、精度等方面,可以有许多细分品种,芯片型号非常多。


图17.一些ADC和DAC芯片举例
 
2.光电转换电路:光电转换芯片是实现光通信和光电系统不可或缺的芯片种类。包括光电耦合器件、光电探测器二极管、光敏三极管、光敏电阻器等。


图18.一些光电转换电路芯片和器件举例
 
3.基带电路:手机基带芯片主要由微处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块组成。它用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码。目前,基带芯片只有高通、英特尔、三星、华为、联发科、展讯、中兴等少数公司可以设计生产。

图19.一些基带芯片举例
 
4.调制解调器:调制解调芯片是实现调制、解调、或者二者兼而有之功能的芯片。调制是把变化着的基带信号转成对应变化着的载波的幅度(调幅)、或频率(调频)、或相位(调相)等模拟量。解调是把变化着的载波的幅度(调幅)、或频率(调频)、或相位(调相)等模拟量转成对应变化着的基带信号。调制解调芯片在无线电收发报机、无线广播电视、无线通信、宽带网络和光纤网络等方面广泛应用。


图20.一些调制解调芯片举例
 
5.接口电路:接口电路是芯片内部件之间、芯片之间、芯片与外界之间、系统与系统之间的连接和转换的电路,它承担着系统的搭建任务,起着承上启下的重要作用。接口电路的细分种类非常多,非常繁杂。

图21.一些接口电路芯片举例
 
7.传感器:传感器用来测量和感知现实世界中的各种物理量,例如磁力、运动、压力、温度、湿度、图像、声音等。传感器的细分种类非常多,一般是以器件而不是芯片的形式存在,即使有芯片也是封装在器件之内。

图22.一些传感器芯片举例
 
8.驱动器:驱动器芯片和器件的细分种类很多,从小到数码管、LCD和LED显驱动,中到电机驱动、半导体照明驱动,大到电力开关驱动、电动汽车和机车动力驱动,细分种类很杂,数量很多。

图23.一些驱动器芯片举例
 
四、特种电路芯片
1.抗辐射军工宇航级电路:宇航级芯片不但要在工作温度上超过军品级芯片(-55℃~125℃),而且要有抗辐射等方面的要求。军工宇航级芯片一般采用陶瓷封装和带保护屏蔽壳的封装方式。这些芯片在功能、性能、温度、抗辐射、可靠性等方面都要有绝佳表现,由于垄断程度很高,需求数量又较少,据说有些芯片售价高达50万~500万元/片。


图24.一些军工宇航级芯片举例
 
2.射频功率电路:人们不断追求无线通信速度和质量,对无线传输的射频功率电路芯片和器件提出了严苛的要求。而且这些芯片和器件属于模拟电路,可以说它们是芯片皇冠上的明珠,只有靠长期研发投入和技术积累才能摘取,没有其它捷径可走。


图25.一些射频功率电路芯片和器件举例
 
3.超高压大功率电路:硅功率器件由于价格较便宜,目前仍然广泛应用在600V以下的场合,但如果电压要求进一步提高,特别是对效率、温度有较高要求的场合,只能选择使用SiC等宽禁带材料制作的芯片和器件。


图26.一些超高压大功率电路芯片和器件举例

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