將數(shù)字和模擬功能集成到嵌入式處理器中

混合信號(hào)器件向系統(tǒng)級(jí)芯片方向發(fā)展，需求急速膨脹。Broadcom公司混合信號(hào)RF產(chǎn)品部總經(jīng)理

K.C.Murphy說(shuō)：“由于技術(shù)的發(fā)展，有可能在一塊芯片上集成更多功能。將模擬和數(shù)字器件分隔開來(lái)的觀念不再有市場(chǎng)。”以往需要較多分立器件的場(chǎng)合現(xiàn)在只需幾個(gè)芯片即可。例如，藍(lán)牙和以太網(wǎng)系統(tǒng)可以用一塊芯片完成。

科勝訊系統(tǒng)公司無(wú)線通信部市場(chǎng)主管Mike O'Neill說(shuō)：“相當(dāng)數(shù)量的模擬邏輯器件與數(shù)字處理器件整合在一起。”盡管混合信號(hào)市場(chǎng)是巨大，但由于對(duì)混合信號(hào)器件的認(rèn)識(shí)不一致，很難確定這一市場(chǎng)的具體規(guī)模。人人都贊同混合信號(hào)器件是將模擬和數(shù)字電路集成在一塊芯片上的說(shuō)法，但對(duì)數(shù)字與模擬成分的比例，看法卻莫衷一是。

市場(chǎng)調(diào)研公司Semico的一位分析家說(shuō)，估計(jì)1999年全球線性和邏輯IC產(chǎn)品的銷售總額約為200億美元，但混合信號(hào)器件具體占到多少份額卻并不清楚。Dataquest公司用管腳識(shí)別混合信號(hào)器件。該公司的分析師Ada Cheng說(shuō)：“如果進(jìn)出的信號(hào)包括模擬量和數(shù)字量，那么它就是混合信號(hào)。”Dataquest估計(jì)全球混合信號(hào)IC產(chǎn)品，包括應(yīng)用在電信、大規(guī)模存儲(chǔ)、消費(fèi)電子和汽車電子領(lǐng)域的器件，去年的銷售總額約為166億美元，比1998年的144億美元高出15.5%。其中電信銷售為71億美元、消費(fèi)類占51億美元、大規(guī)模存儲(chǔ)器件占23億美元、汽車電子占21億美元。

盡管Dataquest并沒有對(duì)2000年混合信號(hào)器件市場(chǎng)作出預(yù)測(cè)，Cheng說(shuō)：“市場(chǎng)上半年的行情是好的，下半年會(huì)繼續(xù)保持或變得更好。通常在第三季度市場(chǎng)會(huì)走軟，但第三季度各公司大都有穩(wěn)固的訂貨。除非出現(xiàn)大的經(jīng)濟(jì)變故，今年將是一個(gè)好年景。”

采用新工藝

國(guó)家半導(dǎo)體(NS)公司模擬器件部負(fù)責(zé)人Mark Levi說(shuō)：“客戶希望電路易于應(yīng)用，同時(shí)具有盡可能多的功能，因?yàn)樗麄兿ＭM可能快地使產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。今天，差不多每一個(gè)產(chǎn)品都有人性化接口、一個(gè)微控制器、一個(gè)到高速的連接器。最困難的部分就是將模擬和數(shù)字世界連接起來(lái)。”

TI公司混合信號(hào)DSP解決方案市場(chǎng)主管Milt Hogan說(shuō)：“十多年前，大多數(shù)模擬供應(yīng)商在技術(shù)上落后于數(shù)字產(chǎn)品供應(yīng)商，現(xiàn)在情況卻有所不同。”

對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，噪聲和工藝兼容性是兩大主要障礙。除非對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離否則來(lái)自高速數(shù)字電路的噪聲將妨礙模擬電路的功能。數(shù)字電路的設(shè)計(jì)者爭(zhēng)取利用最小的幾何尺寸來(lái)優(yōu)化速度和功率消耗。

半導(dǎo)體制造商對(duì)有利于混合信號(hào)發(fā)展的制造技術(shù)持不同看法。IBM微電子高級(jí)工程經(jīng)理Dave Ahlgren說(shuō)：“對(duì)混合信號(hào)技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，硅鍺(SiGe)技術(shù)即使不是最好的技術(shù)，也是優(yōu)先選擇的技術(shù)。數(shù)字電路CMOS的優(yōu)點(diǎn)在于它的密度、較低的速度下的低功耗和成本。但是對(duì)模擬電路來(lái)說(shuō)，CMOS不是特別好的技術(shù)。”他說(shuō)：“BiCMOS可用來(lái)制造模擬和無(wú)源器件，且它與數(shù)字電路COMS兼容。BiCMOS是目前多數(shù)半導(dǎo)體供應(yīng)商制造混合信號(hào)器件的方法。”

無(wú)需顯著增加成本，就可以從單純的硅工藝轉(zhuǎn)向SiGe 雙極性異結(jié)質(zhì)晶體管工藝。Ahlgren 說(shuō)：“這種晶體管具有和砷化鎵材料及其他外來(lái)昂貴材料同樣的性能，并且可以在原有的硅生產(chǎn)線上加工。”他說(shuō)：“雙極硅半導(dǎo)體工藝可以獲得15~20GHz 的開關(guān)速度，而SiGe 半導(dǎo)體可以達(dá)到50GHz的開關(guān)速度。”IBM 稱他們正在致力開發(fā)開關(guān)速度為100GHz的產(chǎn)品。

英特爾正在采用硅工藝為10Mbits/s以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)開發(fā)混合信號(hào)無(wú)線收發(fā)器。網(wǎng)絡(luò)元件營(yíng)銷經(jīng)理Sean Dingman說(shuō)：“大批量市場(chǎng)不能使用太前沿的東西，我們僅僅用CMOS工藝就可以制造模擬和數(shù)字產(chǎn)品。我們不需要雙極工藝，雖然它確實(shí)有速度優(yōu)勢(shì)，但對(duì)我們的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它太貴了，且功耗太大。”Cygnal集成產(chǎn)品公司是一家美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)，他們采用0.35微米CMOS工藝優(yōu)化混合信號(hào)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)利用一系列標(biāo)準(zhǔn)和獨(dú)特的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了68~70dB的噪聲屏蔽。“模擬電路必須在一定的輸入和輸出電壓范圍之內(nèi)工作。”市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁 Don Alfano說(shuō)：“數(shù)字電路設(shè)計(jì)不僅涉及的參數(shù)較少，而且可以利用已有的開發(fā)工具。但模擬電路設(shè)計(jì)需要特別的技藝，任何一個(gè)參數(shù)超出容許范圍都將影響最終產(chǎn)品的性能。”

由于模擬IC設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，許多廠家已經(jīng)開始使用SiGe、GaAs或其他技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。“目前，基于CMOS的混合信號(hào)技術(shù)使模擬設(shè)計(jì)走出困境，并向低成本、低功耗和小體積方向發(fā)展。”Rocket Chips公司銷售和市場(chǎng)副總裁Tim Hemken如是說(shuō)。

盡管0.25和0.18微米工藝是目前最常用的，但RocketChips采用0.13微米工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)品。他說(shuō)：“在速度上，我們的產(chǎn)品與采用SiGe和GaAs工藝的產(chǎn)品不相上下。多數(shù)廠商采用雙極或BiCMOS工藝，但采用簡(jiǎn)單的CMOS工藝設(shè)計(jì)模擬電路的廠商還不多見。”

“雙極、GaAs、SiGe和BiCMOS不能被有效地集成進(jìn)CMOS工藝。”通訊系統(tǒng)芯片制造商Power X網(wǎng)絡(luò)公司市場(chǎng)副總經(jīng)理Bill Weir說(shuō)，“幾何尺寸發(fā)生巨大變化，不久前人們采用0.35/0.25微米工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。今天，設(shè)計(jì)人員采用0.18/0.15微米、甚至0.12微米技術(shù)設(shè)計(jì)。奔騰處理器用0.18微米技術(shù)設(shè)計(jì)，集成了1,200萬(wàn)門。但你永遠(yuǎn)不能無(wú)止境地把所有電路都放在一塊芯片中。如果需要更高的數(shù)據(jù)率，你不得不求助于GaAs、 BiCMOS、雙極，甚至磷酸銦。”

NS已經(jīng)開始為混合信號(hào)器件開發(fā)新的工藝技術(shù)。他們加強(qiáng)了在CMOS電路上集成EPROM、精密電容、電阻和高Q電感的能力。他們也采用 BiCMOS、BiDMOS和SiGe工藝，并且即將發(fā)布一種外形體積縮小了3倍，被稱作PVIP50的產(chǎn)品。自從藍(lán)牙短距離無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)公開以來(lái)，科勝訊的O'Neill說(shuō)：“我們便致力為這種技術(shù)開發(fā)低功耗的器件，因?yàn)樗{(lán)牙產(chǎn)品趨向采用電池供電。設(shè)計(jì)藍(lán)牙產(chǎn)品可選擇不同的體系結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)和硅工藝。”科勝訊優(yōu)先選擇了SiGe BiCMOS而非CMOS或BiCMOS。

產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)

混合信號(hào)市場(chǎng)如此巨大，為眾多供應(yīng)商提供了一展身手的舞臺(tái)。TelCom半導(dǎo)體公司致力于開發(fā)溫度管理產(chǎn)品，以及數(shù)字萬(wàn)用表、面板儀表和消費(fèi)電子的邏輯前端產(chǎn)品。公司高級(jí)產(chǎn)品和行銷主管Don Ashley說(shuō)：“將數(shù)字和模擬功能集成到嵌入式處理器中是混合信號(hào)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。”模擬IC供應(yīng)商，如Burr-Brown (現(xiàn)在是TI的一部分)也希望在混合信號(hào)領(lǐng)域占得一席之地。Burr-Brown數(shù)字分部營(yíng)銷策略工程師Robert Schreiber說(shuō)，公司的客戶希望采用簡(jiǎn)單的串行接口連接DSP產(chǎn)品、微控制器和微處理器，以及要求一個(gè)芯片有更高的集成度。市場(chǎng)另一趨勢(shì)是更高精度的獨(dú)立器件。Linear Technology(LTC)公司的混合信號(hào)產(chǎn)品包括 RS232和RS485接口器件、熱交換控制器和微處理監(jiān)控器。公司混合信號(hào)器件營(yíng)銷經(jīng)理Todd Nelson說(shuō)：“客戶期望降低方案成本、充分利用電路板空間。我們的多方案無(wú)線收發(fā)器已從三塊芯片降為兩片。我們做到了體積減小一半，成本降低一半。” 這種器件每片有28個(gè)管腳，共計(jì)56個(gè)管腳，而單芯片方案需要80個(gè)管腳。

在RS232和RS485市場(chǎng)，Intersil是一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者?；旌闲盘?hào)集成電路主管Davin Yuknis說(shuō)：“我們有生產(chǎn)和銷售能力。”Davin Yuknis說(shuō)，“我們的器件被應(yīng)用在PC、漆上電腦、機(jī)頂盒、蜂窩電話和數(shù)字相機(jī)中。”

Sipex公司總裁Steve Parks 說(shuō)：“PC 產(chǎn)品曾經(jīng)是 IC 工業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力，但今天通訊IC成了主要的推動(dòng)力。隨著這類產(chǎn)品的盛行，混合信號(hào)產(chǎn)品需求呈指數(shù)增長(zhǎng)。”

ASIC是混合信號(hào)市場(chǎng)的重要組成部分。東芝電子美國(guó)公司系統(tǒng)IC業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開發(fā)主管Peter Richmond說(shuō)：“現(xiàn)在的亞微米ASIC技術(shù)能夠集成百萬(wàn)個(gè)晶體管，并允許系統(tǒng)具有高水平的系統(tǒng)級(jí)集成(SLI)能力，即在一塊芯片上集成模擬、應(yīng)用邏輯、存儲(chǔ)器、微處理器和I/O接口等。”Richmond 說(shuō)，SLI ASIC設(shè)計(jì)的成功意味著在保持低成本的前提下就能按時(shí)完成開發(fā)和初步生產(chǎn)。但挑戰(zhàn)來(lái)自于：如何使ASIC技術(shù)、設(shè)計(jì)流程、工藝方法、EDA工具、庫(kù)和封裝技術(shù)進(jìn)行完美的結(jié)合，使之和諧地工作。Kendin通訊公司也采用模擬和數(shù)字模塊設(shè)計(jì)混合信號(hào)ASIC產(chǎn)品。營(yíng)銷副總裁Bill Windsor說(shuō)：“公司內(nèi)部進(jìn)行了優(yōu)化，主要面向網(wǎng)絡(luò)專用信號(hào)處理。我們的產(chǎn)品功耗是其他產(chǎn)品的一半或六分之一，我們還將原來(lái)器件的尺寸縮小了三分之一，并將MAC(媒體訪問控制器)、PHY和SRAM等集成起來(lái)。”

只要存在對(duì)混合信號(hào)器件的需求，大公司仍有時(shí)間在混合信號(hào)市場(chǎng)占有一席之地。安森美半導(dǎo)體公司系統(tǒng)和應(yīng)用工程經(jīng)理Armin Schultz稱：“混合信號(hào)市場(chǎng)最終將是成本的競(jìng)爭(zhēng)，具有大批量制造能力的供應(yīng)商將勝出。”