從蘋果的iPod音樂播放器到摩托羅拉的V3手機，從任天堂Wii游戲機再到蘋果的iPhone手機，近年來，一件件具有開創(chuàng)性甚或是顛覆性的數(shù)字消費產(chǎn)品不斷沖擊著業(yè)界的神經(jīng)和消費者的眼球。甫一問世，這些熱門產(chǎn)品便成為各大反向工程公司和市場研究公司爭相拆解分析的對象。在對這些產(chǎn)品的物料清單(BOM)進行分析時，大部分的案例都將重點放在了采用了哪些主處理器和存儲器等數(shù)字芯片上。毫無疑問，在這場數(shù)字時代的盛宴中，數(shù)字芯片成為了業(yè)界矚目的焦點。
與數(shù)字IC的光鮮奪目相比，模擬芯片" title="模擬芯片">模擬芯片則沒有那么起眼，甚至顯得有點默默無聞了。按照美國半導體行業(yè)協(xié)會(SIA)旗下的2007年世界半導體貿易統(tǒng)計數(shù)字?？?WSTS)的分類，模擬芯片主要分為兩大類，一類是標準線性模擬芯片，其中主要包括放大器、接口電路、數(shù)據(jù)轉換器、電源管理芯片以及射頻芯片等；而另一類是專用模擬芯片，亦即面向消費、計算機及外設、通信、汽車，以及工業(yè)和醫(yī)療等專用應用領域的芯片。
總的來看，模擬芯片種類繁多，應用范圍廣泛，價格差異大，更新?lián)Q代的頻率也不明顯，某半導體廠商" title="半導體廠商">半導體廠商20多年前推出的一款模數(shù)轉換芯片(ADC)甚至到今天都還可以接受訂單。不過，由于終羰產(chǎn)品生命周期的縮短以及競爭壓力的增大，模擬功能" title="模擬功能">模擬功能被越來越多的集成到更為復雜的單芯片電路中。雖然模擬市場未來仍將繼續(xù)增長，但一般預計，其增速在所在半導體器件中將屬于相對較慢之列。
但是，即便數(shù)字IC的性能再優(yōu)異，如果沒有模擬IC的搭配，就無法充分發(fā)揮數(shù)字IC的性能優(yōu)勢，甚至也不能構成完整的數(shù)字產(chǎn)品。在數(shù)字系統(tǒng)中，模擬芯片一直忠實地執(zhí)行著將現(xiàn)實世界中的聲、光、電、力等模擬信號轉換為數(shù)字世界可以處理的“0”和“1”等數(shù)字信號，并在經(jīng)過一定的信號處理流程后，又將這些數(shù)字信號轉換為能夠被現(xiàn)實世界中的用戶接受和理解的模擬信號。特別是在用戶體驗越來越受到重視的今天，模擬IC作用就顯得更加突出。無怪乎近年來，幾乎是在數(shù)字IC風生火起的同時，各大主流模擬半導體供應商不約而同地玩起了“高性能" title="高性能">高性能模擬”的“噱頭”。
解讀高性能模擬
雖然幾乎所有主流半導體廠商都在渲染“高性能模擬”，但什么才是高性能模擬呢？一般而言，高性能模擬芯片應該具備高速度、高精度和高電源效率，而且應該在寬廣的溫度范圍內性能仍能保持穩(wěn)定和可靠。有業(yè)內人士指出，高性能模擬就應該以性能取勝，以性能體現(xiàn)自身價值。
在提高模擬IC的性能方面，業(yè)內廠商一直不遺余力。例如，在運算放大器方面，根據(jù)不同的應用需求，已經(jīng)演化出通用型、低電壓/低功耗型、高速型和高精度型。其中，以高精度運算放大器為例，這類運放一般是指失調電壓低于1mV的運放。而在放大器領域市場占有率最高的德州儀器(TI)公司，近期就推出了一款高精度的運放—OPA211。該器件可提供100μV(即0.1mV)的失調電壓、0.2μV/℃失調電壓漂移以及不足1μs的建立時間，非常適合驅動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的高精度模數(shù)轉換器。OPA211是一款雙極輸入運算放大器，由于雙極運算放大器在降低失調電壓誤差方面表現(xiàn)出色，非常適合信號源阻抗較低的應用。
又如，在直接數(shù)字頻率合成器方面，美國模擬器件公司(ADI)近期也推出一款新產(chǎn)品-AD9912，面向測試與測量設備、無線基站以及安全通信設備等應用。AD9912是一款1GSPS(每秒10億次采樣)直接數(shù)字頻率合成器，內置14位數(shù)模轉換器(DAC)，對輸出高達400MHz信號具有3.6μHz調諧分辨率。該芯片提供了前所未有的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)性能，其信號輸出高達400mHz，而功耗不超過1,000mW。ADI稱，這種新的性能的實現(xiàn)，是因為采用了ADI具有自主IP的“雜波抑制”通道，使兩個最大的諧波雜散降低高達10dB。這簡化了設計，更使設計人員" title="設計人員">設計人員在頻率分配方面能夠花費更少的時間。
對于“高性能模擬”而言，除了理所當然地要在性能指標上不斷下功夫之外，有業(yè)內人士認為，還應當在產(chǎn)品可靠性、技術支持、準時交貨和客戶服務等方面做好文章。也有業(yè)內人士指出，所謂的“高性能模擬”，就是要能給設計人員在整個產(chǎn)品的設計過程中都帶來高品質的產(chǎn)品。
另外，TI的高性能模擬產(chǎn)品亞洲區(qū)市場開發(fā)經(jīng)理Jackie Wu坦承，雖然如今模擬IC的性能指標不斷創(chuàng)造新高，但其在架構上并沒有大的突破；相應的是，工藝技術對于“高性能模擬”而言，顯得非常重要。
圖? TI公司HDTV AV框圖。
一般而言，高性能模擬工藝的推出和采用會比數(shù)字工藝晚約2個CMOS世代。舉例來說，對于數(shù)字芯片來說，許多領先廠商已經(jīng)在采用65納米工藝進行量產(chǎn)；而對于模擬芯片來說，目前采用比65納米晚兩代的130納米工藝已經(jīng)屬于比較先進。對于同時生產(chǎn)數(shù)字IC和模擬IC的半導體供應商來說，先進的數(shù)字CMOS工藝正是先進模擬工藝的起點。如前文所提及的TI OPA211高精度運算放大器，就是采用TI最新、最先進的BiCom3HV工藝生產(chǎn)的。該工藝就是TI率先將硅鍺(SiGe)工藝與CMOS工藝相融合的36V工業(yè)工藝，具有高速度、低噪聲和低功耗等特性。其晶體管速度較前代技術得到顯著提高。出色的晶體管匹配與高精度硅鉻(SiCr)電阻器提高了精準度，擴大了動態(tài)范圍，實現(xiàn)了整個工作溫度范圍內的高穩(wěn)定性。
總而言之，“高性能模擬”首先就應當具有較高或極高的性能指標，除此之外，不斷采用更先進的模擬工藝技術，保障產(chǎn)品的可靠性，以及提供更好的技術支持、更準時的交貨和客戶服務，都是“高性能模擬”的重要意涵。
朝更高集成度、軟件可編程與更纖巧封裝發(fā)展
在模擬IC的發(fā)展趨勢上，昂寶電子(上海)有限公司總裁陳志樑博士指出，當前模擬IC的發(fā)展趨勢與數(shù)字IC發(fā)展趨勢出現(xiàn)了更多的交集，也就是集成度越來越高，外形尺寸卻越來越小。此外，便攜產(chǎn)品要求模擬IC之間有更多的“通信”。展望未來，預計將有更多的數(shù)字功能被增添到傳統(tǒng)的模擬芯片中，在單個器件中包含多種功能。
另一方面，從數(shù)字SoC的發(fā)展趨勢來看，在主芯片之外，其集成的外圍模擬等功能也越來越多。但是，在數(shù)字SoC的設計過程中，并非所有模擬功能都能夠很容易的與高性能DSP或其它處理器集成，因為高頻數(shù)字邏輯電路會產(chǎn)生很強的噪聲，會對模擬信號造成干擾。另外，雖然先進的模擬電壓已經(jīng)降得越來越低，但仍然很難達到數(shù)字內核電壓的水準。在這種情況下，一般廠商的設計策略是不會將所有模擬功能加入一顆數(shù)字SoC，而是將不容易與高速數(shù)字功能的模擬功能盡量集成到第二顆組件；這顆組件會以模擬功能為主，但也會包括控制所需的部分邏輯電路和內存。
總的來看，受到系統(tǒng)性能需求的影響，最好的模擬功能通常會以低于SoC的程度進行集成，然后再利用這些器件支持集成度更高的數(shù)字。常見的模擬IC中，從放大器到數(shù)所轉換器再到電源管理芯片等，都在不斷提高集成度。
以放大器為例，為滿足日益豐富的應用需求，放大器不再只是單一的產(chǎn)品，而是與其它器件集成在一起以提升性能與產(chǎn)品價值。如在視頻放大器中整合濾波、多路技術以及DC恢復等功能。而且，單一的放大器也需要集成更多特性。這樣不僅可以降低系統(tǒng)誤差，還降低了設計人員的設計復雜性，使其無須經(jīng)常針對某種應用修改數(shù)十個參數(shù)以優(yōu)化放大器的性能和功能。
如ADI近期推出了一款零漂移的數(shù)字可設定增益儀表放大器AD8231，專門面向儀器儀表和工業(yè)設備應用。它采用了一種三運算放大器的儀表體系結構，集成了自動穩(wěn)零放大器以便保證在整個工作溫度范圍和工作年限內僅有50nV/℃的電壓失調，從而增強了可靠性。AD8231還有內置的增益設定電阻器，可以將增益系數(shù)溫度漂移限制到10ppm/℃。
在數(shù)據(jù)轉換器方面，同樣也在不斷集成更多功能。例如，凌力爾特推出了4通道增量累加模數(shù)轉換器(ADC)-LTC2492。該器件集成了一個具有1/30℃分辨率和2℃絕對準確度的內部溫度傳感器和一個新穎的前端設計。又如，TI近期推出了內含高精度參考電壓源的全新高精度數(shù)模轉換器(DAC)系列中的首款產(chǎn)品DAC8560。該器件是一種16位單通道DAC，集成了溫度漂移為2ppm/℃與初始精度為±0.004％的內部參考電壓源。TI稱，高精度DAC與出色的參考電壓源的結合使DAC8560成為了一種集合靈活性與易用性為一體的解決方案，非常適用于便攜式儀表、光網(wǎng)絡、工業(yè)過程控制、機器與運動控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的閉環(huán)控制應用。該器件還集成了一種上電復位電路，可確保DAC的輸出功率在零量程以上，并可保持這一水平直到驗證碼寫入該器件。
此外，與數(shù)字IC相比，模擬IC的參數(shù)相對比較固定，其功能也相對固定不變。但如今，半導體廠商也在越來越多地為模擬IC增添軟件可編程能力。如ADI的AD8231具有軟件可設定的增益系數(shù)，包括1、2、4、8、16、32、64和128，可以通過一個易用的三引腳接口進行設定。AD8231一旦儀表放大器設計到系統(tǒng)中后，可以采用數(shù)字邏輯設定增益，數(shù)字邏輯允許用戶反復調整增益。
凌力爾特推出了16位、4路電壓輸出DAC LTC2704-16，該器件具有6種軟件可編程輸出電壓范圍。4個DAC每個都可通過3線SPI兼容串行接口編程為4種雙極性輸出范圍之一(±10V、±5V、－2.5V或+7.5V)或兩種單極性輸出范圍之一(0V至5V或0V至10V)，非常適用于工業(yè)和過程控制應用、儀表以及自動測試設備。
而在改進模擬IC性能指標、提高產(chǎn)品集成度和增加軟件可編程能力的同時，為了適當便攜等應用對IC占位面積越來越嚴苛的要求，業(yè)內廠商也不斷采用更先進的封裝技術，推出占位面積更小的芯片，從而為設計人員增添更加的設計靈活性，方便他們開發(fā)出在市場上更具競爭力的產(chǎn)品。
如凌力爾特推出的LTC2450據(jù)稱是業(yè)界最小的16位ADC，它采用纖巧的DFN封裝，尺寸僅為2mm×2mm，比最接近的同類產(chǎn)品尺寸小一半以上。這樣帶來的好處是LTC2450可以直接放置在傳感器旁邊，使得產(chǎn)生的讀數(shù)準確得多。凌力爾特的產(chǎn)品行銷工程師Steve Logan強調：“這種小型封裝還允許設計人員將這類ADC應用在以前無法使用的地方，而多個IC緊密排列的服務器電路板就是這樣一個例子，在在電路板上有一些器件非常密集的地方，人們需要測量這些地方的溫度。”
一般情況下，芯片封裝尺寸是裸片尺寸的1.2倍。業(yè)內人士指出，封裝技術的下一步是晶圓級封裝(WLP)，這種技術利用置于裸片頂部的焊接點，將裸片與PCB連接在一起。該技術消除了焊線，并且縮短了敏感參考節(jié)點的長度，而且封裝尺寸與裸片幾乎同樣大小，實現(xiàn)了真正的芯片級封裝(CSP)，預計可為設計人員提供更高的靈活性。
產(chǎn)業(yè)集中度低，廠商競爭策略各異
根據(jù)市場研究公司iSuppli的預計，得益于手機、PC和網(wǎng)絡設備需求的增長，2007年全球模擬IC營收預計達到475億美元，相比2006年增長10.1%。不過，在這么大的一塊市場蛋糕中，爭食的半導體廠商為數(shù)非常之多。盡管沒有全球共有多少家模擬IC供應商的數(shù)據(jù)，但在資料顯示，僅就模擬IC中的電源管理而言，供應商就有100多家。這在數(shù)字IC領域，是不可想象的。例如，在常見的CPU、DSP和FPGA領域，最大的一家或前兩大供應商往往就會占據(jù)大部分的份額。
用具體的數(shù)據(jù)來描述模擬市場的相對分散性也許更為貼切。根據(jù)市場研究公司Gartner Dataquest對2005年全球標準模擬IC市場的統(tǒng)計，從標準模擬IC排行榜中，TI高居榜首，但其份額也不過是15%，遠不及它在DSP領域的壓倒式領先地位；緊隨其后的分別是ADI(13%)、國半(11%)、美信(9%)和凌力爾特(7%)，排名第六至十的供應商包括安森美、Intersil、意法半導體、飛兆半導體和國際整流器，它們的份額都不超過3%；除了前十名，剩下的還有32%的份額被掌控在其它的大部分廠商之中。
由此看來，模擬IC領域的產(chǎn)業(yè)集中度較低，雖然歐美廠商在其中占據(jù)著主導地位，但也會后來者及新進者留下了不少機會。憑借貼近全球主流消費電子系統(tǒng)廠商的優(yōu)勢，日韓廠商以及大中華地區(qū)的廠商也在不斷向這一領域發(fā)起沖擊。相應的，各個地區(qū)廠商的競爭策略也體現(xiàn)出差異。
例如，歐美廠商的技術積累歷史較長，擁有先進的工藝技術和制造工廠，其產(chǎn)品線非常廣泛。因此，在價格未必能占優(yōu)勢的條件下，歐美廠商常常引領著模擬IC的性能競賽，積極開發(fā)和采用先進的工藝技術，并常常強調它們能夠針對客戶的某種應用提供客戶所需的完整產(chǎn)品線，為客戶設計提供更大的方便和保障。如TI的Jackie Wu強調，中國某醫(yī)療電子設備領導廠商的一款醫(yī)療設備整個信號鏈都采用的是TI提供的產(chǎn)品。此外，TI等領導廠商也常常針對手機、工業(yè)和醫(yī)療等應用推出完整的產(chǎn)品線。
而依托臺灣地區(qū)PC系統(tǒng)廠商的強勁實力、晶圓代工廠在全球占據(jù)統(tǒng)治地位，以及貼近中國大陸市場的優(yōu)勢，臺灣地區(qū)的模擬IC廠商近年來也紛紛興起。由于在所有標準模擬IC之中，電源管理IC的需求最為旺盛，以及從選擇重點突破等業(yè)務策略考慮，據(jù)統(tǒng)計，臺資模擬IC廠商中約有2/3專注于電源管理IC，并且形成了較強的實力。其中不乏有實力漸強者逐漸威脅到歐美傳統(tǒng)廠商的地位，導致引發(fā)歐美廠商挑起的專利侵權訴訟之憂，甚至是被歐美廠商收歸其下，如崇貿科技被飛兆半導體收購就是其中一例。
除了臺灣地區(qū)廠商，在貼近本地市場及能夠為本地客戶提供更及時服務的優(yōu)勢依托下，中國大陸以海外留學歸國人員為主導的模擬IC設計公司也紛紛涌現(xiàn)。他們一般也重點選擇電源管理IC作為突破口，但也不乏進軍放大器、數(shù)據(jù)轉換器等標準模擬IC，以及射頻IC等領域的例子。
不管是在歐美半導體廠商之前，還是在所有模擬半導體廠商之前，推出與競爭對手引腳兼容的產(chǎn)品的現(xiàn)象頗為普遍。市場上常常可以看到某半導體廠商就某款或某些模擬芯片列出與競爭對手同類產(chǎn)品的性能參數(shù)對比，強調達到或超過對手產(chǎn)品的水準，以此吸引客戶選用。不過，一位半導體業(yè)內人士指出，日本和臺灣等地區(qū)廠商的這類對比中，常常會有一些微妙之處，因為這類廠商對進行性能參數(shù)對比時，常常也指出了可能會讓人忽視的一點，就是其性能參數(shù)是在25℃溫度環(huán)境下所測出的，而所選擇的歐美競爭對手的產(chǎn)品參數(shù)也是以25℃為準，而沒有進行全溫度范圍內的性能參數(shù)對比，否則真正的差距就會顯現(xiàn)出來，甚至許多日本和臺灣等地區(qū)廠商的一些產(chǎn)品根本就只是針對25℃溫度條件進行設計的，其在其它溫度條件下的性能表現(xiàn)得不到保證，其價格的相對占優(yōu)，也往往是以減少相關測試投入為代價的，而對提高最終客戶的產(chǎn)品品質并無助益。