從蘋(píng)果的iPod音樂(lè)播放器到摩托羅拉的V3手機(jī)，從任天堂Wii游戲機(jī)再到蘋(píng)果的iPhone手機(jī)，近年來(lái)，一件件具有開(kāi)創(chuàng)性甚或是顛覆性的數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品不斷沖擊著業(yè)界的神經(jīng)和消費(fèi)者的眼球。甫一問(wèn)世，這些熱門(mén)產(chǎn)品便成為各大反向工程公司和市場(chǎng)研究公司爭(zhēng)相拆解分析的對(duì)象。在對(duì)這些產(chǎn)品的物料清單(BOM)進(jìn)行分析時(shí)，大部分的案例都將重點(diǎn)放在了采用了哪些主處理器和存儲(chǔ)器等數(shù)字芯片上。毫無(wú)疑問(wèn)，在這場(chǎng)數(shù)字時(shí)代的盛宴中，數(shù)字芯片成為了業(yè)界矚目的焦點(diǎn)。
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(méi)有那么起眼，甚至顯得有點(diǎn)默默無(wú)聞了。按照美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)旗下的2007年世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)數(shù)字?？?WSTS)的分類，模擬芯片主要分為兩大類，一類是標(biāo)準(zhǔn)線性模擬芯片，其中主要包括放大器、接口電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fèi)、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、通信、汽車，以及工業(yè)和醫(yī)療等專用應(yīng)用領(lǐng)域的芯片。
總的來(lái)看，模擬芯片種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，價(jià)格差異大，更新?lián)Q代的頻率也不明顯，某半導(dǎo)體廠商" title="半導(dǎo)體廠商">半導(dǎo)體廠商20多年前推出的一款模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)甚至到今天都還可以接受訂單。不過(guò)，由于終羰產(chǎn)品生命周期的縮短以及競(jìng)爭(zhēng)壓力的增大，模擬功能" title="模擬功能">模擬功能被越來(lái)越多的集成到更為復(fù)雜的單芯片電路中。雖然模擬市場(chǎng)未來(lái)仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，但一般預(yù)計(jì)，其增速在所在半導(dǎo)體器件中將屬于相對(duì)較慢之列。
但是，即便數(shù)字IC的性能再優(yōu)異，如果沒(méi)有模擬IC的搭配，就無(wú)法充分發(fā)揮數(shù)字IC的性能優(yōu)勢(shì)，甚至也不能構(gòu)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(shí)地執(zhí)行著將現(xiàn)實(shí)世界中的聲、光、電、力等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界可以處理的“0”和“1”等數(shù)字信號(hào)，并在經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)處理流程后，又將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被現(xiàn)實(shí)世界中的用戶接受和理解的模擬信號(hào)。特別是在用戶體驗(yàn)越來(lái)越受到重視的今天，模擬IC作用就顯得更加突出。無(wú)怪乎近年來(lái)，幾乎是在數(shù)字IC風(fēng)生火起的同時(shí)，各大主流模擬半導(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)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(yīng)該具備高速度、高精度和高電源效率，而且應(yīng)該在寬廣的溫度范圍內(nèi)性能仍能保持穩(wěn)定和可靠。有業(yè)內(nèi)人士指出，高性能模擬就應(yīng)該以性能取勝，以性能體現(xiàn)自身價(jià)值。
在提高模擬IC的性能方面，業(yè)內(nèi)廠商一直不遺余力。例如，在運(yùn)算放大器方面，根據(jù)不同的應(yīng)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(yùn)算放大器為例，這類運(yùn)放一般是指失調(diào)電壓低于1mV的運(yùn)放。而在放大器領(lǐng)域市場(chǎng)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(yùn)放—OPA211。該器件可提供100μV(即0.1mV)的失調(diào)電壓、0.2μV/℃失調(diào)電壓漂移以及不足1μs的建立時(shí)間，非常適合驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。OPA211是一款雙極輸入運(yùn)算放大器，由于雙極運(yùn)算放大器在降低失調(diào)電壓誤差方面表現(xiàn)出色，非常適合信號(hào)源阻抗較低的應(yīng)用。
又如，在直接數(shù)字頻率合成器方面，美國(guó)模擬器件公司(ADI)近期也推出一款新產(chǎn)品-AD9912，面向測(cè)試與測(cè)量設(shè)備、無(wú)線基站以及安全通信設(shè)備等應(yīng)用。AD9912是一款1GSPS(每秒10億次采樣)直接數(shù)字頻率合成器，內(nèi)置14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，對(duì)輸出高達(dá)400MHz信號(hào)具有3.6μHz調(diào)諧分辨率。該芯片提供了前所未有的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)性能，其信號(hào)輸出高達(dá)400mHz，而功耗不超過(guò)1,000mW。ADI稱，這種新的性能的實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)椴捎昧薃DI具有自主IP的“雜波抑制”通道，使兩個(gè)最大的諧波雜散降低高達(dá)10dB。這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，更使設(shè)計(jì)人員" title="設(shè)計(jì)人員">設(shè)計(jì)人員在頻率分配方面能夠花費(fèi)更少的時(shí)間。
對(duì)于“高性能模擬”而言，除了理所當(dāng)然地要在性能指標(biāo)上不斷下功夫之外，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，還應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品可靠性、技術(shù)支持、準(zhǔn)時(shí)交貨和客戶服務(wù)等方面做好文章。也有業(yè)內(nèi)人士指出，所謂的“高性能模擬”，就是要能給設(shè)計(jì)人員在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中都帶來(lái)高品質(zhì)的產(chǎn)品。
另外，TI的高性能模擬產(chǎn)品亞洲區(qū)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Jackie Wu坦承，雖然如今模擬IC的性能指標(biāo)不斷創(chuàng)造新高，但其在架構(gòu)上并沒(méi)有大的突破；相應(yīng)的是，工藝技術(shù)對(duì)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(huì)比數(shù)字工藝晚約2個(gè)CMOS世代。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)字芯片來(lái)說(shuō)，許多領(lǐng)先廠商已經(jīng)在采用65納米工藝進(jìn)行量產(chǎn)；而對(duì)于模擬芯片來(lái)說(shuō)，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(jìn)。對(duì)于同時(shí)生產(chǎn)數(shù)字IC和模擬IC的半導(dǎo)體供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，先進(jìn)的數(shù)字CMOS工藝正是先進(jìn)模擬工藝的起點(diǎn)。如前文所提及的TI OPA211高精度運(yùn)算放大器，就是采用TI最新、最先進(jìn)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(shù)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(zhǔn)度，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的高穩(wěn)定性。
總而言之，“高性能模擬”首先就應(yīng)當(dāng)具有較高或極高的性能指標(biāo)，除此之外，不斷采用更先進(jìn)的模擬工藝技術(shù)，保障產(chǎn)品的可靠性，以及提供更好的技術(shù)支持、更準(zhǔn)時(shí)的交貨和客戶服務(wù)，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(shì)上，昂寶電子(上海)有限公司總裁陳志樑博士指出，當(dāng)前模擬IC的發(fā)展趨勢(shì)與數(shù)字IC發(fā)展趨勢(shì)出現(xiàn)了更多的交集，也就是集成度越來(lái)越高，外形尺寸卻越來(lái)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(lái)，預(yù)計(jì)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(gè)器件中包含多種功能。
另一方面，從數(shù)字SoC的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，在主芯片之外，其集成的外圍模擬等功能也越來(lái)越多。但是，在數(shù)字SoC的設(shè)計(jì)過(guò)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?yàn)楦哳l數(shù)字邏輯電路會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲，會(huì)對(duì)模擬信號(hào)造成干擾。另外，雖然先進(jìn)的模擬電壓已經(jīng)降得越來(lái)越低，但仍然很難達(dá)到數(shù)字內(nèi)核電壓的水準(zhǔn)。在這種情況下，一般廠商的設(shè)計(jì)策略是不會(huì)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(huì)以模擬功能為主，但也會(huì)包括控制所需的部分邏輯電路和內(nèi)存。
總的來(lái)看，受到系統(tǒng)性能需求的影響，最好的模擬功能通常會(huì)以低于SoC的程度進(jìn)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(jiàn)的模擬IC中，從放大器到數(shù)所轉(zhuǎn)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(yīng)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(jià)值。如在視頻放大器中整合濾波、多路技術(shù)以及DC恢復(fù)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(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，使其無(wú)須經(jīng)常針對(duì)某種應(yīng)用修改數(shù)十個(gè)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(shè)定增益儀表放大器AD8231，專門(mén)面向儀器儀表和工業(yè)設(shè)備應(yīng)用。它采用了一種三運(yùn)算放大器的儀表體系結(jié)構(gòu)，集成了自動(dòng)穩(wěn)零放大器以便保證在整個(gè)工作溫度范圍和工作年限內(nèi)僅有50nV/℃的電壓失調(diào)，從而增強(qiáng)了可靠性。AD8231還有內(nèi)置的增益設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器(ADC)-LTC2492。該器件集成了一個(gè)具有1/30℃分辨率和2℃絕對(duì)準(zhǔn)確度的內(nèi)部溫度傳感器和一個(gè)新穎的前端設(shè)計(jì)。又如，TI近期推出了內(nèi)含高精度參考電壓源的全新高精度數(shù)模轉(zhuǎn)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(nèi)部參考電壓源。TI稱，高精度DAC與出色的參考電壓源的結(jié)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(luò)、工業(yè)過(guò)程控制、機(jī)器與運(yùn)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的閉環(huán)控制應(yīng)用。該器件還集成了一種上電復(fù)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(yàn)證碼寫(xiě)入該器件。
此外，與數(shù)字IC相比，模擬IC的參數(shù)相對(duì)比較固定，其功能也相對(duì)固定不變。但如今，半導(dǎo)體廠商也在越來(lái)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(shè)定的增益系數(shù)，包括1、2、4、8、16、32、64和128，可以通過(guò)一個(gè)易用的三引腳接口進(jìn)行設(shè)定。AD8231一旦儀表放大器設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中后，可以采用數(shù)字邏輯設(shè)定增益，數(shù)字邏輯允許用戶反復(fù)調(diào)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(gè)DAC每個(gè)都可通過(guò)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(guò)程控制應(yīng)用、儀表以及自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。
而在改進(jìn)模擬IC性能指標(biāo)、提高產(chǎn)品集成度和增加軟件可編程能力的同時(shí)，為了適當(dāng)便攜等應(yīng)用對(duì)IC占位面積越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，業(yè)內(nèi)廠商也不斷采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，推出占位面積更小的芯片，從而為設(shè)計(jì)人員增添更加的設(shè)計(jì)靈活性，方便他們開(kāi)發(fā)出在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(zhǔn)確得多。凌力爾特的產(chǎn)品行銷工程師Steve Logan強(qiáng)調(diào)：“這種小型封裝還允許設(shè)計(jì)人員將這類ADC應(yīng)用在以前無(wú)法使用的地方，而多個(gè)IC緊密排列的服務(wù)器電路板就是這樣一個(gè)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(cè)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(nèi)人士指出，封裝技術(shù)的下一步是晶圓級(jí)封裝(WLP)，這種技術(shù)利用置于裸片頂部的焊接點(diǎn)，將裸片與PCB連接在一起。該技術(shù)消除了焊線，并且縮短了敏感參考節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度，而且封裝尺寸與裸片幾乎同樣大小，實(shí)現(xiàn)了真正的芯片級(jí)封裝(CSP)，預(yù)計(jì)可為設(shè)計(jì)人員提供更高的靈活性。
產(chǎn)業(yè)集中度低，廠商競(jìng)爭(zhēng)策略各異
根據(jù)市場(chǎng)研究公司iSuppli的預(yù)計(jì)，得益于手機(jī)、PC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需求的增長(zhǎng)，2007年全球模擬IC營(yíng)收預(yù)計(jì)達(dá)到475億美元，相比2006年增長(zhǎng)10.1%。不過(guò)，在這么大的一塊市場(chǎng)蛋糕中，爭(zhēng)食的半導(dǎo)體廠商為數(shù)非常之多。盡管沒(méi)有全球共有多少家模擬IC供應(yīng)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(yīng)商就有100多家。這在數(shù)字IC領(lǐng)域，是不可想象的。例如，在常見(jiàn)的CPU、DSP和FPGA領(lǐng)域，最大的一家或前兩大供應(yīng)商往往就會(huì)占據(jù)大部分的份額。
用具體的數(shù)據(jù)來(lái)描述模擬市場(chǎng)的相對(duì)分散性也許更為貼切。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Gartner Dataquest對(duì)2005年全球標(biāo)準(zhǔn)模擬IC市場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)，從標(biāo)準(zhǔn)模擬IC排行榜中，TI高居榜首，但其份額也不過(guò)是15%，遠(yuǎn)不及它在DSP領(lǐng)域的壓倒式領(lǐng)先地位；緊隨其后的分別是ADI(13%)、國(guó)半(11%)、美信(9%)和凌力爾特(7%)，排名第六至十的供應(yīng)商包括安森美、Intersil、意法半導(dǎo)體、飛兆半導(dǎo)體和國(guó)際整流器，它們的份額都不超過(guò)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(lái)，模擬IC領(lǐng)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(dǎo)地位，但也會(huì)后來(lái)者及新進(jìn)者留下了不少機(jī)會(huì)。憑借貼近全球主流消費(fèi)電子系統(tǒng)廠商的優(yōu)勢(shì)，日韓廠商以及大中華地區(qū)的廠商也在不斷向這一領(lǐng)域發(fā)起沖擊。相應(yīng)的，各個(gè)地區(qū)廠商的競(jìng)爭(zhēng)策略也體現(xiàn)出差異。
例如，歐美廠商的技術(shù)積累歷史較長(zhǎng)，擁有先進(jìn)的工藝技術(shù)和制造工廠，其產(chǎn)品線非常廣泛。因此，在價(jià)格未必能占優(yōu)勢(shì)的條件下，歐美廠商常常引領(lǐng)著模擬IC的性能競(jìng)賽，積極開(kāi)發(fā)和采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，并常常強(qiáng)調(diào)它們能夠針對(duì)客戶的某種應(yīng)用提供客戶所需的完整產(chǎn)品線，為客戶設(shè)計(jì)提供更大的方便和保障。如TI的Jackie Wu強(qiáng)調(diào)，中國(guó)某醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)導(dǎo)廠商的一款醫(yī)療設(shè)備整個(gè)信號(hào)鏈都采用的是TI提供的產(chǎn)品。此外，TI等領(lǐng)導(dǎo)廠商也常常針對(duì)手機(jī)、工業(yè)和醫(yī)療等應(yīng)用推出完整的產(chǎn)品線。
而依托臺(tái)灣地區(qū)PC系統(tǒng)廠商的強(qiáng)勁實(shí)力、晶圓代工廠在全球占據(jù)統(tǒng)治地位，以及貼近中國(guó)大陸市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，臺(tái)灣地區(qū)的模擬IC廠商近年來(lái)也紛紛興起。由于在所有標(biāo)準(zhǔn)模擬IC之中，電源管理IC的需求最為旺盛，以及從選擇重點(diǎn)突破等業(yè)務(wù)策略考慮，據(jù)統(tǒng)計(jì)，臺(tái)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(qiáng)的實(shí)力。其中不乏有實(shí)力漸強(qiáng)者逐漸威脅到歐美傳統(tǒng)廠商的地位，導(dǎo)致引發(fā)歐美廠商挑起的專利侵權(quán)訴訟之憂，甚至是被歐美廠商收歸其下，如崇貿(mào)科技被飛兆半導(dǎo)體收購(gòu)就是其中一例。
除了臺(tái)灣地區(qū)廠商，在貼近本地市場(chǎng)及能夠?yàn)楸镜乜蛻籼峁└皶r(shí)服務(wù)的優(yōu)勢(shì)依托下，中國(guó)大陸以海外留學(xué)歸國(guó)人員為主導(dǎo)的模擬IC設(shè)計(jì)公司也紛紛涌現(xiàn)。他們一般也重點(diǎn)選擇電源管理IC作為突破口，但也不乏進(jìn)軍放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等標(biāo)準(zhǔn)模擬IC，以及射頻IC等領(lǐng)域的例子。
不管是在歐美半導(dǎo)體廠商之前，還是在所有模擬半導(dǎo)體廠商之前，推出與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手引腳兼容的產(chǎn)品的現(xiàn)象頗為普遍。市場(chǎng)上常?？梢钥吹侥嘲雽?dǎo)體廠商就某款或某些模擬芯片列出與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手同類產(chǎn)品的性能參數(shù)對(duì)比，強(qiáng)調(diào)達(dá)到或超過(guò)對(duì)手產(chǎn)品的水準(zhǔn)，以此吸引客戶選用。不過(guò)，一位半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士指出，日本和臺(tái)灣等地區(qū)廠商的這類對(duì)比中，常常會(huì)有一些微妙之處，因?yàn)檫@類廠商對(duì)進(jìn)行性能參數(shù)對(duì)比時(shí)，常常也指出了可能會(huì)讓人忽視的一點(diǎn)，就是其性能參數(shù)是在25℃溫度環(huán)境下所測(cè)出的，而所選擇的歐美競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品參數(shù)也是以25℃為準(zhǔn)，而沒(méi)有進(jìn)行全溫度范圍內(nèi)的性能參數(shù)對(duì)比，否則真正的差距就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，甚至許多日本和臺(tái)灣等地區(qū)廠商的一些產(chǎn)品根本就只是針對(duì)25℃溫度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其在其它溫度條件下的性能表現(xiàn)得不到保證，其價(jià)格的相對(duì)占優(yōu)，也往往是以減少相關(guān)測(cè)試投入為代價(jià)的，而對(duì)提高最終客戶的產(chǎn)品品質(zhì)并無(wú)助益。