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芯片的四大分類

日期:2021/1/14 10:22:18
摘要:集成電路(芯片)應用十分廣泛,種類很多,型號十分繁雜。只要出現新的應用需求,就會產生新的芯片。要描繪芯片大家族全貌,首先要對它進行分類。芯片的分類方法可以有許多種,例如按晶體管工作狀態、制造工藝、適用性、集成規模、功率大小、封裝形式、應用環境、功能用途等進行不同的分類。關注點不同,分類方法也就不同。

集成電路(芯片)應用十分廣泛,種類很多,型號十分繁雜。只要出現新的應用需求,就會產生新的芯片。要描繪芯片大家族全貌,首先要對它進行分類。芯片的分類方法可以有許多種,例如按晶體管工作狀態、制造工藝、適用性、集成規模、功率大小、封裝形式、應用環境、功能用途等進行不同的分類。關注點不同,分類方法也就不同。
本文重點關注芯片中晶體管工作狀態和電信號種類,把芯片家族粗略劃分為數字電路芯片、模擬電路芯片和數?;旌想娐沸酒?、特種電路芯片四大類。

一、數字電路芯片
數字電路芯片主要用于計算機和邏輯控制領域,它的工作原理是通過晶體管控制電流的“開”和“關”,來表達數據或信息的“1”和“0”,或者表達邏輯判斷的“是”與“非”,所以數字電路也稱為開關電路或者邏輯電路。數字電路主要是由工作在開關狀態的晶體管組成的。因此,數字電路的規模大小由其中的晶體管多少來分類。數字電路芯片主要包括以下7類。

1.邏輯電路(包括與門、或門、非門、鎖存器、移位器、計數器、編碼器、譯碼器、選擇器、比較器、運算器等):邏輯電路芯片國際通用系列有74系列、40系列、54系列、廠家兼容系列、非系列專用電路等。以74系列為例,它的功能型號超過97種,每種型號再加上輸入輸出數、電源、功耗、速度等不同,又可衍生出4倍以上的品種,總共多達400多個品種。這么多系列加起來,僅僅邏輯電路芯片就已經非常繁雜了。
但是,邏輯電路品種再多,基本上是由與門、或門和非門電路組合而成的,因此,上述系列的電路也稱為組合邏輯電路。與門電路用于“幾個輸入條件同時存在才有結果,否則就無結果”的判斷;或門電路用于“幾個輸入條件只要有一個存在就有結果,都不存在就無結果”的判斷;非門電路用于“輸入條件存在就無結果,輸入條件不存在就有結果”的判斷。這些判斷和處理組合起來,就可以處理非常復雜的控制和運算問題。

理論上,數量龐大的邏輯電路芯片可以實現目前所有復雜芯片的功能,例如中央處理器(CPU)、微控制器(mcu)、片上系統(SoC)等,更甚者可以實現一個復雜系統的功能,例如電腦、交換機等。只是印刷電路板(PCB)上將要安裝成千上萬,甚至更多的芯片。早期的電子產品都是這么干的,但今天不需要這么干了。因為今天芯片的集成度很高,許多自成系統的邏輯電路可以集成在芯片內部,一個芯片可以實現很復雜的功能,例如CPU,也可以實現一個完整的系統,例如SoC。所以,今天沒有人愿意用大量小芯片實現大系統,因為那樣做出來的系統體積很大、可靠性很差、成本也很高。

今天的邏輯電路芯片用量已經不大了。就像蓋房子可以全部用磚瓦,也可以用一些大型構件,輔助以少量磚瓦,磚瓦用量自然就少了。今天的邏輯電路芯片僅用在小電子產品中,或者用在大系統的通用大芯片之間的連接電路中。

2.通用處理器(CPU、GPU、DSP、APU等):通用處理器是由海量邏輯電路組成的,它包含了控制、存儲、運算、輸入輸出等部分,形成了一個完整的數據和信息處理系統。它是規模最大、結構最復雜的一類數字電路芯片。(按照通用處理器芯片上可以集成100多億只晶體管計算,通用處理器大致包含了30多億個與門、或門、非門電路)。因此,通用處理器被歸類為巨大規模集成電路。
通用處理器芯片的特點是按照摩爾定律不斷迭代,不斷推陳出新,形成了若干個產品系列。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系列等數十個系列。每個系列已生產了20~30多個芯片型號,每個型號的市場平均壽命在2年左右。

通用處理器被稱為電子產品和信息系統的大腦和中樞。中央處理器(CPU)用于管理、調度和控制電子產品和信息系統各組成部分協調高效工作;圖像處理器(GPU)接受CPU管理,但可以獨立管理、調度和控制有關圖像顯示、圖形處理的事務;數字信號處理器(DSP)也接受CPU管理,但可以獨立完成大量、成批和規整的數據和信息的快速運算和處理;隨著人工智能技術快速發展,傳統的CPU結構不能適應人工智能系統對信息存儲、運算和推理的要求,新型處理器結構創新產品應運而生,百花齊放。這就是人工智能處理器(APU),代表產品如 IBM公司的 TrueNorth、高通公司的Zeroth、谷歌公司的TPU、微軟公司的Brainwave、寒武紀公司的Cambricon-1A、燧原科技的邃思DTU等。

3.存儲器(SRAM、DRAM、PROM、Flash等):存儲器是用于存儲數據和信息的芯片。其中,可細分為靜態存儲器(SRAM)、動態存儲器(DRAM、LPDDRX)、可編程只讀存儲器(PROM)、閃速存儲器(Flash)和嵌入式存儲器(Embedded Memory)等。
SRAM用于電子產品中存儲數據,在通電過程保持數據不變,斷電后數據丟失;DRAM在通電過程中通過定時刷新保持數據不變,斷電后數據丟失;Flash在通電過程中保持數據不變,斷電也不丟失;PROM一旦用特殊手段寫入數據后,不論通電與否都不會丟失。前兩種稱為易失性存儲器,后兩種稱為非易失性存儲器。以上這幾種存儲器可以封裝成獨立的存儲器芯片,也可以設計在CPU、MCU、SoC之中,也被稱為嵌入式存儲器。

根據用途不同,要選擇使用不同的存儲器,例如,臺式電腦斷電后數據一般保存在硬盤上,所以大量采用DRAM(DDR、LPDDRX等),而手機為了永久保持數據(如通信錄、照片、音視頻等),就要大量使用Flash芯片。

4.單片系統(SoC):單片系統就是把一個電子系統全部集成到一顆芯片中。只要給SoC芯片加上電源和少量外部電路,就可以實現一個完整的電子產品或系統的功能。例如音視頻播放器(MP4)、汽車導航儀、手機等都可以用一個SoC芯片加少量外部元器件來實現。SoC芯片內部一般由CPU核、嵌入式存儲器、I/O接口(按鍵、觸控、USB、WiFi……)等部分組成。SoC芯片是面向具體應用領域而設計的專用系統級芯片,例如用在醫療設備、汽車電子、抄表系統、智能手機、智慧電視等領域,都有適合該領域應用的SoC芯片。SoC芯片不像CPU芯片那樣可以跨領域通用,只能在本應用領域內使用。

5.微控制器(MCU):微控制器通常也稱為單板機或單片機,它是簡化版的通用處理器(CPU)。簡化體現在幾個方面,包括處理字寬、處理器和指令架構、內存大小、時鐘速度等。MCU一般用在較簡單的、小型的電子產品或系統中,實現簡單的控制和數據處理任務,但在大型系統中,也可以用許多MCU完成復雜的控制任務。MCU芯片的應用面十分廣泛,從小到陽臺定時澆花器、電飯鍋、電冰箱等的控制,中到儀器、儀表、工業自動化生產線等的控制,再到大型應用例如高鐵、飛機等的系統控制等。
以MCU或SOC芯片為核心搭建的電子系統也稱為嵌入式系統,MCU和SOC也被稱為嵌入式微處理器。
MCU的種類特別多,主要產品多達70 多個系列,500多個品種。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。僅MCS-51系列,按一個機器周期有幾個時鐘周期T劃分為幾個規格,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。同時又有不同的廠家和品牌,芯片型號非常多。

6.定制電路(ASIC) :如果用戶不想使用通用芯片,而是按自己的應用要求定制一款芯片,這種芯片就稱為全定制芯片。二代身份證芯片就是典型的ASIC例子。有些整機廠商為自己的產品定制ASIC,避免采用通用芯片,一是為了保護產品的技術細節和訣竅,二是ASIC會更加適合自己產品的需要,三是只要產品能上量,就可以攤薄ASIC高昂的定制費用。

7.可編程邏輯器件(PLD) (包括PLD、PAL、GAL、FPGA等):前面第1~6類芯片被稱固定邏輯電路芯片,它們從代工廠生產出來后,功能就被固定下來,不能再進行任何大的改變。如果需要完善和升級,就要先修改設計,再交由代工廠重新生產。修改和重新生產的成本是很高的,只有需求量很大的芯片才按照固定邏輯電路的模式進行開發。需求數量少、有更新和升級可能的芯片,需要按照可編程邏輯器件的模式進行開發。
可編程邏輯器件(PLD)由工廠生產出來后,其功能還沒有確定,需要設計人員按需求進行編程后,芯片才能表現出想要的功能。而且某些種類的PLD芯片還可以進行多次編程,十分適合要對芯片的功能進行完善和升級的應用場合,例如通信設備、移動通信基站等。
可編程邏輯器件在編程之前屬于通用芯片,廠家可以批量生產,滿足不同領域的應用需求。而在編程之后就變成了專用芯片,只滿足某個具體領域的特殊應用。因此,PLD芯片也稱為半定制芯片。

目前應用最廣的是現場可編程門陣列(FPGA),它特別適合用在用量不大,或者用量較大,但需要不斷完善和升級的應用場合。它在通信、安防監控、自動控制、人工智能、軍工與航天等領域,以及芯片設計的原型驗證、算法與嵌入式系統開發等方面都有著廣泛應用。
有人喜歡把ASIC和PLD進行對比,因為ASIC和編程后的PLD都是專用定制芯片。但它們有以下區別,一是前者是交由設計者和制造廠去定制,后者是自己編程定制;二是前者生產處理后,芯片功能不能改動,后者經編程后,芯片功能還可以完善和升級。三是前者生產定制代價很高,需要產品上量才行,后者定制成本很低,適合在小批量產品上使用。

二、模擬電路芯片
模擬電路是指用來對模擬信號進行檢測、傳輸、變換、處理、放大等工作的電路。模擬電路中的元件除了晶體管外,還包括二極管、電阻、電容和電感等。其中,晶體管大多數不是像數字電路一樣工作在開關狀態,而是工作在線性狀態。模擬電路芯片功能很多,種類也很多,很難成系列。與數字電路相比,模擬電路芯片的設計難度更大,需要更長時間的技術積累,對設計人員的要求更高。因此,模擬電路芯片和系統的設計人員的薪酬更高。
說明:這部分芯片舉例圖中給出了芯片的內部結構圖,看似復雜,其實比數字芯片(例如CPU、GPU等)規模小很多,數字芯片中的晶體管數量多達數百~上百億只,無法畫出晶體管級的結構,只能畫出大的功能模塊。不要誤認為模擬芯片比數字芯片結構復雜。

1.分立器件和模組(二極管、三極管、MOSFET、IGBT等):這些器件和模組也是采用集成電路平面工藝制作而成,雖然封裝成器件和模組的形式,外觀不像一般的芯片,但它們也屬于集成電路的范疇。分立器件內部的元件數量極少,但在設計和制造時,對其中元件參數的把控極其講究。不像數字電路以功能為王,所有模擬電路都是以參數和性能為王。

2.電源電路:電源電路用于把200V50Hz交流電轉換成不同輸出電壓和電流的直流電,作為各種電子產品和系統的電源。電源電路芯片種類很多,僅以常用的開關電源芯片為例,芯片型號竟多達300多種(其中DC/DC芯片160多種;AC/DC芯片60多種;電源控制器芯片30多種;充電控制器芯片50多種)。估計現有的電源芯片型號不下500種。

3.信號檢測電路:用于檢測微弱的電信號,經過濾波、放大等多種前端處理后,變成便于處理的大信號、或者數字信號。

4.濾波器:濾波電路用于信號的提取、變換或抗干擾。它是一種選頻電路,可以使信號中特定的頻率成分通過,同時極大地衰減其他頻率成分。因此就有低通、帶通和高通濾波器之分,也有無源和有源濾波器之分,濾波器芯片一般是有源濾波器。

5.轉換電路:轉換電路用于把電流信號轉換成電壓信號或將電壓信號轉換為電流信號;或者將直流信號轉換為交流信號或將交流信號轉換為直流信號;或者將直流電壓轉換成與之成正比的頻率等。開關電源、穩壓電路、電平轉換、模擬-數字轉換電路(ADC/DAC)等也是轉換電路。ADC/DAC屬于數?;旌想娐?,故放在第三部分介紹。

6.信號發生器:信號發生電路用于產生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波等。它主要包括各種函數信號發生器,特殊頻率、波形和脈沖信號發生器等。根據應用需要,信號發生器產生的信號種類也在不斷增加中。

7.放大器:放大電路用于對信號的電壓、電流或功率進行放大。主要包括前置放大器、運算放大器和功率放大器(PA)等十多種放大器。而且根據信號頻率高低,還可分為低頻、中頻、高頻、射頻等種類。而且,因應用場合不同,有不同的性能要求,會有不同種類的放大器名稱。

三、數?;旌想娐?br>1.模-數轉換器(ADC、DAC):模擬-數字轉換器(ADC)和數字-模擬轉換器(DAC)芯片是現實世界與數字世界的電路接口,沒有這些芯片就沒有今天的數字化世界。這類芯片從通道數量、轉換位寬、轉換速率、精度等方面,可以有許多細分品種,芯片型號非常多。

2.光電轉換電路:光電轉換芯片是實現光通信和光電系統不可或缺的芯片種類。包括光電耦合器件、光電探測器二極管、光敏三極管、光敏電阻器等。

3.基帶電路:手機基帶芯片主要由微處理器、信道編碼器、數字信號處理器、調制解調器和接口模塊組成。它用來合成即將發射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼。目前,基帶芯片只有高通、英特爾、三星、華為、聯發科、展訊、中興等少數公司可以設計生產。

4.調制解調器:調制解調芯片是實現調制、解調、或者二者兼而有之功能的芯片。調制是把變化著的基帶信號轉成對應變化著的載波的幅度(調幅)、或頻率(調頻)、或相位(調相)等模擬量。解調是把變化著的載波的幅度(調幅)、或頻率(調頻)、或相位(調相)等模擬量轉成對應變化著的基帶信號。調制解調芯片在無線電收發報機、無線廣播電視、無線通信、寬帶網絡和光纖網絡等方面廣泛應用。

5.接口電路:接口電路是芯片內部件之間、芯片之間、芯片與外界之間、系統與系統之間的連接和轉換的電路,它承擔著系統的搭建任務,起著承上啟下的重要作用。接口電路的細分種類非常多,非常繁雜。

6.傳感器:傳感器用來測量和感知現實世界中的各種物理量,例如磁力、運動、壓力、溫度、濕度、圖像、聲音等。傳感器的細分種類非常多,一般是以器件而不是芯片的形式存在,即使有芯片也是封裝在器件之內。

7.驅動器:驅動器芯片和器件的細分種類很多,從小到數碼管、LCD和LED顯驅動,中到電機驅動、半導體照明驅動,大到電力開關驅動、電動汽車和機車動力驅動,細分種類很雜,數量很多。

四、特種電路芯片
1.抗輻射軍工宇航級電路:宇航級芯片不但要在工作溫度上超過軍品級芯片(-55℃~125℃),而且要有抗輻射等方面的要求。軍工宇航級芯片一般采用陶瓷封裝和帶保護屏蔽殼的封裝方式。這些芯片在功能、性能、溫度、抗輻射、可靠性等方面都要有絕佳表現,由于壟斷程度很高,需求數量又較少,據說有些芯片售價高達50萬~500萬元/片。

2.射頻功率電路:人們不斷追求無線通信速度和質量,對無線傳輸的射頻功率電路芯片和器件提出了嚴苛的要求。而且這些芯片和器件屬于模擬電路,可以說它們是芯片皇冠上的明珠,只有靠長期研發投入和技術積累才能摘取,沒有其它捷徑可走。
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