將數字和模擬功能集成到嵌入式處理器中

混合信號器件向系統級芯片方向發(fā)展，需求急速膨脹。Broadcom公司混合信號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。將模擬和數字器件分隔開(kāi)來(lái)的觀(guān)念不再有市場(chǎng)。”以往需要較多分立器件的場(chǎng)合現在只需幾個(gè)芯片即可。例如，藍牙和以太網(wǎng)系統可以用一塊芯片完成。

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

市場(chǎng)調研公司Semico的一位分析家說(shuō)，估計1999年全球線(xiàn)性和邏輯IC產(chǎn)品的銷(xiāo)售總額約為200億美元，但混合信號器件具體占到多少份額卻并不清楚。Dataquest公司用管腳識別混合信號器件。該公司的分析師Ada Cheng說(shuō)：“如果進(jìn)出的信號包括模擬量和數字量，那么它就是混合信號。”Dataquest估計全球混合信號IC產(chǎn)品，包括應用在電信、大規模存儲、消費電子和汽車(chē)電子領(lǐng)域的器件，去年的銷(xiāo)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(xiāo)售為71億美元、消費類(lèi)占51億美元、大規模存儲器件占23億美元、汽車(chē)電子占21億美元。

盡管Dataquest并沒(méi)有對2000年混合信號器件市場(chǎng)作出預測，Cheng說(shuō)：“市場(chǎng)上半年的行情是好的，下半年會(huì )繼續保持或變得更好。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固的訂貨。除非出現大的經(jīng)濟變故，今年將是一個(gè)好年景。”

采用新工藝

國家半導體(NS)公司模擬器件部負責人Mark Levi說(shuō)：“客戶(hù)希望電路易于應用，同時(shí)具有盡可能多的功能，因為他們希望盡可能快地使產(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字世界連接起來(lái)。”

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

對混合信號設計來(lái)說(shuō)，噪聲和工藝兼容性是兩大主要障礙。除非對信號進(jìn)行隔離否則來(lái)自高速數字電路的噪聲將妨礙模擬電路的功能。數字電路的設計者爭取利用最小的幾何尺寸來(lái)優(yōu)化速度和功率消耗。

半導體制造商對有利于混合信號發(fā)展的制造技術(shù)持不同看法。IBM微電子高級工程經(jīng)理Dave Ahlgren說(shuō)：“對混合信號技術(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，且它與數字電路COMS兼容。BiCMOS是目前多數半導體供應商制造混合信號器件的方法。”

無(wú)需顯著(zhù)增加成本，就可以從單純的硅工藝轉向SiGe 雙極性異結質(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(xiàn)上加工。”他說(shuō)：“雙極硅半導體工藝可以獲得15~20GHz 的開(kāi)關(guān)速度，而SiGe 半導體可以達到50GHz的開(kāi)關(guān)速度。”IBM 稱(chēng)他們正在致力開(kāi)發(fā)開(kāi)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(kāi)發(fā)混合信號無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。網(wǎng)絡(luò )元件營(yíng)銷(xiāo)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，但對我們的應用來(lái)說(shuō)，它太貴了，且功耗太大。”Cygnal集成產(chǎn)品公司是一家美國初創(chuàng )企業(yè)，他們采用0.35微米CMOS工藝優(yōu)化混合信號設計，并且通過(guò)利用一系列標準和獨特的技術(shù)實(shí)現了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工作。”市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Don Alfano說(shuō)：“數字電路設計不僅涉及的參數較少，而且可以利用已有的開(kāi)發(fā)工具。但模擬電路設計需要特別的技藝，任何一個(gè)參數超出容許范圍都將影響最終產(chǎn)品的性能。”

由于模擬IC設計的復雜性，許多廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)始使用SiGe、GaAs或其他技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。“目前，基于CMOS的混合信號技術(shù)使模擬設計走出困境，并向低成本、低功耗和小體積方向發(fā)展。”Rocket Chips公司銷(xiāo)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微米工藝設計產(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。多數廠(chǎng)商采用雙極或BiCMOS工藝，但采用簡(jiǎn)單的CMOS工藝設計模擬電路的廠(chǎng)商還不多見(jiàn)。”

“雙極、GaAs、SiGe和BiCMOS不能被有效地集成進(jìn)CMOS工藝。”通訊系統芯片制造商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)行設計。今天，設計人員采用0.18/0.15微米、甚至0.12微米技術(shù)設計。奔騰處理器用0.18微米技術(shù)設計，集成了1,200萬(wàn)門(mén)。但你永遠不能無(wú)止境地把所有電路都放在一塊芯片中。如果需要更高的數據率，你不得不求助于GaAs、 BiCMOS、雙極，甚至磷酸銦。”

NS已經(jīng)開(kāi)始為混合信號器件開(kāi)發(fā)新的工藝技術(shù)。他們加強了在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(chēng)作PVIP50的產(chǎn)品。自從藍牙短距離無(wú)線(xiàn)連接標準公開(kāi)以來(lái)，科勝訊的O'Neill說(shuō)：“我們便致力為這種技術(shù)開(kāi)發(fā)低功耗的器件，因為藍牙產(chǎn)品趨向采用電池供電。設計藍牙產(chǎn)品可選擇不同的體系結構、電路設計和硅工藝。”科勝訊優(yōu)先選擇了SiGe BiCMOS而非CMOS或BiCMOS。

產(chǎn)品發(fā)展趨勢

混合信號市場(chǎng)如此巨大，為眾多供應商提供了一展身手的舞臺。TelCom半導體公司致力于開(kāi)發(fā)溫度管理產(chǎn)品，以及數字萬(wàn)用表、面板儀表和消費電子的邏輯前端產(chǎn)品。公司高級產(chǎn)品和行銷(xiāo)主管Don Ashley說(shuō)：“將數字和模擬功能集成到嵌入式處理器中是混合信號市場(chǎng)的發(fā)展趨勢。”模擬IC供應商，如Burr-Brown (現在是TI的一部分)也希望在混合信號領(lǐng)域占得一席之地。Burr-Brown數字分部營(yíng)銷(xiāo)策略工程師Robert Schreiber說(shuō)，公司的客戶(hù)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)另一趨勢是更高精度的獨立器件。Linear Technology(LTC)公司的混合信號產(chǎn)品包括 RS232和RS485接口器件、熱交換控制器和微處理監控器。公司混合信號器件營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Todd Nelson說(shuō)：“客戶(hù)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(xiàn)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)有力的競爭者?；旌闲盘柤呻娐分鞴蹹avin Yuknis說(shuō)：“我們有生產(chǎn)和銷(xiāo)售能力。”Davin Yuknis說(shuō)，“我們的器件被應用在PC、漆上電腦、機頂盒、蜂窩電話(huà)和數字相機中。”

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

ASIC是混合信號市場(chǎng)的重要組成部分。東芝電子美國公司系統IC業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)主管Peter Richmond說(shuō)：“現在的亞微米ASIC技術(shù)能夠集成百萬(wàn)個(gè)晶體管，并允許系統具有高水平的系統級集成(SLI)能力，即在一塊芯片上集成模擬、應用邏輯、存儲器、微處理器和I/O接口等。”Richmond 說(shuō)，SLI ASIC設計的成功意味著(zhù)在保持低成本的前提下就能按時(shí)完成開(kāi)發(fā)和初步生產(chǎn)。但挑戰來(lái)自于：如何使ASIC技術(shù)、設計流程、工藝方法、EDA工具、庫和封裝技術(shù)進(jìn)行完美的結合，使之和諧地工作。Kendin通訊公司也采用模擬和數字模塊設計混合信號ASIC產(chǎn)品。營(yíng)銷(xiāo)副總裁Bill Windsor說(shuō)：“公司內部進(jìn)行了優(yōu)化，主要面向網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用信號處理。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(fǎng)問(wèn)控制器)、PHY和SRAM等集成起來(lái)。”

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