要點(diǎn)

1.關(guān)鍵的決策包括：IC放在電路板上的位置， 銅線的走位與厚度，元件布放的位置，以及鄰近電路可能對(duì)性能的影響。

2.模擬軟件工具將減少模擬電路架構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)間。

3.模擬芯片設(shè)計(jì)者可以采用不同方案提高能效，可以選擇最佳CMOS技術(shù)，也可以采用智能的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

4.在實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的差異化和自適應(yīng)功能方面，模擬控制器要比數(shù)字控制器有更多的困難。

我們進(jìn)入21世紀(jì)已經(jīng)有十多年時(shí)間，電子領(lǐng)域正進(jìn)行著前所未有的快速技術(shù)創(chuàng)新。晶體管與IC(或微芯片)的發(fā)展是導(dǎo)火索，造就了如今電子領(lǐng)域的創(chuàng)新大爆炸。自從上世紀(jì)70年代初期微芯片得到廣泛應(yīng)用以來(lái)，出現(xiàn)了比以往任何時(shí)候都多的科技突破，創(chuàng)新成果的出現(xiàn)頻率更高了。這一浪潮主要?dú)w結(jié)于尺寸日益縮小而密度逐漸增加的硅晶圓所帶來(lái)的性能與計(jì)算能力。

讓我們看看模擬世界的水晶球，看是什么拯救了模擬設(shè)計(jì)師們，幫他們控制各種變量，電路約束條件的極度敏感情況，以及結(jié)果的質(zhì)量，使得模擬設(shè)計(jì)更像一種藝術(shù)形式而不是一門科學(xué)(參考文獻(xiàn)1)。

模擬挑戰(zhàn)

從系統(tǒng)級(jí)開始，你會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的大部分組成是硅元件(參考文獻(xiàn)2)。這一趨勢(shì)的一個(gè)好例子是英特爾公司的Huron River移動(dòng)平臺(tái)，它包括了Sandy Bridge微處理器和CougarPoint PCH(平臺(tái)中心控制器)。今天平臺(tái)的信號(hào)速度在單端DDR3上可達(dá)1600Mbps，而對(duì)差分PCIe Generation2則能達(dá)5Gbps。系統(tǒng)中典型PCB材料有性能限制，需要先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)復(fù)雜性來(lái)克服這些局限。模擬設(shè)計(jì)者通常會(huì)將接口芯片用于一根跨越主板PCB上的信號(hào)走線，如德州儀器(TI)公司的DS25BR204 LVDS(低壓差分信令)轉(zhuǎn)發(fā)器，發(fā)射器端內(nèi)置了預(yù)加重，而接收器端則有均衡功能。另外對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)者形成挑戰(zhàn)的是對(duì)節(jié)約能耗和硅芯片面積的需求。

另外一個(gè)影響模擬電路的因素是混合信號(hào)域，它主要是在時(shí)序收斂域中觀測(cè)。隨著信號(hào)速度的增加，時(shí)鐘與時(shí)鐘序的預(yù)算也在不斷縮小。這種狀況也增加了電路缺陷的風(fēng)險(xiǎn)(參考文獻(xiàn)2)。

雖然PCB布局性質(zhì)很關(guān)鍵，尤其是對(duì)高速電路，但它經(jīng)常是設(shè)計(jì)過程中的最后幾步之一。這就像房地產(chǎn)一樣，位置決定一切。關(guān)鍵性決策包括：在電路板何處布放一枚IC、銅走線的位置與厚度、何處布放元件，以及其它鄰近電路對(duì)性能的影響等。很多設(shè)計(jì)者都依賴于IC供應(yīng)商的評(píng)估板和數(shù)據(jù)表，以將一只芯片正確地整合到一塊覆銅的玻璃纖維PCB板上。另外還要查看IC供應(yīng)商的白皮書。

設(shè)計(jì)工具

德州儀器收購(gòu)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體有望提供更強(qiáng)大的模擬設(shè)計(jì)工具。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的Webench Designer可在數(shù)秒內(nèi)創(chuàng)建和展示所有可能滿足設(shè)計(jì)需求的功率、照明或傳感電路。這個(gè)特性使用戶能夠在系統(tǒng)級(jí)和供應(yīng)鏈級(jí)做基于價(jià)值的比較，然后再做成一個(gè)設(shè)計(jì)。德州儀器公司W(wǎng)ebench設(shè)計(jì)經(jīng)理Phil Gibson表示，目標(biāo)是讓工具更可視化、更容易使用，更直觀。Webench能引領(lǐng)模擬設(shè)計(jì)者，從概念到選擇元件，直到訂購(gòu)面包板用的元件。還有更多值得等待的工具，它們充分利用了這些公司專家聯(lián)合的“云”。德州儀器與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體將整合起各自廣博的產(chǎn)品組合，成為現(xiàn)在的新型工具(圖1)。

圖1，原美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司開發(fā)的Webench Designer工具包括強(qiáng)大的軟件算法以及虛擬界面，可為電源、照明和傳感應(yīng)用提供簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)。

采用定制模擬設(shè)計(jì)的精密傳感系統(tǒng)要花數(shù)周(甚至數(shù)月)時(shí)間做設(shè)計(jì)。對(duì)重要的開發(fā)系統(tǒng)，從IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))到原型，從測(cè)試到編寫系統(tǒng)算法，設(shè)計(jì)者不能簡(jiǎn)化開發(fā)與生產(chǎn)周期。德州儀器與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的傳感器模擬前端系統(tǒng)與IC提供了一種集成化的軟硬件開發(fā)平臺(tái)，使電路設(shè)計(jì)者能夠快速地在線創(chuàng)建出一個(gè)設(shè)計(jì)，按自己需求做配置，并快速地完成它的原型制造。

用德州儀器的INA-CMV-Calc(儀表放大器共模電壓計(jì)算器)做一個(gè)似乎很簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)共模范圍計(jì)算，就可以為設(shè)計(jì)者節(jié)省下寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間。用這個(gè)簡(jiǎn)單的電子表式計(jì)算器可以避免很多常見的儀器放大器設(shè)計(jì)問題。

Analog Devices公司也已改進(jìn)了自己支持設(shè)計(jì)工程師的網(wǎng)站，更強(qiáng)調(diào)了技術(shù)方面的內(nèi)容。這種支持包括Engineer Zone在線技術(shù)支持社區(qū)。該公司也提供RF工具，如ADIsimRF，這是一種易于使用的RF信號(hào)鏈計(jì)算器，可計(jì)算出級(jí)聯(lián)增益、噪聲背景、三階交調(diào)截取點(diǎn)、1dB增益壓縮以及總功耗。用戶可以在發(fā)射模式和接收模式之間切換計(jì)算器，從而分別完成針對(duì)輸出和針對(duì)輸入的計(jì)算。該公司的Circuits from the Lab列出了經(jīng)過驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以充分信賴它們的性能。

在放大器方面，Intersil公司提供iSim有源低通濾波器工具，這是由該公司高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理Michael Steffes開發(fā)的。Steffes最近更新了該產(chǎn)品，包含了一個(gè)非反相設(shè)計(jì)工具，以及用于反相的設(shè)計(jì)算法，兩者很快都可供使用。這些工具也許看似簡(jiǎn)單。但是，模型中與器件中的反相輸入電容會(huì)與電阻值相互作用，從而產(chǎn)生頻率響應(yīng)問題，而這個(gè)工具可以幫助解決這類問題。

Steffes稱，很多公司都可以提供在線工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)放應(yīng)用電路。盡管供應(yīng)商與第三方工具都對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的外部元件采用教科書上的方案，但新興工具可將參數(shù)搜索引擎的特性，包括針對(duì)器件的特性，與適當(dāng)?shù)钠骷嘟Y(jié)合，然后執(zhí)行設(shè)計(jì)算法。在做一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，早期的工具可以觀察基于電壓反饋放大器電路塊的增益帶寬結(jié)果，而較新的工具還可以考慮轉(zhuǎn)換速率、寄生輸入電容、噪聲與閃爍噪聲轉(zhuǎn)角、輸出負(fù)載問題，以及這些問題與放大頻率響應(yīng)之間的相互作用方式。

這些“專家系統(tǒng)”方案能同時(shí)考慮兩種基本效應(yīng)，如電源電壓范圍，以及二階效應(yīng)，從而快速而有效地縮小器件的選擇區(qū)間。新工具還增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的算法，以減小器件所需要的設(shè)計(jì)裕度。這一功能獲得了低功耗和低成本器件，方式是在設(shè)計(jì)的初期就考慮并補(bǔ)償器件的不確定性。例如，較早的工具可能會(huì)為一個(gè)二階Sallen-Key濾波器設(shè)計(jì)尋求一個(gè)100倍的帶寬裕度，而新工具可以將此裕度降至10倍區(qū)，從而大大減小了有源器件需要的設(shè)計(jì)裕度，獲得了更低成本和更低功耗的設(shè)計(jì)。

只要從幾個(gè)常用的電路構(gòu)建塊起步，這些工具就可以快速地提供推薦的器件；做出外接元件的設(shè)計(jì)；并在某些情況下，將這些設(shè)計(jì)移植到更常用的電路仿真器中，設(shè)計(jì)在這里可以繼續(xù)采用電路板級(jí)元件的較大型庫(kù)。于是，在線工具包含了精確且更完整的子電路模型。它們建立針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)和器件不確定性的模型，設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)算法時(shí)采用這些模型去預(yù)測(cè)并管理二階問題。

其后的設(shè)計(jì)者接口面向各種常用應(yīng)用電路所需要的結(jié)果，同時(shí)包括一些系統(tǒng)約束，如電源電壓。各工具將這些結(jié)果與參數(shù)化搜索和評(píng)價(jià)算法相結(jié)合，去除不適合的器件，然后對(duì)余下的器件打分。這種評(píng)價(jià)與各種常見結(jié)構(gòu)的預(yù)期設(shè)計(jì)算法緊密結(jié)合。在選擇了一只器件和目標(biāo)設(shè)計(jì)以后，工具執(zhí)行外部元件算法，此時(shí)會(huì)考慮寄生效應(yīng)，獲得一個(gè)推薦的電路塊。采用這些交互式工具設(shè)計(jì)完成一個(gè)電路塊后，某些工具可以將該塊移植到一個(gè)更通用的仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)在那里得到繼續(xù)，與這些塊相組合，并插入其它需要的元件。

這些模擬電路設(shè)計(jì)工具提高了工程師的能力，能夠?qū)⒁粋€(gè)設(shè)計(jì)概念順暢而快速地轉(zhuǎn)換為一個(gè)實(shí)際的電路硬件，從而產(chǎn)生出一個(gè)最終能工作的設(shè)計(jì)。

納米級(jí)別的CMOS

隨著CMOS工藝進(jìn)入納米級(jí)別(即小于100nm)范圍，要維持中等精度或高精度模擬電路的能量效率變得越來(lái)越難(參考文獻(xiàn)3)，精度可能隨技術(shù)尺寸的下降而降低。模擬芯片設(shè)計(jì)者可以采用不同方案來(lái)提高能量效率，如選擇最佳的CMOS技術(shù)，直到采用精巧的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。盡管這些方案確實(shí)可以提高效率，但要做到這些卻有越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。對(duì)于一個(gè)要把10磅功能塞入到裝5磅的包里的模擬電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，效率至關(guān)重要。在未來(lái)模擬CMOS電路中，采用正確的晶體管偏置以及精巧的電路級(jí)新技術(shù)，都可以保持乃至提高能源效率。(見附文：半導(dǎo)體工藝與設(shè)計(jì))

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

過去幾年來(lái)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能在穩(wěn)步提高。尺寸以及設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展利用了高密度和高速度的現(xiàn)代工藝技術(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中正在置入更多的智能。通過管理更多的系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可簡(jiǎn)化編程軟件，縮小體積，通過數(shù)字化增強(qiáng)來(lái)變得不太復(fù)雜和更有成本效益。自適應(yīng)電源管理與傳感器集成與增強(qiáng)，以及更多功能正在減輕模擬電路設(shè)計(jì)者的繁重勞動(dòng)，幫他們完成傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)工作，使傳感器、調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片之間盡量靠近。德州儀器公司的TMP006紅外熱電傳感器采用超小型芯片級(jí)封閉，集成了信號(hào)調(diào)節(jié)、一只ADC，以及到一個(gè)串行數(shù)據(jù)總線的數(shù)字信號(hào)輸出(圖2)。

圖2，德州儀器公司的TMP006紅外熱電傳感器集成了一個(gè)IR MEMS溫度傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)，以及到一個(gè)串行數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可用于與微控制器的無(wú)縫接口。

不久前，采用某種流水線架構(gòu)的ADC轉(zhuǎn)換器最適合用于處理寬帶信號(hào)，它有所需要的分辨率。隨著過采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的最新進(jìn)展，無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)的基帶模擬前端定義有了新的替代品。對(duì)于使用過采樣Σ-Δ架構(gòu)的ADC，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了這樣的時(shí)點(diǎn)，器件能夠高效地轉(zhuǎn)換10MHz或更高帶寬的信號(hào)。這是一個(gè)顯著的進(jìn)展，因?yàn)槟茉趯拵ㄐ沤涌诘慕邮諜C(jī)信道中使用這種ADC架構(gòu)，如LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))、WiMa x或802.11a / b/g。它們不適合用于802.11n，因?yàn)樗枰膸捠?0MHz(參考文獻(xiàn)4)。

模擬電路設(shè)計(jì)者現(xiàn)在有更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器選擇，尤其是能夠在視頻、醫(yī)療與電力線通信應(yīng)用中集成模擬前端。這些轉(zhuǎn)換器擁有較以往更低功耗、更小體積，以及更低成本的Σ-Δ和流水線架構(gòu)，能夠在超出過去極限的新市場(chǎng)和應(yīng)用得到實(shí)現(xiàn)。ADS1298就是這類器件的一個(gè)最佳范例，它主要面向醫(yī)療領(lǐng)域。

隨著去年在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與模擬前端方面的進(jìn)展，寬帶過采樣Σ-ΔADC將用于手機(jī)系統(tǒng)，能同時(shí)支持信號(hào)帶寬高達(dá)10MHz的窄帶和寬帶通信。它們還將能夠用于ADC與RF收發(fā)器整合的應(yīng)用，如全集成的RF/寬帶芯片。另一方面，流水線ADC轉(zhuǎn)換器將用于僅支持寬帶的應(yīng)用，如PC棒和微微蜂窩基站，以及802.11n這類基帶信號(hào)帶寬大于10MHz的應(yīng)用。它們亦可用于RF IC為外部器件的應(yīng)用。

無(wú)線通信市場(chǎng)將是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能、功率效率，以及計(jì)算集成化的一個(gè)主要推動(dòng)力量。新興的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及要趕上無(wú)線視頻傳輸爆炸性普及的需求，都使電路設(shè)計(jì)者手忙腳亂。同時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商(如Analog Devices等)將開發(fā)出更快采樣速率的產(chǎn)品，它們?cè)诟呒磿r(shí)頻率下有更多可用帶寬，使天線更靠近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，因此消除了昂貴而復(fù)雜的微波與RF元件。這種方案大大簡(jiǎn)化了模擬電路設(shè)計(jì)者開發(fā)新架構(gòu)的工作，使他們能夠跟上消費(fèi)者的需求。

放大器

各家供應(yīng)商正在開發(fā)能補(bǔ)償ADC越來(lái)越高速度和帶寬的放大器。例如，Intersil公司提供的ISL55210SiGe放大器具有針對(duì)高端數(shù)據(jù)采集的大動(dòng)態(tài)范圍。另外一種奇特的新放大器是用于量子計(jì)算(參考文獻(xiàn)3)。量子計(jì)算機(jī)有潛力解決過去難以處理的問題。但是，在量子計(jì)算實(shí)用化道路上有一個(gè)巨大的障礙，這就是如何獲取用于計(jì)算的微小量子信號(hào)。芬蘭Aalto大學(xué)的一個(gè)小組建立了一種新型微波放大器，這一進(jìn)展簡(jiǎn)化了觀測(cè)工作。它采用了一種機(jī)械式諧振器，基本上就是一個(gè)納米級(jí)的音叉。

MEMS

MEMS芯片已無(wú)處不在。它們告訴Wii控制器你正在揮舞自己的虛擬網(wǎng)球拍，告訴iPhone你正在搖晃手機(jī)。現(xiàn)在，它們正出現(xiàn)在預(yù)想不到的地方，包括雪鏡和滑雪板(參考文獻(xiàn)5)。意法半導(dǎo)體公司的MEMS集團(tuán)用自己的三軸L3G4200D數(shù)字陀螺儀進(jìn)入了這個(gè)市場(chǎng)。這種高集成度產(chǎn)品正在卸除模擬電路設(shè)計(jì)者的重負(fù)，幫他們通過串行總線連接各個(gè)傳感器。

ASIC與ASSP

很多公司都有電源管理和模擬電路領(lǐng)域的專家，包括Cactus半導(dǎo)體公司，他們找到了醫(yī)療與便攜系統(tǒng)市場(chǎng)中的產(chǎn)品價(jià)值。一個(gè)模擬電路設(shè)計(jì)者成真的夢(mèng)想就是，創(chuàng)新讓這種集成度成為可能(圖3)。

圖3，Cactus半導(dǎo)體公司的高集成度混合信號(hào)IC為電路設(shè)計(jì)者帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)概念。

Touchstone Semiconductor是2010年的一家新公司，它最初專注于銷售針對(duì)其它制造商產(chǎn)品的直接替換部件，如Maxim Integrated Products公司和凌力爾特技術(shù)公司。最終，該公司將把已在開發(fā)中的專利產(chǎn)品推向市場(chǎng)。Touchstone公司首席執(zhí)行官BrettFox表示，新開發(fā)產(chǎn)品中包括低功耗和低偏移的電流檢測(cè)放大器。Fox稱，這些產(chǎn)品面向現(xiàn)有的高端市場(chǎng)，使公司能夠從客戶那里獲得收益與信賴。Touchstone用TSMC(臺(tái)積電)作為代工廠，從而擁有了更多的靈活性和突出的性能，這通常是其它擁有最先進(jìn)工藝半導(dǎo)體代工廠企業(yè)的特性。現(xiàn)在，Touchstone提供15種模擬IC，可替代部分Maxim系列產(chǎn)品。工程師可以用Touchstone替代器件代換Maxim的產(chǎn)品，以確保產(chǎn)品制造有穩(wěn)定的供給，滿足交貨時(shí)間要求。模擬電路設(shè)計(jì)者向Touchstone和Maxim這樣的創(chuàng)新公司尋求專用的高集成度ASIC和ASSP，以簡(jiǎn)化自己的設(shè)計(jì)工作。多種可用貨源能幫助挑選一種設(shè)計(jì)的模擬器件。

ADC接口

SoC技術(shù)要求外設(shè)與處理器之間有平穩(wěn)的接口。帶高速串行接口的多通道ADC給模擬設(shè)計(jì)者帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)，即這些設(shè)備與處理器的高效連接(參考文獻(xiàn)6)。例如，AnalogDevices的AD9219為VLSI設(shè)計(jì)提供了低成本、低功耗、小體積的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，用于將數(shù)據(jù)從ADC傳送給DSP。對(duì)于兩個(gè)時(shí)鐘域之間的同步問題，可以采用異步FIFO緩存，配合Gray碼同步方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種基于DSP的ADC接口可以做編程，因此它不僅是卸除處理負(fù)載的理想元件，也是主機(jī)的一個(gè)模擬輸入信號(hào)預(yù)處理器。

經(jīng)數(shù)字增強(qiáng)的模擬

在電源控制器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，可以使模擬電路設(shè)計(jì)者方便地監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換器的多個(gè)工作參數(shù)。這些參數(shù)包括：輸入電壓和輸出電壓、輸出電流以及溫度，這只是很多可測(cè)關(guān)鍵參數(shù)中的一些基本參數(shù)。要像數(shù)字控制器那樣實(shí)現(xiàn)相異的功能和電源轉(zhuǎn)換需要的自適應(yīng)能力，對(duì)于模擬控制器有更多的困難。數(shù)字控制器更容易實(shí)現(xiàn)這些功能，因?yàn)樗鼈兛梢苑奖愕貙?duì)數(shù)據(jù)做數(shù)字化，供外部設(shè)備穩(wěn)定地讀出(參考文獻(xiàn)3)。

德州儀器是數(shù)字電源方面的領(lǐng)導(dǎo)者，它為AC/DC和DC/DC設(shè)計(jì)提供靈活而可配置的數(shù)字電源產(chǎn)品。該公司為電源設(shè)計(jì)者提供廣泛的產(chǎn)品組合，包括處理器、控制器和驅(qū)動(dòng)器，還有面向任何數(shù)字電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的模塊化方案。無(wú)論你是在為AC/DC到DC/DC POL(負(fù)載點(diǎn))系統(tǒng)設(shè)計(jì)隔離或非隔離式產(chǎn)品，德州儀器靈活、可定制及直觀的數(shù)字電源產(chǎn)品組合都能實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)。

模擬設(shè)計(jì)師們，振作起來(lái)吧！那些要求更小的體積、更長(zhǎng)的電池壽命的新設(shè)計(jì)，或所有電子設(shè)備中的能量獲取電源與性能的提升，都需要你們更多地參與。甚至在以前人們想不到的領(lǐng)域，如報(bào)紙，也需要你們發(fā)揮更大的作用。10年以內(nèi)，你們會(huì)看到e-Sheet(電子紙張)，這是一種幾乎不可毀壞的電子設(shè)備，它既薄，又可以像橡膠一樣卷起(參考文獻(xiàn)7)。全彩色的交互式設(shè)備需要少量電源就能工作，因?yàn)椴捎萌展夂褪覂?nèi)環(huán)境光充電。不過，它將很耐用，并且只采用無(wú)線連接端口，所以可以整夜淋雨也沒問題，沖洗、跌落等都不會(huì)損及它薄而極度柔軟的外殼。

附文：

半導(dǎo)體工藝與設(shè)計(jì)

對(duì)于21世紀(jì)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)而言，硅工藝仍然是材料的選擇嗎？硅已經(jīng)統(tǒng)治了20 世紀(jì)一半時(shí)間，而石墨烯是否可以成為半導(dǎo)體工藝的新星？石墨烯有出色的高遷移特性、很好的導(dǎo)熱性，自然界中含量豐富；但用它來(lái)制造高性能晶體管，并將數(shù)百萬(wàn)只晶體管集成到一起，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。現(xiàn)在還沒有找到一種可用于石墨烯、鍺或其它特殊材料的穩(wěn)定而無(wú)缺陷的氧化物。硅就沒有這類問題。

事實(shí)上，對(duì)于數(shù)字應(yīng)用，雖然人們認(rèn)為硅可能已經(jīng)走到了盡頭，但SOI(絕緣硅)已經(jīng)增強(qiáng)了器件和系統(tǒng)的性能。

盡管我們最終會(huì)使硅的尺寸接近于幾個(gè)原子層大小，但新技術(shù)是不可避免的，不過在21世紀(jì)的很多年內(nèi)，硅仍將是可預(yù)測(cè)的工藝選擇，原因是其成本，自然界的豐富存量，以及微細(xì)機(jī)加工已經(jīng)針對(duì)硅做了優(yōu)化。除了這個(gè)事實(shí)以外，基于MEMS的傳感器和變送器現(xiàn)在也用微制造法處理，以集成到AFE中。

在業(yè)內(nèi)，半導(dǎo)體、LED和MEMS的晶圓廠和代工廠扮演著關(guān)鍵的角色。多年來(lái)，為建立這些復(fù)雜的前端晶圓廠而投入了巨大的資本。另外，還有些投資建立的晶圓廠是為了能夠容納更大的晶圓尺寸，以及技術(shù)結(jié)點(diǎn)的變動(dòng)。不久以前還有開始再次投資主要設(shè)備的新聞。

有機(jī)晶體管

對(duì)未來(lái)模擬工藝的討論必須包括有機(jī)晶體管。特別是OFET(有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，它可以在低溫下制造，能夠?qū)C做在柔性塑料基材上，并且可能以低成本覆蓋大面積。

有機(jī)半導(dǎo)體可能很快會(huì)給電子應(yīng)用展現(xiàn)出新的可能性，這是今天普通晶體材料(如硅)所不及的。有機(jī)半導(dǎo)體的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是能夠以相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的方式，制造具有不尋常特性的電子產(chǎn)品，如晶體管、發(fā)光二極管或太陽(yáng)能電池，并且?guī)缀跄茏龀鋈魏纬叽绲谋　④浐屯该鞯谋∧ぁ?/p>

德州儀器公司

德州儀器公司在20 0 9年3季度宣布了RFAB的起動(dòng)，這是業(yè)界第一個(gè)300mm的模擬晶圓廠，位于德州Richardson。今天，RFAB滿負(fù)荷生產(chǎn)，每片晶圓可做出數(shù)千只模擬芯片。晶圓廠使用的模擬工藝技術(shù)包括LBC7，這是一種用于電源管理器件的線性BiCMOS技術(shù)；還有C05，這是已針對(duì)模擬產(chǎn)品優(yōu)化了的180nm技術(shù)。

這個(gè)新的晶圓廠證明了，對(duì)模擬設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，模擬、數(shù)字以及功率技術(shù)的整合(在高性價(jià)比點(diǎn)上)已變得多么重要。對(duì)于復(fù)雜而集成化模擬元件的需求不斷增長(zhǎng)，受此推動(dòng)，該晶圓廠將把德州儀器的模擬技術(shù)能力推向新的應(yīng)用和系統(tǒng)，如智能手機(jī)和上網(wǎng)本，直到計(jì)算與醫(yī)療系統(tǒng)。

LBC7不僅為模擬與功率產(chǎn)品提供了不同的特性，而且其自適應(yīng)工藝流程還可配置用于簡(jiǎn)單芯片或更復(fù)雜、有相當(dāng)大數(shù)字核心的定制混合信號(hào)器件。此外，LBC7還可以制造一系列模擬產(chǎn)品，以及有成本效益的電源管理器件。

NJR(新日本無(wú)線)已起動(dòng)了“TheAnalog Master Slice service”(模擬主基片服務(wù))，可以減少新模擬IC/LSI開發(fā)的成本和開發(fā)周期。

采用現(xiàn)有市售產(chǎn)品或定制產(chǎn)品，就很容易解決分立功能的集成問題，但這種技術(shù)“缺少功能”，客戶“負(fù)擔(dān)不起新項(xiàng)目的成本，以及開發(fā)周期”。現(xiàn)在，NJR提供了更多的設(shè)計(jì)靈活性，縮短了這些問題相應(yīng)的開發(fā)時(shí)間。

模擬主基片服務(wù)可為客戶提供原始的模擬半導(dǎo)體定制IC/LSI。它先制備出有預(yù)制晶體管、電阻、電容和其它器件的晶圓，然后按照定制要求加上走線層的玻璃掩模，完成原始IC/LSI的制作。由于采用了公共的主基片，因此減少了成本和開發(fā)周期。在布局設(shè)計(jì)完成后，一般ES(工程樣片)的開發(fā)周期為4周。而標(biāo)準(zhǔn)的定制IC/LSI通常要花至少24周。

TSMC

TSMC已起動(dòng)了臺(tái)中的Fab 15GigaFab第三期建設(shè)，用于20nm工藝。

GlobalFoundries

GlobalFoundries確認(rèn)了其在紐約州Saratoga County的Fab 8新工廠，將于2012年夏季開始逐步投產(chǎn)。該公司給出了計(jì)劃的更多細(xì)節(jié)，準(zhǔn)備在2013年從28nm轉(zhuǎn)向20nm，最終達(dá)到14nm。

X-FAB

作為世界上模擬/混合信號(hào)半導(dǎo)體應(yīng)用的領(lǐng)先代工集團(tuán)，X-FAB創(chuàng)立了一種對(duì)典型代工服務(wù)的清晰替代方法，它結(jié)合了先進(jìn)模擬工藝與混合信號(hào)工藝技術(shù)方面可信賴的專業(yè)知識(shí)，以及出色的服務(wù)、高水平的響應(yīng)能力和一流的技術(shù)支持。X-FAB以模塊化CMOS與BiCMOS工藝制造針對(duì)汽車、工業(yè)、消費(fèi)、醫(yī)療和其它應(yīng)用的晶圓，其尺寸從1.0μm~0.18μm，并有特殊的BCD、SOI和MEMS長(zhǎng)壽命工藝。

在2011年11月，X-FAB發(fā)布了其新技術(shù)平臺(tái)XP018，這是它最新的代工工藝，用業(yè)界最少的掩模數(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字、模擬，以及大電壓特性與嵌入Flash的模塊化組合。這是一家為能效應(yīng)用提供產(chǎn)品的獨(dú)一無(wú)二的代工廠，它第一個(gè)做到了高達(dá)60V工作電壓的SoC集成，以及5V電源與嵌入NVM(非易失存儲(chǔ)器)的組合。它實(shí)現(xiàn)了新一代可靠而高效的電源管理、數(shù)字控制，以及其它功率控制SoC應(yīng)用。

Austriamicrosystems公司運(yùn)行著位于奧地利的一個(gè)8英寸晶圓廠，專注于以模擬混合信號(hào)工藝滿足客戶的需求。Austriamicrosystems公司于2011年收購(gòu)了TAOSwas。Austriamicrosystems公司有業(yè)界基準(zhǔn)的0.18μm高電壓CMOS技術(shù)，提供業(yè)界第一個(gè)RF(射頻)集成與高密度SoC能力。所謂的H18工藝技術(shù)將用于制造IBM的200mm Burlington晶圓設(shè)備，并已在今年初宣布量產(chǎn)。0.18μm高電壓CMOS工藝為與IBM合作研發(fā)，是austriamicrosystems連續(xù)改進(jìn)的第六代高電壓CMOS技術(shù)。

所有這些對(duì)模擬設(shè)計(jì)者都意味著更小、更低功耗、更低成本和高集成度的IC，可以用它們?cè)O(shè)計(jì)出手持設(shè)備與醫(yī)療植入市場(chǎng)上原來(lái)不可想象(因成本約束與物理尺寸等問題)的新產(chǎn)品。

現(xiàn)在，模擬IC設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是，要盡快讓電路設(shè)計(jì)者獲得這些先進(jìn)工藝IC的解決方案。

IC設(shè)計(jì)者的挑戰(zhàn)及他們的工具

如果不討論I C 布局與設(shè)計(jì)工具，尤其是最新/最小的工藝技術(shù)，如45nm和28nm工藝，那么就不可能討論簡(jiǎn)化模擬電路設(shè)計(jì)者的工作問題。業(yè)界在比預(yù)期更快地轉(zhuǎn)向20nm。模擬電路設(shè)計(jì)者需要盡快獲得最新的高集成度混合信號(hào)IC，以開發(fā)出滿足客戶需求和預(yù)期的下一代新產(chǎn)品方案。

新的模擬時(shí)代正伴隨著納米技術(shù)而到來(lái)。一個(gè)例子是多媒體應(yīng)用處理器的需求正推動(dòng)著低納米區(qū)間的CMOS技術(shù)發(fā)展。對(duì)于有高性能PLL、千兆采樣高速串行鏈路，以及嵌入電源管理的先進(jìn)SoC來(lái)說(shuō)，模擬遠(yuǎn)不只是一個(gè)重要的組成部分。MOS器件性能正在超越模擬設(shè)計(jì)者的想象。這些性能為新的應(yīng)用鋪平了道路，如嵌入mmW，以及數(shù)字增強(qiáng)的模擬功能等，以獲得新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

Cadence公司在推廣一個(gè)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的更高效方案，它充分利用了一種整合的混合信號(hào)方法，其中，早期設(shè)計(jì)規(guī)劃、前端設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、物理實(shí)現(xiàn)以及封裝等都分享了模擬與數(shù)字團(tuán)隊(duì)之間的責(zé)任。

EDA360是EDA業(yè)的一個(gè)新的夢(mèng)想，Cadence通過對(duì)軟件應(yīng)用的理解，將其用于一個(gè)確定的軟硬件平臺(tái)，定義系統(tǒng)需求，然后用自己的方式一直做到軟硬件IP創(chuàng)建與集成。

EDA360支持以下三種功能：

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：EDA360采用一種應(yīng)用驅(qū)動(dòng)方案做系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。開發(fā)人員先對(duì)應(yīng)用做設(shè)想，然后在系統(tǒng)級(jí)做設(shè)計(jì)，再做軟件，最后建立或購(gòu)買硬件。

SoC實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是產(chǎn)生一個(gè)用于應(yīng)用部署的完整軟硬件平臺(tái)，而SoC實(shí)現(xiàn)則是確保成功地開發(fā)出一個(gè)滿足系統(tǒng)需求的SoC。SoC實(shí)現(xiàn)需要高品質(zhì)數(shù)字、模擬與混合信號(hào)硅IP的選擇與整合。

硅實(shí)現(xiàn)：硅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)“混合信號(hào)”設(shè)計(jì)的范圍，通常涉及到將硬件模擬宏單元輸入到一個(gè)數(shù)字SoC中。它還包括創(chuàng)建全定制數(shù)字、模擬與RF IP塊和IC。并且，它還意味著將各個(gè)塊(在前代工藝中每個(gè)都是一個(gè)芯片)集成到SoC中，以支持各種功能(圖2)。

Magma Design與富士通半導(dǎo)體公司

Magma Design Automation是芯片設(shè)計(jì)軟件的供應(yīng)商，它宣布自己的Titan ADX(模擬設(shè)計(jì)加速器)已被富士通半導(dǎo)體公司采用。該軟件將用于把各種模擬IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))優(yōu)化和移植為新的設(shè)計(jì)規(guī)范與工藝。它將提高設(shè)計(jì)者的生產(chǎn)率，加快SoC的周轉(zhuǎn)時(shí)間，并減少模擬設(shè)計(jì)與重用的成本。

富士通半導(dǎo)體公司提供各種LSI(大規(guī)模集成)電路，用于汽車、消費(fèi)、工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線應(yīng)用。通過采用Magma新的Titan ADX，現(xiàn)在該公司能夠最大限度減少開發(fā)時(shí)間。Titan ADX的優(yōu)化技術(shù)與該公司現(xiàn)有的模擬設(shè)計(jì)無(wú)縫地整合，現(xiàn)在可以非常快地改變規(guī)范，如減少一個(gè)LSI設(shè)計(jì)的功率預(yù)算，并將模擬IP移植到新的工藝上。這一設(shè)計(jì)流效率的增強(qiáng)使他們能夠及時(shí)地提供下一代LSI電路，同時(shí)降低開發(fā)成本。

與基于仿真的耗時(shí)的優(yōu)化工具不同，Titan ADX采用了對(duì)一個(gè)模擬電路的獨(dú)特高級(jí)抽象，叫做一個(gè)FlexCell。它將這個(gè)抽象用在一個(gè)先進(jìn)的非線性、基于約束的優(yōu)化算法中，使設(shè)計(jì)者能夠快速而簡(jiǎn)便地將IP移植到任何工藝上，并針對(duì)特定功率和面積要求而優(yōu)化電路。