模擬芯片有多重要？

IC Insights預(yù)估，在電源管理、訊號(hào)轉(zhuǎn)換與汽車電子三大應(yīng)用的帶動(dòng)下，模擬芯片市場(chǎng)在2017~2022年的復(fù)合年增率(CAGR)將達(dá)到6.6%，優(yōu)于整體IC市場(chǎng)的5.1% 。2017年全球模擬芯片市場(chǎng)的規(guī)模為545億美元，預(yù)估到2022年時(shí)，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到748億美元。

在2018年，汽車應(yīng)用將是帶動(dòng)模擬芯片市場(chǎng)成長(zhǎng)的最大動(dòng)力，預(yù)估市場(chǎng)規(guī)模將可成長(zhǎng)15%。訊號(hào)轉(zhuǎn)換則主要應(yīng)用在通訊與消費(fèi)性電子產(chǎn)品，是目前模擬芯片最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，未來(lái)3~5年的成長(zhǎng)速度均可望維持在10%以上。至于電源管理芯片市場(chǎng)部分，2018年的成長(zhǎng)速度會(huì)稍微減緩，從2017年的12%降到8%。

為什么看好模擬芯片

在這樣一個(gè)對(duì)數(shù)字電路處理有利的世界中，模擬技術(shù)更多地用來(lái)處理對(duì)它們不利的過(guò)程。但這個(gè)現(xiàn)象可能正在改變。隨著汽車成為半導(dǎo)體消費(fèi)大戶，未來(lái)可能會(huì)有好消息。 “通過(guò)TCAD，工藝設(shè)計(jì)公司可以了解它們對(duì)于PLLs和其他模擬部件的工作效果。” Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷副總裁Tom Ferry說(shuō):“隨著芯片進(jìn)入汽車市場(chǎng)的模擬內(nèi)容越來(lái)越多，可靠性也越來(lái)越重要，因?yàn)樗鼈兊氖袌?chǎng)越來(lái)越大，所以我們會(huì)有更多的類型。 今天汽車設(shè)計(jì)的芯片比五年前要多。 這使得他們值得投資更多的錢(qián)，以便獲得更多的生意。我們需要平衡這個(gè)過(guò)程，以滿足集成部件的數(shù)字和模擬需求。”

需要大量模擬芯片的芯片，包括傳感器、電源管理、集成MEMS和成像應(yīng)用等組件，并不急于獲得數(shù)字支持的最新節(jié)點(diǎn)。許多這些組件中需要與高電壓相互作用，對(duì)噪聲非常敏感，并受益于標(biāo)準(zhǔn)邏輯過(guò)程中無(wú)法獲得的特殊器件類型和隔離技術(shù)。這導(dǎo)致了專門(mén)從事模擬能力的“超摩爾” 工藝節(jié)點(diǎn)的興起。這些技術(shù)是新的工藝風(fēng)格，但應(yīng)用于更大的特征尺寸(高達(dá)180nm!)，并且支持雙極晶體管、高壓DMOS器件(一些器件能夠處理超過(guò)100V!)，以及埋井和其他隔離策略，允許高精準(zhǔn)模擬與嘈雜數(shù)字共存。 當(dāng)模擬是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求時(shí)，我們看到很多客戶選擇這些工藝。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)幫助模擬電路克服其中的一些問(wèn)題。例子包括后期校準(zhǔn)和模擬電路的數(shù)字輔助，以動(dòng)態(tài)調(diào)整變化。 這些不是免費(fèi)的。 數(shù)字補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)例子是流水線ADC。 這具有計(jì)算開(kāi)銷和數(shù)字的延遲，意味著補(bǔ)償比純模擬實(shí)現(xiàn)更慢，并增加了總功耗。

在技術(shù)節(jié)點(diǎn)上也可能有妥協(xié)的余地。“對(duì)于混合信號(hào)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，數(shù)字內(nèi)容龐大，但這不足以證明跳轉(zhuǎn)到finFET的合理性，我們看到大量針對(duì)65nm的設(shè)計(jì)是一個(gè)不錯(cuò)的中間位置。 對(duì)于需要一些射頻功能的設(shè)計(jì)，例如針對(duì)IoT邊緣設(shè)備市場(chǎng)的設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)尤其如此。

老化模型(Aging models)已經(jīng)基于數(shù)字電路開(kāi)發(fā)，并且在生命周期中，對(duì)模擬/ RF可靠性的關(guān)注不多。對(duì)于必須保證產(chǎn)品壽命的汽車和醫(yī)療應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)成為一個(gè)更大的問(wèn)題。許多模擬電路依賴于匹配，這意味著如果兩個(gè)組件老化程度和方式不相似，則會(huì)產(chǎn)生其他問(wèn)題。這可能導(dǎo)致更頻繁的重新校準(zhǔn)，也可能導(dǎo)致更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。 如果器件無(wú)法重新連接到測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，也可能意味著芯片或系統(tǒng)需要額外的復(fù)雜性。

較小的幾何形狀具有更多的可變性。“由于我們能夠以大量的細(xì)節(jié)來(lái)模擬制造工藝，所以我們可以在制造工藝流程中注入可變性”，Borges說(shuō):“隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這一趨勢(shì)正變得越來(lái)越重要。通常，對(duì)于與數(shù)字相關(guān)的模擬應(yīng)用，如設(shè)備匹配來(lái)說(shuō)，這些效果變得更為重要。需要精心設(shè)計(jì)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)著一些功能。”

必須注意，不需要對(duì)這些模型產(chǎn)生太多的悲觀情緒。“重要的是保持相關(guān)變異的來(lái)源，因?yàn)閷?shí)際上，一些變異性來(lái)源可能在某種程度上互相抵消。”

業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)數(shù)字化的關(guān)注已經(jīng)導(dǎo)致模擬技術(shù)被盡可能地?cái)D出圈子，但模擬總是必須的。今天，當(dāng)模擬內(nèi)容很重要是，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的答案是，留在較大的節(jié)點(diǎn)上，但是代工廠的額外努力可能產(chǎn)生一些更好的折中方案，允許數(shù)字和模擬可以集成而不會(huì)有不公平的偏見(jiàn)。汽車可能是推動(dòng)這一趨勢(shì)的行業(yè)。