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光学大杂烩

半导体基本知识——数字电路(Digital IC)

时间:2021/11/21 21:11:11   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:28   评论:0
内容摘要:3-1:数字电路分类1.数字集成电路:又称为逻辑电路,进行逻辑运算,按照摩尔定律发展,使用最先进的制程工艺,现阶段是16/14nm。2.应用领域包括:包括计算机、电子通信、存储器以及显示等系统领域。3.根据用途分类:包括微处理器通用型的集成电路(中小规模集成电路)产品,微处理(如MCU、MPU)产品和中大规模的集成电路...
3-1:数字电路分类
1.数字集成电路:又称为逻辑电路,进行逻辑运算,按照摩尔定律发展,使用最先进的制程工艺,现阶段是16/14nm。
2.应用领域包括:包括计算机、电子通信、存储器以及显示等系统领域。
3.根据用途分类:包括微处理器通用型的集成电路(中小规模集成电路)产品,微处理(如MCU、MPU)产品和中大规模的集成电路产品(如CPU、GPU、存储器)等以及特定用途的集成电路产品(如ASIC)等。

3-2:数字电路技术要求
产业链主要包括设计、制造、封装与测试。成本集中在设计和制程阶段。
1.晶圆:使用12寸晶圆片,更大程度摊薄芯片成本。
2.设计:包含电路设计、算法和硬件架构的设计,更加综合的考注重虑功能、性能、尺寸以及工艺等,特别是尺寸与工艺。
3.制程:使用先进制程工艺(从5nm-90nm制程),最先进制程是10/14nm,成熟工艺为28nm,最新先进工艺为5nm。
4.封装:基于更小的尺寸应用,使用先进封装,包括倒装(Flip Chip)、晶圆封装。
半导体基本知识——数字电路(Digital_IC)
2017年
10nm

2018年
7nm

2019年

5nm


3-3:数字电路应用类别
1.数字集成电路:数字电路是一种离散信号的传递和处理,以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。
2.应用领域包括:包括计算机、电子通信、存储器以及显示等系统领域。
3.主要应用产品:
a.计算机领域包括服务器端应用的MPU、个人电脑上应用的CPU、工业领域应用的MCU等微元件;
b.通用电子及通信端应用的FPGA、DSP、AP、CP、Embedded MPU等;
c.内存应用:闪存(FLASH)、只读存储器(ROM)、动态随机读取存储器(DRAM)等;

d.显示应用:显示处理器、显示驱动处理器等。

半导体基本知识——数字电路(Digital_IC)


3-4:数字电路应用-逻辑电路-高性能芯片应用
1. CPU(中央处理器):功能最全的处理芯片,包括控制器、组合逻辑电路基本逻辑单元(ALU)、DRAM即动态随机存取存储器,高速缓冲存储器(Cache)存储器。优点在于调度、管理、协调能力强,计算能力则位于其次。
2. GPU(图形处理器):应用在个人电脑、工作站、游戏机、移动设备(如平板电脑、智能手机等)等芯片内部,专门用作图像运算工作的微处理器。更适合执行复杂的数学和几何计算,尤其是并行运算。
3. FPGA(现场可编程门阵列):可根据自身需求进行重复编程的“万能芯片”。具备效率高、功耗低的特点,但电路上会有大量冗余,成本较ASIC高。常年来被用作专用芯片(ASIC)的小批量替代品,近年来在微软、百度等公司的数据中心大规模部署,以同时提供强大的计算能力和足够的灵活性。
4. ASIC(专用集成电路):特定领域转向开发应用的芯片,如TPU、NPU、VPU、BPU等本质上都属于ASIC。ASIC性能、面积、功耗等各方面都优于GPU和FPGA,未来云端和终端的应用芯片。ASIC存在开发周期较长、需要底层硬件编程、灵活性较低等劣势,因此发展速度不及GPU和FPGA。
半导体基本知识——数字电路(Digital_IC)
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3-5:数字电路应用-微处理器
1. 微处理器含义:CPU可以集成在一个半导体芯片上,这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件,被统称为“微处理器”。
2. 主要类别:微处理器大致可以分为三类:
    a.通用高性能微处理器:通用处理器追求高性能,它们用于运行通用软件,配备完备、复杂的操作系统。如MPU、AP等;
    b.嵌入式微处理器:强调处理特定应用问题的高性能,主要用于运行面向特定领域的专用程序,配备轻量级操作系统,如消费级SOC,EMPU和EDSP等,应用在如蜂窝电话、CD播放机等消费类家电;
    c.数字信号处理器、微控制器:微控制器价位相对较低,在微处理器市场上需求量最大,主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。
3 .CPU(中央处理器)发展出来三个分支:
    a. DSP(Digital Signal Processing/Processor,数字信号处理);
    b. MCU(Micro Control Unit,微控制器单元);
    c. MPU(Micro Processor Unit,微处理器单元);
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3-5:数字电路应用-微处理器-技术要求

1.微处理器特点:微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器,执行控制部件和算术逻辑部件的功能。能完成取指令、执行指令,以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

2.技术特点:使用先进制程,最新制程7nm。使用先进封装。如:第九代智能英特尔®酷睿™i9处理器(制程14nm);高通骁龙888移动芯片(制程5nm)。

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3-5:数字电路应用-微处理器-DSP(数字信号处理)
1. DSP:运算能力强,擅长很多的重复数据运算,在嵌入式系统中广泛应用,具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
2. 应用方向:广泛应用于各种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带有加解密算法的键盘、ADSL接入、实时语音压解系统和虚拟现实显示等具有运算量大的领域。
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3-5:数字电路应用-微处理器-MCU(微控制单元)
1. MCU:称单片微型计算机,简称“单片机”,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机。MCU则擅长处理不同来源的数据及运算,速度远不及DSP。
2. 应用范围:广泛应用于消费级终端、汽车、工业领域,8位为市场主流:
 a. 4位MCU:大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;
 b. 8位MCU:大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(Caller ID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;
 c. 16位MCU:大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;
 d. 32位MCU:大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机;
 e. 64位MCU:应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器及高级终端机。
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3-5:数字电路应用-微处理器-MPU(微处理器单元)
1. MPU:在计算机中起到转接桥的作用,转接数据。CPU的指令调用、数据传输、各个设备的工作状态都需要MPU转接控制才能完成,可以看成是把很多CPU集成在一起并行处理数据的芯片,性能更高,价格更昂贵。
2. MPU是PC、服务型和大型架构的“大脑”:被应用到类似网络配件、电脑周边设备,医疗和工业设备,汽车,电视,机顶盒,视频游戏主机,可穿戴设备和物联网设备等系统中。
3. SOC集成方式:以SOC形式集成,被包含到拥有CPU和视频、音频、图像和AI等功能模块的60bit多核SoC中,拥有高集成度。
4. 应用市场规模:2018年销售的MPU中,52%的增长来自于应用在普通PC、服务器和大型电脑中的CPU,只有16%的MPU增长来自于嵌入式应用。其他都是来自于应用在平板(4%)和手机(28%)的移动应用处理器。
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3-5:数字电路应用-微处理器-AP/BP(应用处理器/基带)
1.AP(Application Processor,应用处理器):移动终端上,操作系统、用户界面和应用程序都在AP上执行,AP一般采用ARM芯片的CPU。
2.BP(Baseband Processor,基带芯片):可分为五个子块:CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。基带芯片主要处理音频信号和基带码的转换,同时也负责地址信息(手机号、网站地址)、文字信息(短讯文字、网站文字)、图片信息的编译。基带芯片是手机等移动终端的核心。BP运行在AP之外的一个CPU中,使用BP主要在于保持射频信号处理的独立性,保持因手机操作系统和应用软件变化不影响正确的执行功能(通讯功能)。操作系统和驱动的bug也不会导致设备发送灾难性的数据到移动网络中。
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3-5:数字电路应用-MCU市场规模及分析

1.市场特点:广泛应用于消费电子、汽车电子、计算机与网络、工业控制等领域,伴随物联网的逐步落地和汽车电子的发展,MCU的市场需求增长显著。
2.市场规模:MCU的出货量将持续上升,2018年全球MCU的出货量将增长18%达306亿颗,五年内全球MCU销售额年复合增速将达到7.2%,至2020年将突破200亿美元。国内MCU市场2016年已达360亿元,未来年复合增速将达到11.7%,至2020年市场将超过500亿元。
3.竞争格局:恩智浦(MCU龙头)、瑞萨等全球前八大MCU厂商市场份额达到88%,头部集中效应明显。国内以MCU为主业的上市公司仅有中颖电子和兆易创新,营收规模都不超过4亿元,与国外巨头差距明显。

4.国产化:国内目前在4、8位中低端MCU领域应用在消费电子、智能仪表等中低端产品。兆易创新等国内MCU厂商积极布局32位中高端芯片市场。工业控制、汽车电子、物联网都被国外的MCU厂商垄断,国内公司通过努力可争取的空间还很巨大。

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3-6:数字电路应用-存储器(Memory)-分类
1.存储器功能:存储程序和各种数据,并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。
2.存储器适用区域分类:按照相对于CPU的位置,分为寄存器、内存、外存。寄存器(Ma,触发器)是在CPU之内的存储器,内存和外存都是CPU之外的存储器。CPU直接访问的存储器是内存,外存必须通过接口与CPU通信。
3.存储器易失性分类:分为易失性和非易失性:
a.易失性存储器:主要应用为DRAM,如常见的内存条;
b.非易失性存储器:包括ROM(可编程存储器),FLASH(闪存),以及常见的软盘、硬盘和光盘等。特点是存储容量大,断电后依然可保存数据等特点。
c.FLASH(闪存):分为Nor flash和Nand flash,存储容量大,读取(相对于机械硬盘)速度快。
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3-6:数字电路应用-存储器(Memory)-实例
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3-6:数字电路应用-存储器(Memory)-特征对比
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3-6:数字电路应用-存储器(Memory)-技术要求
1. 设计:没有特定的控制与运算,设计难度低。要求密集度高,依赖于制程工艺。12寸晶圆。
2. 制程:存储器制成迭代趋势:
    a. DRAM技术节点(迭代点):20nm(2014-2016)、1x(19-16)nm(2016-2018)、1y(16-14)nm(2018-2020)、1z(12-14)nm(2020-2022);

    b. DRAM的制程工艺在进入20nm以下后速度明显放缓;

    c. 三星DRAM目前仍处于绝对领先地位:主力制程18nm良率已经超过85%,17年12月份,三星宣布正式量产第二代10nm级别1Y nm 8Gb DDR4芯片。

    d. 3D NAND技术节点(闪存层):2D、3D G1(32P)(2014-2015)、3D G2(48P)(2015-2016)、3D G3(64P)(2016-2018)、3D G4(96P)(2018-2020)、3D G5(128P)(2020-2022)。NAND由于处2D向3D迁移过程中。
3. 封装:3D封装。
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3-6:数字电路应用-存储器(Memory)-应用方向
1. 主要应用品种:DRAM存储器、Flash闪存芯片。
    a. DRAM:不适合做容量大的内存,一般是用在处理器的缓存里面;主要应用于智能手机、PC、服务器和消费电子领域。

    b. FLASH:分为NAND FLASH和NOR FLASH。读取速度不及DRAM,成本低。

    c. NOR Flash:比NAND成本高,且写入速度慢,主要占据小容量市场,如功能手机、DVD、TV、USB Key、机顶盒、物联网设备等小容量代码闪存领域,其占据容量为0~16MB Flash市场的大部分份额。

    d. NAND Flash:成本较NOR低,写入与读取速度快,主要用在大容量存储领域,如嵌入式系统(非PC系统)的DOC(芯片磁盘)和常用的闪盘,如手机、平板电脑、U盘、固态硬盘等。
2. 未来发展:5G支持下的支持下的AI、物联网、智能驾驶大幅催生内存性能与存储需求。
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3-6:数字电路应用-存储器(Memory)-市场分析
1.市场规模:2017年销售额为1229.18亿美元,同比增长60.1%,占到全球半导体市场总值的30.1%,其中DRAM销售总值达720亿美元,同比增长74%;NAND Flash销售总额达498亿美元。NORFlash为43亿美元。
2.垄断竞争格局:存储器行业的资金和技术门槛高,目前呈垄断竞争格局。
a.DRAM领域:三星、SK海力士和美光三足鼎立,CR3超95%;
b.NAND领域:除了DRAM三巨头外还有东芝和西部数据,CR5达97%;
c.NOR领域:美光、Cypress、旺宏、华邦电和兆易创新垄断,CR5超90%。
3.国产化方面:长江存储(3D NAND),福建晋华(DRAM),兆易创新(Serial Flash及MCP),合肥长鑫(DRAM),紫光集团(DRAM)等,与国外的技术,规模等差距较大,自主产品亟待突破。
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出处:正势利工作室

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