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(多图) 另类集成

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2010年03月31日 ?? 收藏0

  要点

? * 是集成还是“分散”?这项决定取决于许多动态因素。?
??* 在单独的芯片中实现模拟、射频、MEMS和光电子功能,也许是更好的办法。
??* 如需降低电感和功率,也许需要把你的系统分散。
? *??一颗大芯片的测试也许很昂贵,或者根本不可能。
??* 现代封装已经改变了集成规则。
??* 如果试图把所有功能都集成到一颗CMOS晶粒中,可能会使你的产品很晚上市,并妨碍性能和成本目标的实现。

  SoC历史上曾代表电子业的最高境界,这是因为如果使用这些芯片,电子系统设计者就能把很多数字电路装到一小块区域中。但是,细线CMOS不适合用在模拟、电源和射频功能中,并且微型CMOS晶体管易受噪声和泄漏问题的影响。而且,芯片制造所需的专用掩模组价格可能超过100万美元。然后你必须把全部精力集中于这项设计,直到高批量销售分摊了它的成本。由于这些原因,有时候使用单独的芯片会更有意义,不必把所有功能都装在一颗芯片中。
Analog Devics公司模拟技术副总裁D

ave Robertson提倡采用“智能划分”,即把一些功能转移到其它芯片中,而不是教条地规定集成或分散。他说:“你必须检查每种情形,并挑选出聪明的事情来做。这些事情在不同时期都将是有所不同的。”

  从历史上看,任何一家公司在选择集成战略方面犯下的错误,都不如Trilogy Systems公司严重。该公司当时的目标是把整个大型主机都放入一块晶圆(如今的SoC的前身)中。Myron Magnet曾是《财富》杂志的记者,目前是《城市杂志》(City Journal)的特约编辑,据他说,该公司获得的2.3亿美元风险投资是“史上最大的初创资金”(参考文献1)。 在成品率问题迫使设计者们增添冗余的纠正电路之后,Trilogy公司最后破产了,成为硅谷历史上最大的破产案之一。该电路占用了更大的空间,设计者们很快认识到:测试如此庞大的系统几乎是不可能的。

  换言之,大规模集成并不总是最佳选择。Texas Instruments公司首席技术专家Tim Kalthoff说:“我们会检查哪种技术最适合。有时候使用一颗晶粒更合理,另一些时候使用多颗晶粒更合理。”

  存储单元等数字功能需要的工艺步骤数量超过了CMOS逻辑电路的提供能力,它们也有可能会受益于分散方式。例如,Samplify Systems公司制造了带有内置数据压缩功能的ADC,但在芯片外实现了超声波用低噪声放大器等模拟功能(参考文献2)。

  SiTime公司提供MEMS振荡器,它们运用了一种智能的前沿工艺技术,它把硅结构放在氧化硅(即玻璃)中,用多晶硅覆盖这些结构,然后用氢氟酸溶解玻璃,来创建悬臂式振荡器结构(参考文献3)。硅工艺把电路放在同一颗晶粒上,来执行信号调节和其它功能。但是,如果在细线数字工艺中实现所有这些工艺步骤,使得你能够把MEMS振荡器集成在ASIC或FPGA中,这就毫无意义。这种方式会增加整颗晶粒的成本。

  MEMS、模拟功能或存储器的额外工艺步骤还降低了细线数字电路的成品率。Robertson说:“我们的一些MEMS器件是把传感器和信号调节功能放在同一块基底上。在另一些器件中,我们把传感器和信号调节器分开,并在一个封装中放入两块基底。”

  硅晶体管并非最佳光晶体管,这是因为硅有间接带隙,与砷化镓(图1)等直接带隙材料41%的最高效率相比,它能达到的最高效率仅为 22%。研究人员正在努力把锗半导体和镓半导体放到一颗硅晶粒上,由此把这些工艺混合起来(参考文献4)。即便这项研究在现实世界中取得成功,但把需要的工艺步骤添加到大型CMOS数字晶粒上,也仍将很不经济。

硅作为一种间接带隙材料

  图1,硅作为一种间接带隙材料,需要声子(即晶格振动)在光子与电子孔对之间转换(a)。砷化镓和其它III-V族半导体是直接带隙材料,并能达到41%的效率(b)。

  除了光电子属性以外,砷化镓半导体还具有更高的电子迁移率和更大的带隙,二者使它们适合用于射频频率。例如,Cree公司把它在III-V半导体LED领域的专业知识运用于其它领域。这些半导体本来是由元素周期表III族某种元素的原子和V族某种元素的原子组成。该公司跨领域地利用了这种工艺的较高频能力,能够将研究领域的突破应用到自己的各个业务中。

  未对SoC做好准备

  更快的工艺总是会在射频零件设计方面对硅构成挑战。2.4 GHz Wi-Fi热点中的芯片几乎肯定只使用细线CMOS。但是,工作于2.4 GHz以及更高频率时,数字工艺的晶体管的线性很差,并且细线CMOS的低压范围意味着模拟电路几乎或根本没有余地来补偿这种糟糕的线性(参考文献5)。


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