IC芯片有哪些分类?一文全梳理清楚

根据WSTS分类标准,半导体芯片主要可分为集成电路、分立器件、传感器与光电子器件四种类别,其中集成电路占比达80%以上。

集成电路(IC,俗称芯片)又主要分为四大类:存储器、逻辑器件、微处理器、模拟器件。

其中,存储器、逻辑器件、微处理器,都称为数字IC;模拟器件,即模拟IC。

数字IC:传递、加工、处理数字信号的IC,主要处理离散的电学“1”和“0”信号,处理的是非连续性信号,都是脉冲方波。

模拟IC:处理连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号的IC,处理的信号都具有连续性的,可以转换为正弦波研究。

温度、湿度、光学、压电、声电等各种传感器或天线采集的外界自然信号,经过模拟电路预处理后,转为合适的数字信号输入到数字系统中,在经过数字系统处理后的信号再通过模拟电路进行后处理,转换为声音、图像、无线电波等模拟信号进行输出。

比如一台电脑主板,最主要的是CPU,其次是逻辑存储器,这些都是数字化器件,但对自然环境的检视,如对声音信号、对影像信号的拾取,就要依靠模拟器件。

相比而言,数字芯片设计通常为大型团队作战,研发周期较短,生命周期仅有1-2年,平均成本高,因此价格较高,下游需求主要集中在服务器与消费电子上。

模拟芯片的设计十分依赖工作人员日积月累的经验,一般为小团队作战,研发周期较长,产品使用周期较长(10年以上),价格相对较低,下游领域广泛、需求分散,可以应用于消费电子、汽车电子、工控医疗等。

二、逻辑器件

在数字IC方面,讲讲逻辑器件和微处理器

1、逻辑器件分类

逻辑电路,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,它们在计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面中被大量运用,逻辑电路可以分为标准化和非标准化两大类。

全球逻辑芯片的厂商很多,但以国外玩家为主,大多数的逻辑芯片厂商都是无晶圆的IC设计厂商,比如AMD、英伟达、高通、苹果、华为等等,竞争壁垒极高。

国内逻辑芯片发展速度较为缓慢,除了在移动端CPU领域有一定的突破,其它领域的发展都与世界顶级公司之间存在很大的差距。其次,我国的研发大多局限在应用端,涉及底层架构、颠覆性创新的成果较少。

另外,逻辑器件为追求性能,一般追求先进制程生产,主要由台积电、三星等代工厂来完成。芯片代工领域需要的技术及资金投入更为巨大,门槛更高,玩家也相对有限,但是竞争却非常的惨烈。

2、不同类型逻辑器件介绍

(1)CPU

中央处理器(CPU),是负责信息处理、程序运行的执行元件,按照架构和性能的不同被广泛应用在个人计算机、移动电子设备、游戏机、路由器、激光打印机等设备上。

CPU指令集是CPU中计算和控制计算机系统所有指令的集合。目前CPU可以分为复杂指令集(CISC)、简单指令集(RISC)两大类。

复杂指令集主要为X86架构,简单指令集又可以细分为Arm、MIPS、RISC-V、Power-PC、Alpha架构,其中生态较为完善的是Arm架构,基本占据简单指令集9成的市场。

近几年随着国内手机等移动电子产品的发展,国内在移动芯片设计方面取得了突破,华为海思基于ARM架构的移动芯片设计水平跻身世界前列,不过遭遇美国打压,现在没人给代工他的高端芯片。

(芯片架构,一般指的是指令集,就是CPU使用的语言。CPU执行计算任务时,程序在被执行前需要先翻译为CPU可以理解的语言,这种语言就是指令集,x86、ARM、MIPS都是指令集的代号,也是全球三大芯片架构。)

在封测层面,上世纪末成立的通富微电通过合资、收购等途径获得AMD在国内的封测厂,是国内唯一掌握高端CPU芯片封测技术的公司。

(2)GPU芯片

图形处理器(GPU)最初的应用是处理图形数据,与CPU相比,其并行处理的能力更加强大。在个人计算机中,CPU、GPU的主板往往决定产品的性能。

GPU市场主要由Intel、AMD、Nvidia三家瓜分,长期占领AI商用计算和民用市场的绝大部分市场份额,为多家公司提供GPUIP。

(3)FPGA

单块FPGA的计算能力没有GPU强大,但将通用结构的FPGA芯片构造成一个规模宏大的并行的计算结构,就可以满足类似GPU的应用需求。

(4)CPLD

复杂可编程逻辑器件(CPLD),属于高密度、高速度和低功耗的可编程逻辑器件,现在一般把所有超过某一集成度(如1000门以上)的PLD器件都称为CPLD,规模大、结构复杂,属于大规模集成电路范围。

当前主流的AI芯片主要分为三类,GPU、FPGA、ASIC。

其中GPU、FPGA均是前期较为成熟的芯片架构,属于通用型芯片,ASIC属于为AI特定场景定制的芯片。

ASIC,也叫专用集成电路,是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)来进行ASIC设计是最为流行的方式之一。

三、微处理器(MPU)

1、MPU介绍

MPU(MicroProcessorUnit):微机中的中央处理器(CPU)称为微处理器(MPU),是构成微机的核心部件,也可以说是微机的心脏,可以简单理解为增强版的CPU。它起到控制整个微型计算机工作的作用,产生控制信号对相应的部件进行控制,并执行相应的操作。

MPU不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片,往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。IntelX86,ARM的一些Cortex-A芯片如飞思卡尔i.MX6、全志A20、TIAM335X等都属于MPU。

此外,MCU和SoC容易和MPU弄混。

MCU(MicroControlUnit):叫微控制器,是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的芯片。

SoC(SystemonChip):指的是片上系统,MCU只是芯片级的芯片,而SOC是系统级的芯片,它既像MCU那样有内置RAM、ROM,同时又像MPU一样强大,可以运行操作系统,可以简单理解为是MCU集成化与MPU强处理力各优点二合一。

2、MPU分类

微处理器可以分为三类:计算机CPU处理器,手机应用处理器,嵌入式微处理器。

计算机CPU处理器:占MPU市场规模的比重为50%,是主要应用领域,主要包括PC、服务器、平板电脑CPU。

手机应用处理器:占MPU市场规模的比重为30%。

嵌入式微处理器:占MPU市场规模的比重为20%,主营应用领域为智能家居、物联网设备等。

四、模拟芯片

1、模拟芯片分类

模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链芯片。模拟芯片中因电子系统基本均需供电,因此电源管理芯片为主体,占模拟芯片市场比例约为53%,信号链芯片市场占比约为47%。

电源管理芯片(powerIC):是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片,主要分为AC-DC交直流转换、DC-DC直流和直接电压转化(适用于大压差)、电压调节器(适用于小压差)、交流与直流稳压电源。电源管理IC是功率半导体的重要构成部分,全球市场约为功率半导体市场的50%。

信号链芯片:是一个系统中信号从输入到输出的路径中使用的芯片,包括信号的采集、放大、传输、处理等功能。通信和消费类应用是信号链模拟IC的最大用途应用。

2、模拟芯片特点

模拟芯片种类复杂、生命周期长,工艺制程要求低,设计工艺依赖经验积累,需要高知识产权制造工艺支撑。

由于模拟芯片由于下游需求范围广,需要根据下游不同领域进行定制设计,且定制芯片功效发挥与芯片制造工艺相结合。国内大部分芯片厂商需要根据晶圆制造工厂标准工艺进行芯片生产,目前仅有少数国内厂商拥有成熟自主模拟IC制造工艺。

模拟芯片与元器件结合更加紧密,需要考虑元器件布局的对祢结构和元器件参数匹配形式,需要设计人员充分熟悉了解元器件特性、拥有成熟的拓扑结构设计与布线能力,模拟芯片的设计十分依赖工作人员日积月累的经验。

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