模拟技术:水静河深
美国是世界半导体工业的发源地,其中硅谷、德州和波士顿三大地区发挥着产业集群效应,西海岸的硅谷以创业精神和风投主导,而东海岸的环波士顿市外缘绕行的128号公路两侧,依托于麻省理工学院和哈佛大学的技术力量,形成微电子、航天、国防等产业的企业集聚,被称为”美国的技术公路“。
东西海岸历来熏陶在竞争的文化中,模拟领域,ADI和MAXIM是典型对标。
2012年,美信的新品牌面世,用一句“IT'S TIME TO BRING ANALOG TOGETHER."来表述对模拟业务又美又自信的决心。
总部位于美国西海岸 San Jose的美信集成,诞生于1983,创始人杰克·吉福德(Jack Gifford)是半导体业界的殿堂级人物。他从播撒创业精神种子的仙童出发,一路参与创立AMD,管理Intersil,再启程创立美信,他持续加大对模拟工艺技术的发展,凭借他对模拟技术的贡献,杰克·吉福德博士被誉为模拟微电子产业的“奠基之父”。

上文的视频,高度概括了美信发展简史。Tunç Doluca,自2005年作为公司第二任CEO以来,引导Maxim从单一制造向更为灵活的混合生产模式转型,成为模拟业界的重要一员。
位于美国东海岸麻省的半导体制造商ADI(亚德诺半导体)公司7月13日表示,将以约210亿美元的价格收购竞争对手Maxim(美信),旨在扩大其在汽车和5G芯片制造领域的市场份额。根据两公司达成的协议,ADI将通过全股票交易收购Maxim,从而使合并后的企业的价值超过 680亿美元。交易完成后,ADI公司现有股东将拥有合并后公司约69%的股份,而Maxim股东将拥有约31%的股份。
Maxim在模拟市场,近5年,可称得上是风口浪尖上的香饽饽,包括ADI、TI、瑞萨在内的多家模拟芯片厂商都与其产生过收购“绯闻”。相比ADI和MAXIM在2015年10月的收购谈判初会到2016年的谈判破裂,此次达成协议堪称“神速度”:从7月12日传出收购可能性到7月13日官宣,仅用了一天,如此迅速达成,还是因为聘礼给得足。
世间万物,分分合合。时光倒转10多年前,半导体行业的流行趋势是分拆。那时企业多为大而全,大企业纷纷将半导体业务剥离出来,飞利浦的半导体业务拆分出恩智浦,西门子的半导体业务酝酿出英飞凌。而近两年来,收购的新闻频频爆出。行业下滑导致企业抱团取暖是一个外部原因,优势互补、强者愈强,则更能增加企业在自己优势领域的实力,在未来竞争中把握话语权。
当今,数字技术已经席卷全球。数字技术和以数字技术为主导的企业,似乎甚嚣尘上,占据了人们身边每个舆论的高光位置。
与数字技术的高调喧嚣不同,模拟技术,是一门水静河深的学问。模拟技术企业往往低调务实,以工匠精神潜心技术研发,在市场拓展和销售收入上稳扎稳打;厚积薄发,在时机成熟时进行战略性动作,就像这次ADI和美信的并购,以及德州仪器之前的几次重要的收购重组。
数 据 越 多,模 拟 越 重 要
在大自然的世界,很多信息都是以模拟的形式存在的,如水流量、风声、温度、光照等等。模拟芯片负责将连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号捕捉并转换成离散信号,才能被数字芯片处理。模拟技术是搭建在物理世界和数字世界之间的桥梁。数字技术产生的数据越多,模拟技术就越重要。
常见的模拟芯片通常包括信号链芯片、智能终端芯片、电源管理芯片、数控/工控装置芯片、信息安全和视频监控芯片等,广泛应用于电脑手机、LED照明、家用电器、智能家居、消费类电子、国防科技、交通运输、安防监控、LED、医疗设备、高清电视等广阔市场。
模 拟 设 计 是 一 门 艺 术
作为连接上述各类物理信息与数字电子系统的媒介,模拟芯片需要制造工艺、电路设计和半导体组件物理的相互配合,在芯片效能及成本上寻求最优化,由于其决定了产品最终呈现质量,因此更为注重组件的特性如可靠度、稳定度、能源转换效率、电压电流控制能力等。

模拟IC设计充满了诸多设计因素的“trade-off”,设计者需要在速度,功耗,增益,电源电压,噪声,芯片成本,设计鲁棒性等功能性能要求之间反复折中,最终做出最合适的设计。这个过程中充满了妥协的艺术。
基于终端应用范围宽广的特性,模拟芯片需要根据下游不同的应用领域进行定制化设计。优秀的模拟芯片厂商一般会根据应用需求定义开发新的产品,构建设计、工艺、应用稳定的产品定义叁角。高端模拟芯片由于应用的需求多样性、复杂性,需要有更复杂、更先进和比较特殊的模拟芯片工艺来支撑。
在技术路线上,模拟芯片验证周期长,无法实现替换,技术内核更偏向于底层,更依赖于工程师的经验,一步一个脚印才能推动取得一定成果。研究模拟芯片的人更像是“老中医”,需要不断揣摩和经验,用时间磨炼积累,只可意会不可言传。大多数最好的模拟设计工程师在模拟领域拥有 20 到 30 年的经验,平均的学习曲线需要10-15年。
模 拟 设 计 比 数 字 更 难
在设计方面,模拟芯片和存储芯片等数字芯片差异巨大:
数字芯片的设计核心在于逻辑设计,可通过软件进行模拟调试;模拟电路的设计核心在于电路设计,需要根据实际产品参数进行调整与妥协。
数字电路的设计辅助工具(EDA)较丰富,而模拟芯片设计的辅助工具远不如数字器件多。模拟电路的设计更依赖于人工设计,对工程师的经验要求也更高。
与数字芯片相比,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称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。
此外,数字电路设计一般是大团队作战,研发周期较短;而模拟电路设计一般是小团队作战,研发周期较长。
模拟信号在时间和值上是连续的,数字信号在时间和值上是离散的,基于这个特点,模拟电路设计在某些程度上比数字电路设计困难。具体原因如下:
模拟设计需要在速度、功耗、增益、精度、电源电压、噪声、面积等多种因素间进行折中,而数字设计只需在功耗、速度和面积三个因素间进行平衡。
模拟电路对噪声、串扰和其他干扰比数字电路敏感得多。
随着工艺尺寸的不断减小,电源电压的降低和器件的二级效应对模拟电路比数字电路的影响严重得多,给模拟设计带来了新的挑战。
版图对于模拟电路的影响远大于数字电路,同样的线路差的版图会导致芯片无法工作。
模 拟 技 术 ”超 越 摩 尔“
当今电子产品层出不穷、争奇斗艳的根本原因,不仅是数字计算技术的飞速提高,也更是模拟技术推陈出新的结果。小巧、省电、娱乐、方便,能够满足消费者这些要求的,正是模拟IC技术。
模拟电路当前呈现出三个突出趋势,即高性能分立器件、模数混合和SoC。随着工艺水平的提高,EDA工具、Foundry工艺PDK的完善以及设计水平的提高,模拟IC正在步入新的发展时代。为了保证最佳的系统性能、最高的可靠性、最小的体积和最低的成本,数字和模拟IC的设计及制造正在趋向于统一的加工平台,由单一的功能电路向系统级电路发展,即SoC。
ADI提出了More Than Moore(比摩尔更多)和Beyond Moore(超越摩尔)的策略,响应了这一趋势。所谓More Than Moore是把芯片和一些主动被动元器件实现系统级的集成,去寻找一个最小化的系统解决方案提供更高的价值,它被称为Multi-Conponent IC,多元集成IC,这种战略性思路与美信在2012年提出的”It's Time to Integrate Analog Together.“的发展方向异曲同工。
模 拟 市 场 稳 步 向 前
基于终端应用范围宽广的特性,模拟芯片市场不易受单一产业景气变动影响,市场波动幅度相对较小,呈现稳步扩张的态势。2018年,全球模拟芯片市场规模为588亿美元,较2017年同比增长10.80%,增速明显高于微处理器、逻辑芯片等其他芯片种类。

据IC Insights,2019年全球模拟芯片排名前十的企业主要为TI(德州仪器)、ADI(亚诺德)、Infineon(英飞凌)、ST(意法半导体)、Skyworks(思佳讯)、NXP(恩智浦)、Maxim(美信)等国际芯片供应商。以上国际模拟芯片供应商销售额占全球模拟芯片市场高达60%,整体呈现寡头垄断态势。


据IC Insights预测,模拟IC有望在未来五年内,在主要集成电路细分市场中增长最为强劲,年复合增长率达到7.4%,超过IC整体市场复合增长率6.8%。预计到2023年,全球模拟芯片市场规模可超800亿美元。增长的主要推动力来自电源管理IC、专用模拟芯片和信号转换器组件的强劲销售,受下游不断增长的通信、工控、汽车电子等需求驱动。5G、AI、IoT、智能汽车等新兴技术的落地和应用,必将给模拟技术带来更广阔的发展空间。
