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工业4.0时代的智能集成电路(IC)全面分析
时间: 2017-07-14 信息来源: 本站
工业4.0时代的智能集成电路(IC)全面分析

随着信息技术及其产业的迅速发展,当今社会进入到了一个崭新的信息化时代。微电子技术是信息技术的核心技术,模拟集成电路(IC)又是微电子技术的核心技术之一,因而模拟IC成为信息
时代的重要技术发展目标。
   模拟IC包含了纯模拟信号处理功能的电路和AD混合信号处理功能的电路。其技术范围涉及数据转换器(如AD、DA转换器等)、线性和非线性放大器(如运算放大器、射频放大器、对数
放大器、电压比较器、模拟乘法器等)、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器(如线性电压调节器、开关电源控制器等)及其它模拟IC(如驱动器、延迟线、传感器等)。
模拟IC主要被用来对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能,它和数字电路及AD、DA转换电路三者之间的关系,早在1986年就被美国加州大学的Paul.R.Gray教授提出的所谓“鸡蛋
模型”作了形象描述,该模型把它们三者整体上视为一个鸡蛋,而把数字电路视为蛋黄,模拟电路视为蛋壳,AD、DA电路视为蛋清,三者既不相同,又是统一的有机整体。现实世界中的
各种模拟信息经模拟IC采集、放大、变换等处理后,即可得到计算机或数字电路处理所需的信号,从而实现人们需要的信息产品。显然,模拟IC是模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。


   模拟IC在处理模拟信号时,除功率输出级外多数工作在小信号状态,信号频率往往从直流延伸到高频,其工作与数字电路处理信号时工作在开关状态明显不同。加上模拟IC品种繁多,功能
复杂,性能差异巨大,因此,模拟IC在制作工艺、器件结构、电路架构等方面都有区别于数字电路的鲜明个性,主要表现在:模拟IC在整个线性工作区内需具备良好的电流放大特性、小电流
特性、频率特性等;在设计中因技术特性的需要,常常考虑元器件布局的对称结构和元器件参数的彼此匹配形式;由于工艺技术的限制,设计时应尽量少用或不用电阻电容,特别是高阻值电阻
和大容量电容;许多模拟电路要求功率输出,因而电源电压较高;设计自动化程度低,CAD工具和设计参数库精度高,工艺专用性强,工艺线品种变换频繁,工艺控制难等等。所以,模拟IC的核
心技术主要涉及到高速技术、高频技术、低噪声技术、高耐压技术、低功耗技术、大功率技术等。为满足种种技术要求,电路设计和工艺加工必须良好配合。
模拟IC的单片工艺技术主要发展有双极、BiCMOS、CMOS、SiGe,其中双极和BiCMOS工艺使用较普遍。随着CMOS技术水平的提高,在模拟与数字混合电路的加工工艺方面有向CMOS方向发展的趋

势。模拟IC中,多数高速模拟IC的工艺水平为0.5微米左右,一般模拟IC的工艺水平为1-3微米,在先进工艺方面,已开发出0.1微米技术。


   在器件方面,由于应用对模拟IC的要求千差万别,因此,不仅开发出十余大类的模拟IC产品,而且对各类模拟IC又都开发出数百、数千种产品,产品种类和性能水平应有尽有,可满足应用
的不同需要。
   其中,数据转换器是模拟和数字混合信号处理电路,它的模拟电路部分占芯片面积的50%以上。在数据转换器方面,8-14位1-80MHz高速AD技术已很成熟,产品充足,也可见到16位以上
30MHz以上的AD转换器产品。同时在AD转换器中不仅出现集成了多种功能的模拟IC如多路转换器、仪器放大器、采保放大器等AD转换器子系统,而且还将不断把其它模拟IC和各种数

字电路如DSP、存储器、CPU、IO等集成在一起。数据转换器应用广泛,如美国国家半导体公司推出的高性能低功耗AD转换器(如ADC10321具有10位分辨率、20MHz采样速度、单电源工作),可广泛应用于数字机顶盒、电缆调制解调器及CCD输入系统。放大器目前主要采用双极工艺制作,CMOS放大器尽管在功耗、尺寸方面具有优点,但价格太贵,应用受到限制。


   在射频放大器方面,正采用SiGe双极技术,以满足应用的高性能要求。目前放大器正应用于各种手持式通信设备中,要求功耗低。ADI的高性能放大器系列(如:AD8350工作频率达到
1200MHz,在250MHz时噪声系数为6.1dB,具有很高的动态范围、极好的线性度和共模抑制),可有效地应用于通信收发射机、通用增益放大系统、AD缓冲器、高速数据接口驱动器等。ADI还
研制出在带宽、功耗、失真和驱动能力等综合水平很高的放大器如AD8014,它是一种超高速放大器,具有400MHz-3dB带宽,4000Vms压摆率,24ns的建立时间,具有极低的电压和电流噪声,失

真也低,可理想地应用于宽带信号处理。


    集成电路是工业的“粮食”,其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一,是实现中国制造的重要技术和产业支撑。国际金融危机后,发达国家加紧经济结构战略性调整,集成电路产业的战略性、基础性、先导性地位进一步凸显,美国更将其视为未来20年从根本上改造制造业的四大技术领域之首。


发展集成电路产业既是信息技术产业乃至工业转型升级的内部动力,也是市场激烈竞争的外部压力。中国信息技术产业规模多年位居世界第一,2014年产业规模达到14万亿元,生产了16.3亿部手机、3.5亿台计算机、1.4亿台彩电,占全球产量的比重均超过50%,但主要以整机制造为主。由于以集成电路和软件为核心的价值链核心环节缺失,电子信息制造业平均利润率仅为4.9%,低于工业平均水平1个百分点。目前中国集成电路产业还十分弱小,远不能支撑国民经济和社会发展以及国家信息安全、国防安全建设。2014年中国集成电路进口2176亿美元,多年来与石油一起位列最大宗进口商品。加快发展集成电路产业,对加快工业转型升级,实现“中国制造2025”的战略目标,具有重要的战略意义。
  为推动集成电路及专用装备的发展,2000年以来,国家先后出台《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》(国发〔2000〕18号)和《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》(国发〔2011〕4号),设立了电子信息板块国家科技重大专项,指导制定了《电子信息制造业“十二五”发展规划》、《集成电路产业“十二五”发展规划》等,国内集成电路产业发展环境持续得到优化。为进一步加快集成电路产业发展,2014年6月国务院出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》(以下简称《推进纲要》),明确了“需求牵引、创新驱动、软硬结合、重点突破、开放发展”五项基本原则。进一步突出企业的主体地位,以需求为导向,以技术创新、模式创新和体制机制创新为动力,破解产业发展瓶颈,着力发展集成电路设计业,加速发展集成电路制造业,提升先进封装测试业发展水平,突破集成电路关键装备和材料,推动产业重点突破和整体提升,实现跨越发展。2014年9月成立了国家集成电路产业投资基金(以下简称国家基金),基金实行市场化、专业化运作,带动多渠道资金投入集成电路领域,破解产业投融资瓶颈。
为推动“集成电路及专用装备”领域突破发展,实现《中国制造2025》的战略目标,工业和信息化部将会同相关部门在以下几个方面开展工作:一是结合《推进纲要》的落实,加强集成电路产业发展的顶层设计、统筹协调,整合调动各方面资源,解决重大问题,引导产业的合理布局,并根据产业发展情况动态调整产业发展战略。二是引导国家集成电路产业投资基金的实施,支持有条件的产业集聚区设立地方性集成电路产业投资基金,加大金融支持力度,吸引多渠道资金投入,破解产业投融资瓶颈。三是加快提升自主创新能力,推动电子信息板块国家科技重大专项的实施,突破集成电路及专用装备核心技术,统筹利用工业转型升级资金,加大对创新发展和技术改造的支持力度,建设共性技术研究机构,加强标准与知识产权工作。四是继续贯彻落实国发〔2000〕18号、国发〔2011〕4号等产业政策,加快制定和完善相关实施细则和配套措施,重点解决政策落实中存在的问题。五是引导集成电路企业的兼并重组和资源整合,鼓励企业“走出去”,大力吸引国(境)外资金、技术和人才,提高创新发展起点。


   据市场调查公司ICE的对世界ic市场发展走势统计表明,模拟IC的市场占IC产品总市场的份额为:1993年占16%(IC总市场为681.8亿美元),1998 年增加到17.5%(模拟IC市场达191亿美元),

到2002年仍将接近15%左右,到2017年仍将接近(IC总市场为3000亿美元),市场发展平稳,大大降低了生产厂家生产的不稳定性和风险性。

我国改革开放以来,信息产品制造业已经形成了一个比较完整的工业生产体系。面对新世纪的挑战,我国将继续采取大力支持信息产业发展的国策并营造更加良好的技术开发环境,给IC的发
展带来了极好机遇。我们一定要抓住机遇,不断把我国的模拟IC技术推向新水平,为信息化社会的发展创建新功。
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