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芯片的主要分类?各类芯片的主要功能?处理器类芯片和逻辑芯片的区别

芯片(Chip),全称为集成电路芯片(Integrated Circuit, IC),是一种将大量的电子元件(如晶体管电阻、电容等)高度集成在一块微小的半导体基片(通常是硅)上的微型电子器件。芯片就像一个超小型的“电路工厂”或“大脑”,它可以执行运算、存储数据、控制设备等功能,是现代电子设备的“心脏”。

芯片的构成:

  • 材料:主要是硅(Si),也有使用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等新材料。
  • 内部结构:微观上包含数千到数十亿个晶体管
  • 封装:将芯片保护起来并提供外部连接的外壳(如BGA、QFP封装等)。

芯片的主要作用:

功能类型 说明 举例
运算处理 执行各种计算和逻辑操作 CPUGPUAI芯片
数据存储 保存短期或长期数据 内存(RAM)、闪存(Flash)
信号转换/控制 模拟与数字信号之间的转换、控制设备工作 ADC/DAC、传感器芯片
通信功能 支持无线、有线通信 Wi-Fi芯片、5G基带芯片
电源管理 控制电压电流,确保稳定供电 PMIC(电源管理芯片

芯片(也称集成电路,IC)按功能和应用可以分为多种分类方式。以下是几种常见的芯片分类方式及其对应的主要类型:


一、按功能分类

强调“芯片干什么”,例如是用于处理数据、存储信息、通信还是供电。

1. 处理器类芯片(Processor Chips)

  • 中央处理器CPU:计算机的核心,用于执行指令(如Intel、AMD、苹果M系列)。
  • 图形处理器(GPU:专门处理图像和图形运算(如NVIDIAAMD、Intel Arc)。
  • 数字信号处理器(DSP):用于音频、视频、通信等信号处理。
  • 神经网络处理器(NPU):针对深度学习推理和训练设计的加速器。
  • 微控制器MCU):集成CPU、内存和外设,适合低功耗嵌入式控制。
  • 现场可编程门阵列(FPGA):可编程硬件逻辑,灵活实现定制逻辑和计算。
  • 专用集成电路(ASIC):针对特定应用定制设计,性能和效率最优
  • 信号处理器(SP):介于CPU与DSP之间,专注于特定信号处理任务
  • AI芯片(NPU/TPU):专门用于人工智能推理和训练(如谷歌TPU、华为昇腾、苹果神经网络引擎)。
  • 安全处理器:专注于数据加密、安全启动和安全存储。
子分类 功能简介 代表芯片/厂商举例 主要应用场景
中央处理器CPU 通用计算核心,执行操作系统和各种软件指令 Intel x86系列、AMD RyzenARM Cortex系列 个人电脑、服务器、手机、嵌入式系统
图形处理器(GPU 专注于图形渲染与大规模并行计算,也用于AI加速 NVIDIA GeForce、AMD Radeon、Intel Arc 游戏图形渲染、深度学习训练、科学计算
数字信号处理器(DSP) 专门优化数字信号处理任务,如音频、视频和通信信号实时处理 TI C6000系列、ADI Blackfin、Qualcomm Hexagon 通信设备、音视频编码、雷达系统
神经网络处理器(NPU) 针对深度学习推理和训练设计的加速器 谷歌TPU、华为昇腾、苹果Neural Engine AI推理服务器、智能手机AI加速
微控制器MCU 集成CPU、内存和外设,适合低功耗嵌入式控制 STM32、ESP32、8051系列 智能家居、工业控制、物联网设备
现场可编程门阵列(FPGA) 可编程硬件逻辑,灵活实现定制逻辑和计算 Xilinx、Intel(Altera 通信基站、工业控制、加速器、原型设计
专用集成电路(ASIC) 针对特定应用定制设计,性能和效率最优 比特币矿机芯片、视频编码芯片 加密挖矿、视频处理、加速器
信号处理器(SP) 介于CPU与DSP之间,专注于特定信号处理任务 各类定制芯片 语音识别、图像处理
安全处理器 专注于数据加密、安全启动和安全存储 ARM TrustZone、TPM芯片 支付终端、安全设备、服务器安全

补充说明:

    • CPU 是最通用、最基础的处理器;
    • GPU 擅长并行计算,适合图形和AI
    • DSP 适合高效处理实时信号;
    • NPU 是专门针对AI计算的处理器;
    • MCU 适合嵌入式低功耗应用;
    • FPGA 灵活可编程,适合多变的硬件逻辑需求;
    • ASIC 专用定制芯片,性能最高但不可更改。

2. 存储类芯片(Memory Chips)

  • 随机存取存储器RAMRAM用于临时存储数据,具有快速读写速度,但不具备数据持久性。主要有:

SRAM(Static RAM):速度快,用于高性能应用,例如缓存。
DRAM(Dynamic RAM):存储密度高,用于主存储器
SDRAM(Synchronous Dynamic RAM):与系统时钟同步工作,提高性能。

  • 只读存储器ROM:如Flash、EEPROM,保存固件或启动信息, ROM用于存储固定的数据和指令,不可随意修改。主要有:

Mask ROM在制造过程中写入数据,不可擦写。
PROM(Programmable ROM:可以用户编程一次,不可擦写。
EPROM(Erasable Programmable ROM):可以擦写和重新编程,使用紫外线擦写。
EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM):可以电擦写和重新编程。

  • 闪存(Flash Memory:如NAND Flash,用于U盘、SSD。闪存用于存储数据和程序,具有擦写和重写功能,主要有:
    • NOR闪存用于执行代码,具有较快的读取速度。
    • NAND闪存用于数据存储,具有高密度和较低成本。
  • 磁盘存储器 磁盘存储器用于长期数据存储,包括硬盘驱动器(HDD)和固态硬盘(SSD)。
  • 光盘存储器 光盘存储器用于存储大容量的数据,包括CD、DVD和蓝光光盘等。
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3. 通信类芯片

  • 基带芯片:处理手机中的通信协议(如高通的Snapdragon基带)。
  • 射频芯片(RF Chip):实现无线信号的发送与接收。
  • Wi-Fi/蓝牙芯片:无线连接功能的核心部件。

4. 电源管理芯片(PMIC)

– 是一种集成电路,专门用于管理和控制电力传输、转换和分配。功率芯片在电子设备中起到调整电压、电流和功率的作用。控制电压、电流供应,保证设备稳定运行。

  • 稳压器芯片 稳压器芯片用于调整电源输出的电压稳定性,保持恒定的输出电压,以满足电子设备对电压的要求。
  • 开关电源控制芯片 开关电源控制芯片用于控制开关电源的开关操作,实现高效的电能转换。
  • 电池管理芯片 电池管理芯片用于监测和管理锂电池等电池的状态,包括电压、电流、温度等,以保证电池的安全性和性能。
  • 电流传感器芯片 电流传感器芯片用于测量电路中的电流,广泛应用于电流检测和电能计量。
  • 功率因数校正芯片 功率因数校正芯片用于改善电源的功率因数,提高电能利用效率。
  • 驱动芯片 驱动芯片用于控制电机、电磁阀、LED等电子元件,实现精确的电能控制。
  • 放大器芯片 放大器芯片用于放大电信号,广泛应用于音频放大、功率放大等领域。
  • 热管理芯片 热管理芯片用于监测和控制电子设备的温度,以防止过热和损坏。

5. 接口与控制芯片

  • 如USB控制器、PCIe控制器、I/O接口芯片、桥接芯片等。

三、按应用场景分类

  • 消费电子芯片:用于手机、平板、电视等(如苹果A系列、联发科)。
  • 汽车电子芯片:如车规级MCU、ADAS芯片
  • 工业控制芯片:用于PLC、机器人控制器等。
  • 网络通信芯片:如交换芯片、路由器SoC。
  • 物联网芯片(IoT):低功耗、支持多协议通信(如ESP32)。
  • 传感器芯片 传感器芯片用于检测环境中的物理量,如温度、湿度、光照等,广泛应用于物联网设备、汽车等领域。

 

汽车芯片
汽车芯片

四、按电路结构(集成度)详细分类

电路结构分类基础上,细化各类芯片,并特别把“逻辑芯片”细分进去,形成一个更完整、更详细的芯片电路结构分类体系。

大类 子类 特点与功能 代表芯片/应用举例
数字芯片 逻辑芯片

(Logic IC)

基于数字逻辑电路,处理数字信号,

执行逻辑运算

门电路芯片(AND、OR、NOT等)、触发器、计数器、

多路复用器、解复用器、PLD、CPLD、FPGA

通用处理器 执行通用计算任务,软件可编程 CPU(Intel、AMDARM)、GPUNVIDIAAMD
数字信号处理器 针对音频、视频和通信信号进行实时数字处理 DSP(TI、ADI)
存储器芯片 存储数字信息 DRAM、SRAM、Flash、EEPROM
可编程逻辑器件 用户可配置的逻辑电路,适合原型设计和定制 FPGA、CPLD、PLD
专用集成电路(ASIC) 针对特定应用定制设计的数字芯片 挖矿芯片、视频编解码芯片、网络处理芯片
微控制器MCU 集成CPU、存储和外设的低功耗控制芯片 STM32、ESP32、8051
接口控制芯片 负责外设接口控制和数据传输 USB控制器、PCIe桥接芯片、SATA控制芯片
模拟芯片 放大器 信号放大,处理连续模拟信号 运算放大器、音频放大器
电源管理芯片 电压调节和电源转换 LDO稳压器、DC-DC转换器
传感器接口芯片 连接传感器,信号调理 温度传感器前端、压力传感器接口
模拟滤波器 频率选择、噪声滤除 低通、高通、带通滤波器
混合信号芯片 模数转换器(ADC) 把模拟信号转换为数字信号 音频采集、数据采集模块
数模转换器(DAC) 把数字信号转换为模拟信号 音频播放、控制信号输出
编解码器(Codec) 模拟和数字信号的编解码 音频Codec、视频Codec
数据采集系统芯片 综合模拟输入和数字处理 工业控制、医疗设备信号处理

五、按工艺分类

按工艺分类芯片,主要是根据芯片制造过程中采用的技术和工艺路线来划分。下面是比较常见的芯片按工艺分类的方法及说明:

按工艺分类的芯片划分

分类 特点说明 代表工艺或技术 应用示例
CMOS工艺芯片 以互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造,

功耗低,集成度高

5nm、7nm、14nm、28nm

等先进CMOS工艺节点

大多数数字芯片CPUGPUMCU)、

存储器芯片

BiCMOS工艺芯片 集成了双极型晶体管和CMOS晶体管的混合工艺,兼顾高速度和低功耗 BiCMOS技术 高速通信芯片、射频放大器、高速模拟电路
双极工艺芯片 采用双极晶体管制造,速度快,功耗较高,集成度相对较低 双极工艺 射频放大器、模拟电路、高速逻辑电路
SOI工艺芯片 绝缘体上硅(Silicon On Insulator)技术,提高速度,减少功耗和漏电 SOI技术 高性能处理器、射频芯片
GaAs工艺芯片 砷化镓工艺,电子迁移率高,适合高频高速应用 GaAs晶体管工艺 射频芯片、卫星通信、雷达芯片
SiGe工艺芯片 锗掺杂硅技术,兼具高速和低噪声性能 硅锗合金工艺 射频前端芯片、高速数据转换器
MEMS工艺芯片 微机电系统工艺,用于制造传感器和执行器集成芯片 MEMS微加工技术 加速度计、陀螺仪、压力传感器
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简单解释:

    • CMOS工艺 是目前最主流、最普遍的芯片制造工艺,尤其适合大规模集成电路(VLSI);
    • BiCMOS 结合了双极晶体管和CMOS的优势,适合高速和模拟混合电路;
    • 双极工艺 速度快但功耗高,主要用于某些高速电路;
    • SOI工艺 在传统CMOS基础上做改进,降低漏电和功耗;
    • GaAs和SiGe 主要用于射频和高速应用领域,属于专用工艺;
    • MEMS工艺 用于制造微机电传感器芯片

六、按封装形式对芯片进行的详细分类

下面是按封装形式对芯片进行的详细分类,封装是芯片制造后将芯片裸片封装成成品的过程,不同封装形式影响芯片的尺寸、散热、电性能和应用场景。

芯片按封装形式分类

封装类型 结构特点 代表封装形式缩写 主要特点及应用
DIP(双列直插封装) 两排引脚直插电路板,方便插拔 DIP 传统封装,方便手工焊接,适合原型开发和教学
SOP(小型封装) 表面贴装封装,引脚从两侧伸出 SOP、SSOP、TSSOP 体积小,适合自动贴装,广泛用于中小规模芯片
QFP(四方扁平封装) 四边引脚扁平封装,适合高引脚数 QFP、TQFP、LQFP 引脚多,便于高速信号,适合CPU、FPGA等芯片
BGA(球栅阵列封装) 芯片底部有焊球排列,面积小,散热好 BGA、FBGA、CSP、WLCSP 高引脚数,散热和电性能优异,广泛用于高端芯片
QFN(无引脚扁平封装) 封装无突出引脚,接触焊盘在封装底部 QFN、MLF 尺寸小,电气性能好,适合移动设备和射频芯片
SIP(单列直插封装) 单列引脚直插封装 SIP 用于模块化设计,较少见
COB(芯片贴装封装) 芯片裸片直接粘贴在PCB上,通常加保护层 COB 低成本,小批量,功率较低的应用
芯片尺寸封装(CSP) 极小尺寸封装,几乎和裸芯片尺寸相同 CSP 适合超小型移动设备
球栅阵列变种(如FBGA、BGA) 在BGA基础上的改进版,提高性能和可靠性 FBGA、EBGA、LBGA 用于高性能微处理器、显卡芯片

简单说明:

    • DIP封装 方便手插式插拔,多用于早期和学习实验;
    • SOP/QFP 适合中小规模引脚数量的芯片,表面贴装,广泛应用;
    • BGA 是高端芯片的主流封装,解决了高引脚数和散热问题;
    • QFN 体积小且性能好,移动设备常用;
    • COB 成本低,适合批量小的产品;
    • CSPWLCSP 是更先进的微型封装技术,适合超小型高性能芯片

七、按制造工艺节点的芯片分类

制造工艺节点(也称“制程”或“工艺制程”)分类,是以**晶体管尺寸(通常以纳米 nm 为单位)**划分芯片等级和类别的方式。工艺节点越先进,代表晶体管越小,单位面积集成的功能越多,功耗更低,性能更强。

工艺节点(nm) 应用阶段 / 芯片代表 特点与用途 应用场景
≥90nm(成熟制程) MCU、模拟IC、传感器、汽车芯片 成熟、成本低、良率高,适合不追求高性能的芯片 家电、工业控制、汽车、模拟芯片
65nm / 55nm 入门SoC、通信IC、电源管理芯片 仍属成熟制程,但适合中等集成度逻辑芯片 IoT、低端智能设备
40nm / 28nm 中端SoC、基带芯片、图像处理芯片 较强性能与低功耗平衡,仍广泛用于中高端应用 手机、车规芯片、边缘AI设备
22nm / 16nm 中高端移动芯片GPU、FPGA 性能提升明显,引入FinFET技术,功耗降低 高端智能手机、边缘服务器
10nm / 8nm 高端手机芯片、部分AI芯片 性能/功耗进一步优化,但设计难度和成本大幅上升 高性能SoC、图像/AI处理
7nm 高性能CPUGPU、NPU、5G芯片 广泛商用节点,TSMCSamsung主导,性能功耗优异 旗舰级智能手机、服务器、AI推理
5nm 苹果A14/A15/M1,华为麒麟9000等 当前主流先进制程之一,密度与能效再突破 高端手机、笔记本、AI计算
3nm 苹果A17 Pro,台积电N3平台 更先进的FinFlex技术,速度提升约10-15%,功耗降低近30% 高端移动设备、超低功耗计算
<2nm(研发阶段) IBM、Intel、TSMC 正在开发 使用GAA晶体管(环绕栅极),预计进一步突破摩尔定律瓶颈 下一代AI芯片量子计算前沿

工艺节点与技术演进

工艺节点代际 核心技术 代表技术路线
≥28nm 平面CMOS 成熟传统工艺
22–16nm FinFET(三栅极晶体管 由Intel首推,TSMC广泛采用
7–3nm 高密度FinFET + EUV光刻 台积电N7/N5/N3、三星GAA
2nm以下 GAA(全环绕栅极) 环绕式晶体管IBMTSMC领先

常见制程与典型芯片

工艺节点 代表芯片
5nm 苹果M1/M2/A14、麒麟9000
7nm AMD Ryzen 3000系列、Snapdragon 865
10nm Intel Ice Lake
28nm 联发科入门SoC、NXP车规MCU
90nm STM32F1、8051控制器芯片

小结:

    • 28nm以上:成熟工艺,适合模拟、控制类芯片,成本低;
    • 16–7nm:适合高性能计算、高速接口、移动终端;
    • 5nm及以下:旗舰SoC与AI芯片主力工艺;
    • <2nm:前沿研发阶段,向量子与新材料技术探索。

明确需要造的芯片后,就可以开始编写芯片的细节,采用一种叫VHDL的硬件描述语言,是以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言软件,比较常用的两种是Verilog HDL 和VHDL两种语言,用代码写出芯片的功能,形成一份完整的HDL code,但是把代码转化成图,需要用EDA软件,把HDL code一键变成逻辑电路图,再把逻辑电路图通过EDA软件编程物理电路图。目前设计22nm以下的芯片,一定需要购买正版的EDA软件,只有正版出来的物理电路图,厂家才能帮你制作掩膜。工厂识别电路图是需要2次验证EDA正版代码的。

芯片设计全流程 ( Full Chip Design Flow )

硅片制成的芯片是有名的“神算子”,有着惊人的运算能力。无论多么复杂的数学问题、物理问题和工程问题,也无论计算的工作量有多大,工作人员只要通过计算机键盘把问题告诉它,并下达解题的思路和指令,计算机就能在极短的时间内把答案告诉你。这样,那些人工计算需要花费数年、数十年时间的问题,计算机可能只需要几分钟就可以解决。甚至有些人力无法计算出结果的问题,计算机也能很快告诉你答案。芯片又是现代化的微型“知识库”,它具有神话般的存储能力,在针尖大小的硅片上可以装入一部24卷本的《大英百科全书》。

如今世界上的图书、杂志已多达3000多万种,而且每年都要增加50多万种,可谓浩如烟海。德国未来学家拜因豪尔指出:“今天的科学家,即使整日整夜地工作,也只能阅读本专业全部出版物的5%。”出路何在呢?仅有的办法就是由各个图书情报资料中心负责把各种情报存入硅片存储器,并用通信线路将其连接成网。这样,科技人员要查找某种资料和数据时,只要坐在办公室里操作计算机键盘,立即就会在计算机的荧光屏上显示出所要查询的内容。

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微电子芯片进入医学领域,使古老的医学青春焕发,为人类的医疗保健事业不断创造辉煌。微电子芯片的“魔力”还在于,它可以使盲人复明,聋人复聪,哑人说话和假肢能动,使全世界数以千万计的残疾者得到光明和希望。微电子技术在航空航天、国防和工业自动化中的无比威力更是众所皆知的事实。在大型电子计算机的控制下,无人飞机可以自由地在蓝天飞翔;人造卫星、宇宙飞船、航天飞机可以精确升空、飞行、定位,并自动向地面发回各种信息。

在电子计算机的指挥下,火炮、导弹可以弹无虚发,精确击中目标,甚至可以精确击中空中快速移动目标,包括敌方正在飞行中的导弹。工业中广泛使用计算机和各种传感技术,可以节省人力,提高自动化程度及加工精度,大大提高劳动生产效能。

机器人已在许多工业领域中出现。它们不仅任劳任怨,而且工作速度快、精确度高,甚至在一些高温、水下及危险工段工种中也能冲锋陷阵,一往无前,智能机器人也开始显示出不凡的身手。有效的组织配合和强烈的射门意识都令人拍手叫绝。战胜了世界头号特级国际象棋大师。

处理器类芯片和逻辑芯片的区别

这是一个非常常见但又容易混淆的问题,我们来清晰地区分“处理器类芯片”和“逻辑芯片”这两个概念:

一句话区分:

逻辑芯片是一个广义的电路分类,处理器类芯片是逻辑芯片中的一个子集。

逻辑芯片(Logic IC)是什么?

定义:
逻辑芯片是一类以处理数字信号为主的集成电路,主要用于实现各种逻辑运算、控制、判断、数据处理等功能。

逻辑芯片包括:

类型 功能简介
基本门电路芯片(如AND、OR) 实现基本布尔逻辑运算
触发器芯片、寄存器芯片 状态存储与同步控制
计数器、移位寄存器 数据计数和顺序处理
多路选择器 / 解复用器 信号路由控制
处理器类芯片CPU/GPU等) 进行复杂计算、控制、运算,是最复杂的逻辑芯片
可编程逻辑器件(PLD、FPGA等) 用户可配置逻辑,实现灵活硬件功能

本质: 逻辑芯片以数字电路逻辑门(0/1)为核心运算基础,不处理连续模拟信号。


处理器类芯片(Processor)是什么?

定义:
处理器芯片是一种高度复杂的逻辑芯片,能执行一组预定义的指令集(如ARM、x86),用于进行运算、控制、存储和通信等操作。

常见的处理器芯片类型包括:

处理器类型 功能描述
CPU中央处理器 执行操作系统和通用程序
GPU(图形处理器) 图形渲染和并行计算
DSP(数字信号处理器) 音视频处理、通信信号处理
MCU微控制器 嵌入式控制,带I/O与闪存
NPU(神经网络处理器) AI推理加速

处理器芯片往往集成多个子模块:算术逻辑单元(ALU)、寄存器组、控制单元、缓存等。


总结逻辑芯片(Logic IC)和处理器类芯片(Processor)对比表格

项目 逻辑芯片 处理器类芯片
是什么? 用于实现数字逻辑运算的芯片 实现高级计算和控制功能的逻辑芯片
属于谁? 上位分类,包含处理器类芯片 是逻辑芯片的一个子类
复杂度 简单到中等,部分可编程 极高,包含多个子系统
典型代表 门电路、触发器、FPGA、寄存器等 CPUGPU、DSP、MCU
应用方向 控制、判断、数据选择、定时等 操作系统运行、运算处理、控制计算机硬件

举个形象例子:

  • 如果把逻辑芯片比作“各种乐器”,
  • 那处理器芯片就像是“完整的交响乐团”,
  • 都在用逻辑信号演奏,但复杂程度天差地别。

为什么逻辑芯片不被单列为“功能类芯片”?

因为“逻辑芯片”这个词并不能直接说明它的具体功能或应用场景,例如:

  • 一个“逻辑芯片”可能是 CPU,做运算;
  • 也可能是 FPGA,做控制;
  • 还可能是 ASIC,用在比特币挖矿。

所以在实际应用中,人们更习惯按“功能”或“场景”分类(比如“处理器”、“通信芯片”、“AI芯片”),这样更直观,也便于产业分工和市场理解。

  • “逻辑芯片”不是功能分类,而是电路层面的分类术语;
  • 它是数字芯片的核心组成部分;
  • 芯片功能分类中,逻辑芯片的代表(如 CPUGPU、FPGA)已经被分别列在“处理器类”等具体功能类别下了。
  • “逻辑芯片”是一种电路结构分类,它出现在多种功能芯片中(如处理器、控制器、存储器);
  • 同一个芯片可以同时归于多个维度,比如:手机CPU = 处理器类(功能)+ 数字逻辑芯片(电路结构)+ 消费电子(应用场景);

三维芯片分类总览表:

功能分类(做什么) 电路结构分类(怎么做) 应用场景分类(用在哪) 代表芯片/说明
处理器类芯片 数字 / 逻辑芯片 计算机、手机、服务器、汽车等 CPUGPUAI芯片(NPU)、DSP
存储类芯片 数字 / 逻辑芯片 手机内存、SSD、服务器等 DRAM、SRAM、Flash、EEPROM
通信类芯片 模拟 + 数字混合 手机、路由器、基站、IoT设备等 基带芯片、RF射频芯片、Wi-Fi/蓝牙芯片
电源管理芯片(PMIC) 模拟芯片为主 + 数字控制 所有设备供电模块 电压调节器、LDO、DC-DC转换器
接口与控制芯片 数字逻辑芯片 电脑主板、外设、嵌入式设备等 USB控制器、I/O控制器、PCIe桥接芯片
模拟处理芯片 模拟芯片 音频系统、传感器、医疗设备等 运算放大器、滤波器、音频放大器
混合信号芯片 模拟 + 数字混合 数据采集系统、工业控制、音频系统等 AD转换器(ADC)、DA转换器(DAC)、Codec
可编程逻辑芯片 数字 / 逻辑芯片 工控、网络设备、原型验证、加速等 FPGA、CPLD
专用芯片(ASIC) 数字 / 逻辑芯片 挖矿、视频处理、加密、图像识别等 比特币挖矿芯片、视频编解码芯片
传感器控制芯片 模拟 + 数字混合 智能手机、汽车、工业设备 IMU控制器、温湿度传感控制芯片

     

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    1. 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(power IC):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。

    2. 微处理器(MPU)

      1、MPU介绍

      MPU(Micro Processor Unit):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。Intel X86,ARM的一些Cortex-A芯片如飞思卡尔i.MX6、全志A20、TI AM335X等都属于MPU。

      此外,MCU和SoC容易和MPU弄混。

      MCU(Micro Control Unit):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(System on Chip):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。

    3. 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。

      我国厂商在底层架构指令集和IP的设计上比较落后,因此多采用IP授权或指令集授权的方式开发CPU。

      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GPU IP。

      (3)FPGA

      现场可编程逻辑门阵列(FPGA),是一种可以对电路功能进行编程定义的半定制电路。FPGA具有无限次编程的特点,且开发时间短、延迟低、能耗低,被广泛应用在视频图像处理、通信、数字系统模数转换、嵌入式系统等行业。

      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。

    4. 数字IC和模拟IC的区别

      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。

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