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半导体分类知识大全

 

 

说起半导体,或许大家心中会有一些疑问,什么是半导体?半导体产品又有哪些?

在此之前,咱们先来了解一下导体。

导体的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流,其导电性很好,称为导体。高价元素(如惰性气体)或高分子材料(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难形成自由电子,所以导电性极差,称为绝缘体。而常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,在常温下导电性介于二者之间。在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素时,导电性能具有可控性,并且,在光照和热辐射条件下,其导电性还有明显的变化,这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子器件。

 

半导体产品的类别应该怎么去区分呢?

按照国际通行的半导体产品标准方式进行分类,半导体可以分为四类:集成电路,分立器件,传感器和光电子器件,这四类可以统称为半导体元件。

 

 

下面的数据统计了在2017-2019年中全球半导体元件产品的年总销售额,可以发现每一年的销售额都突破4000亿美元,并且持续增长: 

 

 

集成电路又可以分为模拟电路、微处理器、逻辑电路、存储器四个细分领域,这四个领域2017-2019年的销售情况如下:

 

 

从半导体销售额中的市场份额来看,在整个半导体产业中集成电路无疑是产业核心,作为半导体产业中最大的消费领域,其长期占据半导体总销售额 80%以上。由于集成电路在半导体产业市场规模占比极高,所以很多人对半导体元件和集成电路之间的概念并没有分得这么清楚。其实半导体产品的分类方式有很多,买球赛的网站可以从以下几个方面进行探讨。

 

 

按照处理信号分类

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处理模拟信号的芯片叫做模拟芯片,处理数字信号的芯片叫做数字芯片。那模拟信号和数字信号又是什么呢?

信号是反映消息的物理量,例如工业控制中的温度、压力、流量、自然界的声音等,因而信号是消息的表现形式。由于电信号容易传播、处理和控制,人们常将非电的物理量通过各种传感器转换成电信号,以达到提取、传送、交换、存储等目的。信号的形式是多种多样的,例如:根据信号是否具有随机性分为确定信号和随机信号,根据信号是否具有周期性分为周期信号和非周期信号,根据对时间的取值分为连续时间信号和离散时间信号等等。

模拟信号在时间和数值上具有连续性,即对应于任意时间t均有确定的函数值u或i与之对应,简单地理解模拟信号就是连续信号,比如买球赛的网站发出的声音就是最典型的正弦波连续信号,如下图所示:

 

 

与模拟信号不同,数字信号在时间和数值上均具有离散性,电压或电流的变化在时间上不连续,总是发生在离散的瞬间。离散的数字信号(如用 0 和 1 两个逻辑电平来表示的二进制码)进行算术和逻辑运算的集成电路,其基本组成单位为逻辑门电路。

 

 

大多数物理量所转换成的电信号均为模拟信号。外界非电物理量经传感器转化为电信号后,在模拟芯片构成的系统里进行进一步的放大、滤波等处理。处理后的模拟信号既可以通过数据转换器输出到数字系统进行处理,也可以直接输出到执行器。芯片对信号的处理并不是单纯处理模拟信号或数字信号。芯片里面有既能处理模拟信号的部分,也能处理数字信号的部分。分类的重要标准是元件对哪种信号占比更大,如果处理模拟信号的部分多一些,就叫做模拟芯片,反之叫做数字芯片。

模拟芯片产品种类多,常见的有集成运算放大器、数模转换器、乘法器、集成稳压器、定时器、信号发生器、比较器等,每一类产品根据客户对产品性能需求的不同会有很多个系列的产品。单一产品往往可以用在不同客户、不同领域,模拟芯片生命周期很长,终端客户需求稳定,周期性很弱。

数字芯片是近年来应用最广、发展最快的IC品种,可分为通用数字IC和专用数字IC。通用IC是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路,如存储器(DRAM、Flash等)、微型元件(微处理器MPU、微控制器MCU、数字处理器DSP等)、逻辑电路(门阵列、显示驱动器等)等,反映了数字IC的现状和水平。专用IC(ASIC)是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。

 

 

按照制造工艺分类

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这种分类可能是买球赛的网站最为常见的,比如时常听到的14nm芯片、7nm芯片等就是按照制造工艺来划分芯片的。此处的7nm、14nm 是指芯片内部晶体管栅极的最小线宽(栅宽),下图展示国际上芯片制造工艺的进展。

 

 

工艺制程反映半导体制造技术先进性,从当前的制程工艺发展情况来看,一般是以28nm为分水岭,来区分先进制程和传统制程。小于28nm的制程被称为先进制程。5nm、3nm等制程目前还没有进入量产阶段,能进入这几个制程节点的企业不多,台积电和三星是目前仅有量产计划的企业,据悉两家企业在2020年会陆续推出5nm制程芯片。

一般情况下,工艺制程越先进,芯片的性能越高,但制程先进的芯片制造成本也高。市调机构指出,通常情况下,一款 28nm芯片的设计研发投入约 1-2 亿元,14nm 芯片约 2-3 亿元,研发周期约 1-2 年。现在工艺制程的发展已经逼近极限,从平衡成本和性能上来考虑,工艺制程并非越先进越好,而是选择合适的更好。不同种类的芯片在制程最优选择上会有差异,比如数字芯片对先进制程要求高,但是模拟芯片则不一定。

 

 

按照使用功能分类

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此种分类方式应该是半导体元件分类中最复杂,但也是最常用的方式。

一、计算功能

这类芯片主要用来计算分析的,和人体大脑类似,分为主控芯片和辅助芯片。主控芯片中有CPU/SoC/FPGA/MCU,辅助芯片有主管图形图像处理的GPU和主打人工智能计算的AI芯片。

 

二、数据存储功能

DRAM,SDRAM,ROM,NAND等,主要是用于数据存储。

 

三、感知功能

主要为传感器,如MEMS,指纹芯片,CIS等,主要通过望闻问切来感知外部世界。

 

四、传输功能

蓝牙、wifi,NB-IOT,宽带,USB接口,以太网接口,HDMI接口,驱动控制等,用于数据传输。

 

五、能源供给功能

电源芯片,DC-AC,LDO等,用于能源供给。

 

 

按照设计方式分类

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以设计方式分类,当今的半导体设计有两大阵营:FPGA 和 ASIC。其中FPGA发展在先,目前仍是主流应用。

简单来说FPGA是通用可编程逻辑芯片,可以DIY编程实现各种各样的数字电路;ASIC是上文所说的专用数字芯片,设计好数字电路后,流片生成出来的是不可以更改的芯片。前者的特点在于可重构定义芯片功能,灵活性强;后者的专用性强,一般是针对某一特定应用定制开发。

 

 

两种芯片都是随着半导体工艺发展和物联网应用需求而来,从几十纳米到现在的7纳米制程,性能都在不断提升。应用方向差异却逐渐明显:FPGA在上市速度、一次性测试成本、配置性上表现突出;而ASIC在运算性能、量产成本上远胜于FPGA。不过,因为ASIC 是固定的电路,如果设计更新,新一代芯片就要重新设计,定模,加工。双方算是各有所长。

 

 

小结

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看到这里,相信大家对半导体产品分类都有了比较清晰的认知,但还要特别注意的是,各个分类之间是相互独立的,半导体产品根据不同的分类方式有不同的定位,形容一款半导体产品时,可以根据场景的需要采用不同的分类方式,也可以采用多种分类方式同时描述一款芯片。