行业资讯

芯人必读 | 读完这篇,终于学会半导体产品分类了!

发布时间:2020-05-07 作者:完美体育(中国)有限公司官网 点击次数:128

内容概要:随着科学技术的快速发展,越来越多近年来,半导体成为大众关注热点。然而,半导体产品的相关概念还有很多读者并不十分清晰,今天我们就来唠叨唠叨半导体产品分类的高新技术产业得到了发展机遇,其中就包括半导体技术。国内上市公司中,也有不少半导体行业上市公司,不过从规模来看...

按产品标准分类

我们先看一下按照国际通行的半导体产品标准方式应该怎么分类。在此标准下,半导体产业可以分成四种类型:集成电路,分立器件,传感器和光电子,这四类可以统称为半导体元件。其中集成电路(Integrated Circuit, 简称IC),又叫做芯片(chip),实际上集成电路,IC,芯片,chip这四个名字都是指一个东西。

图:半导体产品的分类

近年来,半导体被视为发展潜力巨大的市场。实际上,半导体元件也不负众望,在2017-2019年中,全球半导体元件产品的年总销售额均突破4000亿美元,且保持持续增长,具体销售情况如下: 



集成电路再往下分,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,四个细分领域2017-2019年的销售情况如下:

从半导体产品销售情况来看,以市场份额占比来算的话,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,其长期占据全球半导体总销售额 80%以上。

由于集成电路在半导体产业市场规模占比极高,在非行业新闻媒体报道甚至部分专业媒体报道中,他们对这半导体元件和集成电路之间的概念并没有分得这么清楚,常常将集成电路当成“科代表”代指为半导体元件(比如也会把传感器、分立器件等也叫做IC,芯片)。所以在平时一些报道中,大家可以根据上图和前后文的意思来判断文章表达的是哪一类半导体元件。


按照处理信号分类

按照处理信号来分的话,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。那什么叫做模拟信号和数字信号呢?

模拟信号简单点说的话,就是连续信号,也就是信号是连续发出的,比如我们发出的声音就是最典型的正弦波连续信号,连续信号长这样:

 

图:模拟信号

来源:百度百科

其实大自然中大部分信号都是模拟信号。与之相对应的是对离散的数字信号(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。


 

图:数字信号

来源:百度百科

外界信号经传感器转化为电信号后,是模拟信号,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。以智能手机为例,外界的模拟信号如拍照获得的图像、识别所需的指纹或面容等模拟信号通过模拟芯片进行处理,然后通过模转数模块将模拟信号转化为数字信号,再由数字芯片进行处理;处理后的数字信号根据需要也会通过数转模芯片转化为模拟信号进行对外传输。

芯片对信号的处理并不是单纯处理模拟信号或数字信号。芯片里面已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,常见的有运算放大器、数模转换器、锁相环、电源管理芯片、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。大的厂商如德州仪器,模拟芯片产品数量超过 10 万款,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)、微处理器(MPU)及微控制器(MCU)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

这种分类可能最常见,在各大手机发布会上,厂家介绍手机配置的时候我们经常能听到手机采用了7nm芯片、14nm芯片等制程芯片。此处的 7nm、14nm 是指芯片内部的晶体管的栅长,通俗讲就是芯片内部的最小线宽。这种描述就是按照芯片制造工艺来划分的。

 图:全球主要半导体厂商工艺进展

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。截止2019年,国内晶圆代工厂最新先进的制程是中芯国际的 14nm。5nm、3nm、2nm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。另外,三星在3nm制程上也取得了重大突破,它在3nm制程中使用的GAA技术,迈出了3nm制程的重要一步。

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 设计的研发投入约 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,工艺制程并非是越先进越好,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。


按使用功能分类

按使用功能分类应该是半导体元件分类中最复杂,但也是最常用。这个分类用人体器官类比,能更通俗易懂。

(1)计算功能(大脑):这类芯片主要用作计算分析的,和人体大脑类似,可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。

(2)数据存储功能(脑皮):DRAM,SDRAM,ROM,NAND,FLASH等,主要是用于数据存储。

(3)感知功能(五官):主要为传感器,如MEMS,指纹芯片,麦克风MEMS,CIS等,主要通过望闻问切来感知外部世界。

(4)传递功能(手脚):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。

(5)能源供给功能(心脏):电源芯片,DC-AC,LDO等,用于能源供给。


按应用领域分类

按照应用标准分类,半导体元件分为4类,分别是民用级(消费级),工业级,汽车级,军工级。不同级别的应用对半导体元件的工作温度,工艺处理方式都不同。

图片来源:半导体产业园

按设计方式分类

这个分类就是业内人士争得头破血流的"硬""软"之分。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。

图:FPGA和ASIC的对比图

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

看完以上半导体产品分类,现在大家都比较清晰了吗?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,比如针对海思最新5G麒麟985处理器,我们可以说它是一款芯片(产品标准),也可以说它是一款7nm(工艺)消费级(应用领域)的主控(功能)芯片。



分享到: