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中国芯片的“国产替代”

2020-02-10
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3d杀号_[官网首页]2019年的中美贸易摩擦问题也给电子行业带来了很大的影响。而这种状态和还一直持续,但中国的半导体已经朝着“新的方向”前进。在本文中,笔者会列举出相应的事例。


需要说明一下的是,中国半导体的这种明确的方向以前就有了,只不过这在2019年尤其显著,随着2020年的到来,其半导体的发展速度应该会越来越快。


从一个高级无人机看到的


图1是中国的DJI(大疆创新)销售的新型无人机――“Mavic Mini”。3d杀号_[官网首页]这款无人机虽然轻巧、小型,却拥有较高的性能,并一度引起人们的关注。3d杀号_[官网首页]内含1个Flight Body(飞行体,机体)、2个Wireless Controller(无线控制器)。机身一侧有驱动电机、用于控制的控制器芯片(Controller Chip)、用于驱动电机的功率(Power)半导体、摄像头一侧有处理器(Processor)和控制3轴平衡环(Gimbal)的电机控制器(Motor Controller)。另有4个用于驱动的电机、3个用于摄像头的电机,合计7个。

此外,Wi-Fi 芯片负责跟无线控制器进行通信。负责机身功能的半导体芯片合计33个(包括功率半导体)。

图1:中国的DJI(大疆创新)的“Mavic Mini”的外观和基板。(图片出自:eetimes.jp)

可以说这个高级无人机就是芯片的“聚集体”。这里的“33个芯片”是不少的数量!同样我们来数一下其他产品,Apple的“iPhone11”为31个,Google的“Pixel 4”为35个,因此可以说无人机也是大量运用半导体的领域。
 
智能手机和无人机都有摄像头处理器(Camera Processor)、控制器,但是它们的功能却迥异。虽然汇集了不少传感器,智能手机和传感器的区别在于:智能手机大量搭载了用于通信、音频的功率半导体;而无人机却搭载了大量的驱动电机的功率半导体,它们的区别就在这里。如果画一幅系统图的话,它们几乎是一样的。只是功率半导体方面的不同。

图1右侧的控制器上配备有微控制器(Micro Controller)和用于通信的芯片,此处的微控制器将按钮(Button)、操纵杆(Stick)的动作转换为数字模式。下面我们专注看看控制器一侧的微控制器。

和STM32系列兼容的微控制器


图2是控制器一侧的微控制器的封装(Package)特写图(Close-up)、芯片被开封后的照片。其产品名字被隐藏起来了,即搭载了“中国XX公司”的“XX32F030”这一微控制器。

这款微控制器芯片不仅可以应用于无人机,据说在其他领域也在推进其应用。说起DJI,可以说是中国的具有代表性的厂家。3d杀号_[官网首页]据在半导体行业里拥有丰富的技术人员判断:“XX32F030”被DJI的产品采用,因此可以断言这款微控制器完全符合业界标准。这款微控制器的数据单(Data Sheet)、规格书都十分明确,它的功能如图2右上角写的一样。

图2:Mavic Mini的用于控制器的微控制器。(图片出自:eetimes.jp)

一针见血地说,“XX32F030”是STMicroelectronics的“STM32F030”代替产品!

这个产品与STM的同类产品相比又如何呢?

图3是对开封后的STM32F030与XX32F030做的比较,下图明确地写着“兼容产品STM32F030”。

图3:Mavic Mini的用于控制器的微控制器是STMicroelectronics“STM32系列”的兼容微控制器。(图片出自:eetimes.jp)

STM32F030是一款应用事例极其广泛的产品。可以用于很多领域,可以说是一款通用型微控制器。搭载了Arm Cortex-M0 Core的、紧凑型(Compact)的微控制器,刮去上面的硅,并用显微镜来观察的话,清晰地刻着其年份――“2011”,也就是说,这是一款在9年之前就已经“登场”的芯片。

这是STMicroelectronics(意法半导体)利用其180nm工艺技术生产的低成本(Low Cost)产品,硅的面积约为7mm2。

但正如图3中硅的照片,为了看清内部的线路,因此去掉了所有的线路层。芯片的左侧由存储(Memory)、模拟(Analog)线路构成。与STM32F030相比,兼容芯片“XX32F030”是利用130nm工艺生产的,面积约为3mm2。

如果产品的面积较小,就会有如下优势。同样尺寸的晶圆,芯片面积小的话,取数更多(虽然130nm的生产成本比180nm要稍高),因此生产成本更低。此外,芯片尺寸较小的话,其内部的信号距离变短,具有削减电力、提高周波数、降低电压的效果。实际上,与STM32F030的规格相比,“XX32F030”略胜一筹。
 
也就是说,DJI的控制器上搭载了我们上文中提到的兼容微控制器。这样的兼容微控制器正在逐步推广使用――这就是我们在文章开头中提到的“新的方向”。
 
笔者并不是为了否定兼容芯片而写了本篇文章。笔者只是想让大家知道“的确存在这样的事例和事实”,因此执笔写了此文。
 
实际上,电子行业的技术其实很少存在所谓的“本家(Original)”,到处都是兼容、复制、类似品。虽然很容易拒绝、否定以上这些,但是兼容和类似品是改善、改良的捷径之一,我们无法否定的是“它们具有明确的发展方向”。要生产像微控制器这样的系统芯片(System Chip),需要很好地理解、开发微控制器,然后才可以量产,如果没有较高的能力,是无法完成的!

XX32F030是通过完全不同的工艺得以设计的,其时序(Timing)和功能都是通过独特的配置设计的,可以说几乎是从零开始设计并生产的。

此外,Mavic Mini的用于电机的微控制器不是Arm的Core,而是采用了中国的C-SKY的Core。Mavic Mini搭载了中国独自研发的CPU,这也不可忽视。

兼容芯片是“成功的证明”


图4不是上述的“中国XX公司”,而是中国GigaDevice(兆易创新)的事例。GigaDevice的产品被用于串列式快闪记忆体(Serial Flash Memory)的事例较多,是中国应用事例最广的半导体厂商之一。举一个兆易创新的身边的例子,带有噪声消除器(Noise Canceller)的无线耳机于2019年发售,如今仍在火爆销售中。

图4:GigaDevice(兆易创新)的兼容微控制器的推广。(图片出自:eetimes.jp)

GigaDevice(兆易创新)在其存储技术方附加了Arm 的Core和模拟的电路,这和STMicroelectronics在数年前发布的的“STM32F1系列”和“STM32F4系列”的兼容,现在也已经被很多产品搭载。
 
在笔者看来,兼容芯片的出现,正是通用产品得以实证的证据!实际上,STMicroelectronics的STM32系列正式是因为把Arm微控制器当作标准并灵活应用,才诞生了兼容芯片。
 
笔者认为:“只有诞生兼容芯片,才能证明原始芯片的成功”!x86、存储半导体都是在诞生了多个兼容芯片的情况下,获得成功的。此外,利用兼容芯片可以开拓新的市场,扩大目标市场、应用市场。

如果要说“STM32系列”,笔者在此想说:“多亏了STMicroelectronics的辛苦的努力、Arm生产的微控制器促进了兼容芯片的诞生”。

除了瑞萨电子、Microchip Technology(美国微芯科技)等“微控制器的霸主”之外,其他还有很多。但是,2020年应该不会诞生可以取代瑞萨这些公司产品的兼容芯片。所谓的不会诞生,指的是其他公司短期内无法扩大其产品的构架。

采用RISC-V ,进一步扩大市场


图4右侧是GigaDevice(兆易创新)如今在售的微控制器――“GD32VF103”。与STMicroelectronics的“STM32F103”相比,追加了一个字母“V”,这是因为内部的CPU从Arm的Core改为了RISC-V Core!
 
关于RISC-V,此处由于文章字数缘故,不做详细叙述,作为开放的CPU,而被很多公司采用。笔者所在的公司(TechanaLye)也是RISC-V的“白银赞助单位(Silver Sponsor)”,虽然微不足道,但也在为RISC-V的开发贡献微薄力量。

GigaDevice(兆易创新)开发了采用了RISC-V Core的CPU,进一步扩展了兼容芯片的世界。未来这样的产品还会在全球范围内增加。

图5是分解了在“悬浮在空中的地球仪”系列中有名的悬浮产品的照片,其内部只由通用半导体、功率半导体构成。乍一看,搭载了美国Texas Instruments(TI,德州仪器)的通用运算放大器(OP-amp)――“LM324”,因此就判断是TI的产品吗?此外,我们肉眼也可以看到TI的公司标志!

图5:分解了“悬浮在空中的物体”的照片。(图片出自:eetimes.jp)

图6是放大了的封装、公司标志的图片,虽然用肉眼看不太清,但是放大后就一目了然。作为兼容芯片,其功能也不言而喻。

图6:放大了的芯片公司标志(Logo)、封装图片。虽然肉眼看起来似乎是TI的产品,但是,放大后,完全不是TI产品。(图片出自:eetimes.jp)

2020年已经过去一个月,在2020年里,笔者将会继续入手一些人气产品,并进行分解,为把“Black Box”变为“White Box”而努力!


来源:半导体行业观察编译自「eetimes.jp


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