讲课视频在线视频

前面我们讲了

集成电路有很多的应用

在生活中的各个方面都有

在我们这门课里面呢

我们只关注数字集成系统

或者说数字系统的实现

我们先来看一下数字系统

都有哪些实现的方法

通常来说

为了去搭建一个数字系统

我们首先来想象一下数字系统是什么样子的

我们最常见的数字系统

就是一个电路板上装载了好多好多的芯片

装载了好多好多的集成电路

能够去完成我们所需要的一个功能

比如说像计算机的主板

或者说这个手机的主板

数字系统

我们说这样的一个板子上装的这个芯片

以及芯片所实现的功能

都是一些基于数字逻辑的功能

为了实现这样的一个数字系统

我们通常有三大类方法来设计、来实现

一个是ASSP

也就是固定标准功能的集成电路来实现

第二种是使用PLD

或者叫可编程器件

用CPLD和FPGA来实现这样的一个系统

第三种方法

是用一些专用的集成电路

顾名思义就是专门为我这个系统的功能

去设计一个集成电路来实现我这个系统的功能

首先我们来看一下ASSP

ASSP顾名思义

是用一些已经具备某些特定的功能的芯片

去搭建我们的数字系统

就好像说我们要建一幢楼房

我们先用已经有的东西

已经有的是什么呢

是一些砖块

一些混凝土构件

用这些东西来搭建我们的数字系统

常见的ASSP有什么芯片呢

例如早期的74系列

74系列以及4000系列的芯片

4000系列是一种CMOS工艺的芯片

其次就是基于双极型工艺的芯片

在这些芯片里面

做了一些简单的功能

比如说简单的D触发器

简单的与非门

简单的非门等等这些门电路

我们作为设计人员

要用这些门电路去把最终的电路搭建起来

用ASSP的好处是什么呢

这些构件种类非常地繁多

非常的多

而且价格非常的便宜

可以采购的来源非常的多

你可以从不同的公司

从不同的网站去采购到你所需要用的芯片

这就是它的好处

而且这些芯片是通用的

用A公司的芯片跟B公司芯片

功能几乎是完全一样的

大家甚至可以做到pin-to-pin的兼容

这是它的优点

缺点是什么呢

集成度非常非常的低

一个74系列的或者是4000系列的标准门电路

它可能只集成了6个非门

或者是6个与非门

只集成了几个门

如果你要去搭建一个几千门几万门

甚至几十万门的电路

是难以想象的

注意

是难以想象

并不是说不可能实现

我们来看一下

这是两个特别简单的芯片

比如说这是一个7400的芯片

它是一个二输入

他集成了四个2输入的与非门

可以用若干个或者几十个

这样的芯片去搭建出一个复杂的系统

用ASSP搭建的系统是什么样子呢

我们来看一下

当我还是学生的时候

我在大学二年级的时候

我们那时候上课就是要用

这样的74系列的芯片去搭出一个系统

怎么搭呢

在一个面包板上去把这样一个电路给搭出来

当然在搭之前自己要先在纸上把思路想好

规划好

你要用哪几个芯片

他们怎么进行连接

去实现你所要实现的（功能）

比如说我们当时做的是一个4位的处理器

应该是个4位的处理器

怎么用

用哪几个芯片

怎么连接，把这个处理器能够实现出来

有了这些想法以后呢

还要去想

这些芯片应该怎么在这些面包板上摆放

然后

怎么连线能够比较方便的连出来

才能够把这个系统给它搭出来

有这些想法以后

最终把这些芯片插在这个电路板上以后

然后就辛辛苦苦的去剪这些线

剪这些黄色的线

把它连好

最终去实现出我们最初脑子里

或者是草稿纸上规划的这样一个电路

大家可以看这样一个电路板上

大概应该有在几十根到上百根线

我们那时候是用两个星期的时间

有时候是每天工作10到20个小时

甚至只睡两三个小时

三四小时去争取把线一次给它摆好

有可能你睡觉以后

第二天已经忘了都布完几根线了

对吧 所以要花好长好长时间

才能把这个板子给它弄好

如果摆好以后

线都摆好了

发现功能不对了怎么办

那就麻烦了

得去找问题在什么地方

有可能是你连线的时候

当时脑子迷迷糊糊地插错孔了

导致电路错了

也有可能是你的设计方案本身是错的

所以这样的电路一旦出现了问题

要去发现这个问题

以及改正这个问题的难度可想而知

这就是ASSP来搭系统的难的地方

ASSP搭这样的电路板

应该说呢

是10年前甚至20年前的事情了

现在的话呢

基本上大家不会再用这样的手段去做这样的事情

那是不是说这个事情就已经没有任何的意义了

还是很有意义的

我们来看一下

这是某个工程师用ASSP搭建的一个数字系统

他搭建了一个计算机系统

在这个计算机系统上能够运行简单的操作系统

能够运行国际象棋和小型的游戏

玩这样的事情

这样的一个计算机就是拿ASSP的芯片搭建起来的

这样一件事是在最近这几年才完成的

这个工程师最近这几年做的这件事

还参加了2009年的一年一度的创业大会

并且得到了很好的反应

虽然这个处理器的指标并不是很高

运算的速度也并不是很高

但是这件事是很有创意的一件事情

我们来看一下它内部的电路

大家可以看到内部的电路非常非常的复杂

有无数的线

密密麻麻的线

所以他这个项目的名字起的很有意思

项目的名字叫Big Mass of Wires

一大堆连线所组成的处理器

他布线的工作量可以想像是非常大

从这里面

我们作为技术人员

我们能发现什么呢

大家仔细去观察一下这些线

这里面还是有学问的

观察一下

在这里面它并没有用

我们在通用的面包板上去用一根线去插

他用到了很多线柱

然后线是绕上去的

这个技术早期的时候

是在航天电子里面才会用的一种技术

是用一种专门的打线机去把线绕在铜柱上

通过这种绕接方式以后

可以让连线的可靠性达到航天级

这种可靠性的要求

这样的话呢

不但这个产品

这个线不容易断

而且线的绕接的抗震能力都非常的高

所以不要看这是一件

很小的性能指标不是很高的一个东西

但是在这里面有个很好的创意

也用到了很高的技术

这种才把这个东西做出来

所以在任何一件小事上

只要我们有想法

都能做出很不错的东西

这个叫Steve的工程师把这个产品给它做出来了

这是这颗处理器的内部的一个局部的结构图

我们可以看到在这一大堆线后面

隐藏的电路还是有一定的复杂度的

因为这虽然只是一个简单的处理器

但是

麻雀虽小五脏俱全

所以里面也包含了

一个处理器所必须要有的运算逻辑单元

必须要有的存储器、必须要有的数据通道

必须要有的输入输出设备

该有的东西它都有了

第二种实现数字系统的方法

就是用可编程逻辑器件了

这也是目前或者说当前

我们工程师最多最常见的手段

PLD从技术手段来说

又分为CPLD和FPGA

在小规模的数字系统里面

我们通常会用CPLD去实现

对于大型的数字系统

我们会用FPGA

FPGA顾名思义

它是一种可编程器件

能够实现从几十门

几百门 几千门 几万门

一直到现在FPGA能实现上千万门的数字系统

而且它的接口也包含了各种各样的通信接口

比如和存储器连接的DDR2

DDR3的接口

和网络通信相连的以太网接口

和硬盘 USB外设相连的接口等等都有

内部还有一些快速处理的数字模块

所以理论上用FPGA已经可以实现

我们所要实现的任意功能的数字系统了

包括像我们现在

如果说得夸张一点的话

哪怕像英特尔这样的一个处理器的功能

也可以在一颗FPGA里面去实现它

这是它的优点

缺点是什么呢

FPGA的价格非常昂贵

像刚才我所说的这样一个几千万门的FPGA

它的价格会达到数千甚至上万

也就是说

FPGA要去实现一颗消费类的产品

在价格上可能很难实现

它主要用在科研领域里面

去验证一个电路的设想对不对

这是最常见的使用场所

另外

在一些能够承受高价格的场所里面也会去用

例如

在军工 航天这些领域里

它对价格的承受能力比较强

所以可以用FPGA的产品

除了这两类产品之外

在一些通信领域里

也会去用

通信和消费领域里

比如说以消费领域为例

现在的大屏幕电视

它的生存

它的上市时间压力非常大

因为经常会3个月就要上市一款新的产品

而且产品的生存周期又非常的短

大概只有这个几个月到半年的时间

所以去研发一颗专用集成电路已经来不及了

这时候也会用FPGA去上到消费产品里面去

因为这样的产品的价格承受能力

相对来说会比较高一点

这是FPGA上到这个消费产品的一个例子

在通信领域里

大家都知道

移动公司的基站

遍布各地

基站的密集程度也很高

另外

移动的标准变化也很快

比如说10年前或者5年前

我们大家还在用2G第二代的手机

很快的就是3G

3G还没有用多长时间就已经变成4G了

是吧

现在可能大家又从媒体上知道

马上要开始用5G了

也就是说基站的或者说移动通信的标准

可能每隔两三年就在往上升一代

但是你想移动公司建设的基站

在全中国不说全世界

在全中国都是数十万数百万计

不可能说每上一个新的标准

就把基站全拆掉重换一遍

是吧

这样的重复投资也是难以接受的

所以

在基站里边的数字处理部分

很多也会采用FPGA

这样当产品出现升级的需求的时候

直接在FPGA内部把电路重新更新一遍

就可以实现一个新的功能了

这也是FPGA在工业现场里面

用的比较多的一个例子

FPGA刚才说有它的优点

也有它的缺点

缺点就是价格比较贵

优点是内部的电路可以不断的去改

就像一张白纸一样

你可以不断的去改

发现有问题或者需要升级的时候

去改一下就可以了

实际上

我们从应用角度来说需要一种器件

它又便宜

然后性能又好

总之

我们用户对芯片的需求是永无止境的

所以

我们就要考虑在很多场所

考虑第三种方式

用专用集成电路的方式去实现这颗芯片

专用集成电路

前面我们在讲集成电路发展的时候

讲过一颗专用集成电路的生产和

制造的成本是非常高的

以65纳米为例大概在500万人民币这个量级

注意

这是量级

用这么多钱去造一颗芯片

显然是不可接受的

在消费领域里

比如说我们的mp3

以前一个厂家的mp3的出货量

都是说一年出货量是几十万到几百万件

在这种大批量的使用场景下

用专用芯片就非常合适了

因为专用芯片的特点就是

产品的单件成本非常低

但是

产品的量又要求非常得高

这是用专用芯片的一个最常见的例子

我们总结一下专用芯片的应用

可以这么定义一下

当对一个产品的需求量大概在10万件以上的时候

你就可以考虑去设计一颗专用集成电路了

这样的话

你的产品的平均价格可以做的比较低

这是从价格角度考虑

专用集成电路在另外某些领域里面也可以去用

即使价格很高

大家可以想一想是在什么领域呢

比如说在军用或者航天

以咱们发射神舟飞船（为例）

大家都知道

国内最厉害的卫星是什么

导航卫星是吧

北斗卫星一共也就发射了几颗到十几颗

未来也不会超过100颗

也就是说

在这些卫星上的芯片的需求量

总共也就是几十片到几百片

撑死了就是上千片的需求量

但是为了提高卫星电子产品的性能

寿命以及降低产品的重量

提高它的集成度

从这个角度来说

不管这个芯片价格多贵

你都要去做成芯片

这样才能够满足卫星产品的需求

所以在这些领域里面我们也会去做芯片

这是一个领域

还有一个领域是科学研究领域

比如说

像探测引力波

在做一些电子学的探测实验

这种我们应该说是高能物理方面的一些实验

在这些实验里面的探测器

它所用到的芯片

也不是我们常规芯片所能解决问题的

所以虽然它的需求量非常的少

也要为它去做专用的芯片

在这些领域里

虽然价格非常高

我们还是用专用芯片的方式去解决问题

专业芯片还有另外一个问题

就是它的设计周期

或者说制造周期非常长

如果是用可编程器件的话

设计人员每完成一次更改

做完设计以后

只要花几秒钟几分钟或者几个小时

把设计上传到或者下载到芯片里面

芯片就能实现你所要的功能

但如果是用专用芯片的方式的话

当我们把设计做完以后

送到加工厂去加工

通常需要两个月的时间才能完成加工

然后是后道的封装测试等等过程

也就是说

这都是以月为单位来计的

通常我们一个专用芯片的设计项目

一般都是把它定义成是6个月9个月

到12个月的生产周期

也就是说

你一旦要想去做一颗芯片

你规划时间至少要放出9个月的时间来

这是我们实现数字系统的三种方法

以及各自的这个优点和缺点

最后我们再来对比一下这三种方法

从这张表里面我们可以看得非常清楚

我们可以从它的实现的

规模 性能 价格

灵活性

开发周期和开发成本上逐一的对比

我们顺便还要再提一下开发成本

前面我们没有过度的去强调开发成本

集成电路（产品）对成本来说是非常的敏感的

成本这件事也是非常的复杂

因为一个产品的成本包含很多部分

前面我们强调的

是制造成本

或者说最终产品的BOM成本

实际上在开发过程中

我们还要考虑其他隐性的成本

比如说

我们开发所用的这个人力成本

现在在一个产品的设计过程中

人力成本已经占了很大的比重

会占到整个产品的1/3、1/2甚至1/2以上

因为现在的设计工程师的费用相对来说比较高

如果说针对ASIC

也就是专用集成电路而言

它对工程师的要求非常高

只有一些特别专业的集成电路设计人员

才能满足这个要求

相应地

从事这个行业的人很少

第二

每个人的单位用工成本也非常高

所以造成人工成本很高

这是一个方面

另一方面

是我们所用的设计工具的成本

如果我们用可编程器件进行设计

我们一般是用可编程器件厂家提供的EDA工具

EDA是指电子设计自动化工具

如果我们用Xilinx公司的FPGA芯片

用的一般就是Xilinx的ISE或者是类似的工具

它的价格大概是几万人民币量级

或者是十万人民币量级

但如果我们要去做集成电路设计

那就完全是另一码事了

集成电路设计工具包含一个很复杂的设计流程

有前端工具

后端工具还有一些验证工具等等

这一套工具下来可能要到几百万

甚至上千万人民币这个量级

而且这些工具

我刚才说的几百万到上千万人民币

并不是永久性的能够使用这个工具

而只是一年的License

也就是说

你花了上百万人民币买了这个工具

厂家只允许你使用一年的时间

每年要花这么多钱

所以专用集成电路（设计）

它还有一个门槛

那就是工具的门槛

我们再总结一下

做芯片

如果是做专用芯片

特别是做专业芯片

虽然说现在由于fabless这种模式的出现

导致我们设计的门槛降低了

换句话说

任何人都能做这件事

任何一个学过数字电路

学过硬件描述语言的学生和工程师

你要有一个好的想法以后

你都可以去干这件事

这种门槛降低了

但是真正要把它变成一个产品的门槛

却在逐渐的上升

几方面 一个是EDA工具的价格非常的高

第二个做出产品的制造过程的价格非常的高

就是说制造的这个价格

我们前面讲过非常高

第三个是流程非常的长

需要整个人或者是整个团队

能够把所有的知识都掌握

才能把这件事做成

所以

应该说机会是有的

但是难度也是非常大的