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达拉斯之旅:体验德州仪器创新与激情

作者:孙昌旭
来源:国际电子商情
日期:2007-03-04 11:43:11
摘要:2005年12月初,我随中国知名电子媒体代表团访问了德州仪器达拉斯总部,在那里看到了一个走过75年风雨历程的老牌半导体厂商仍拥有的创新激情以及它正继续创造的“业界第一”:即将竣工的绿色无污染300mm晶圆厂(65纳米工艺)令人叹为观止、开创视频应用新时代的达芬奇技术令人激动、最新应用处理器带给手机全新的娱乐感受、超低功耗MCU能用半个苹果供电……

如果说12月达拉斯的枫叶美仑美奂,那么德州仪器的最新科技则更是令人惊叹。2005年12月初,我随中国知名电子媒体代表团访问了德州仪器达拉斯总部,在那里看到了一个走过75年风雨历程的老牌半导体厂商仍拥有的创新激情以及它正继续创造的“业界第一”:即将竣工的绿色无污染300mm晶圆厂(65纳米工艺)令人叹为观止、开创视频应用新时代的达芬奇技术令人激动、最新应用处理器带给手机全新的娱乐感受、超低功耗MCU能用半个苹果供电……我们还与这家世界顶级模拟器件厂商的专家一起探讨了模拟世界的未来。

首个通过LEED认证的300mm晶圆厂

德州仪器(以下简称TI)即将投产的最新工厂——Richardson工厂,也是它的第十一个工厂和最大的工厂,采用了最新的高科技以迎合绿色节能的需求,因此它也是目前为止唯一一个通过LEED认证的工厂。该认证是对TI环境保护工作的特殊认可,TI在环保上所做的创新使得该项殊荣名副其实。

该工厂的面积约有25个足球场大,全部使用自然日光,相当于节约了26个网球场的照明电力;其建筑物使用灰尘废物作为建造材料,相当于节约了修建三英里公路所需的混凝土;采用的回收压缩废气相当于每分种吹起22,000个气球,同时还能重新利用废气热量;采用天然雨水,每天回收利用的废水可装满一个水塔;实现100级绝对无尘室,这意味着比医院手术室还洁净1,000倍。

除了采用最先进的绿色节能技术外,它也是用来生产最先进半导体器件的工厂。该工厂生产线将主要生产65纳米的产品。Richardson工厂总投资约为30亿美元。

65纳米中采用的创新技术

TI宣布其65纳米工艺技术已达标并步入量产。与90纳米工艺相比,使晶体管的密度增加了一倍、功能相当的设计占用面积缩小了一半,有源功率减小40%以上,泄漏功率更是比90纳米减小1,000倍。TI在65纳米中采用了独创的新技术SmartRelex电源管理技术,它将智能化的自适应硅芯片、电路设计以及有关软件结合在一起,能在更小的工艺节点上解决电源与性能管理方面的难题。

SmartReFlex技术可在不牺牲整体系统性能的情况下通过密切监视电路速度,进行动态稳压来准确地满足性能要求。“因此,就所有工作频率而言,我们能恰到好处地采用最低的功率。” TI硅技术开发部副总裁Venu Menon表示。其它创新还包括降低空闲功耗,如将SRAM存储区向后偏置,使电压降至极低的保留触发电路,无需重写逻辑或存储内容。

Menon表示,“首批进行65纳米量产的将是为客户定制的用于手机的SoC,其中集成的模拟器件对良率控制提出了很高的要求。通过降低缺陷密度、调节参数漂移等技术,TI已能很好地实现对65纳米工艺的良率控制。”此外,TI还针对不同客户推出多种工艺技术选项:低端65纳米工艺主要是针对手机及便携产品等对功率要求严格的器件,中端65纳米工艺主要针对DSP和通信基础设施的高性能ASIC,而TI高端版的65纳米技术主要用于服务器级微处理器,如为SUN定制的微处理器。

“2005年是90纳米产品增长年,其良率大幅提升,其中SoC的出货量已大大高于纯逻辑产品出货量;而2006年将是65纳米产品的增长年。”Menon预测道。

达芬奇技术将开创视频产品新时代。

对视频平台的革命性创新

“开放平台与标准是市场增长的催化剂,达芬奇将是视频应用的催化剂,就像GSM标准是手机市场的催化剂一样。”TI全球科学家兼高级DSP架构师Ray Simar表示。达芬奇平台将会为视频产品开创一个新的时代:人们会看到更多创新的产品推出,更快的上市时间。

目前全球视频产品数量还不到手机数量的十分之一,这是因为没有一个开放的视频平台,且各种编解码设计对工程师来说相对困难。达芬奇可简化数字视频产品的设计,即使没有编解码器或 DSP专业技能的OEM也可快速推出数字视频功能的产品。“对采用达芬奇技术的产品而言,为应用添加视频功能变得像API编程一样简单,不仅可为OEM厂商节约数月的开发时间,而且由于IP复用和高度的集成能大幅降低整体系统成本达50%。”Simar说道。

完整的达芬奇软件架构涵盖了从低级的OS驱动程序到应用API,使开发人员无需投入过多力量编写及优化编解码器或进行DSP编程,即能够实现数字视频功能。最初的API基于Linux操作系统,使开发人员实施编解码器时不需接触复杂的软硬件细节,这使他们不必修改应用代码就能实现多媒体编解码器互换。因此达芬奇技术使开发人员能够对有关组件进行灵活组合,快速推出经过量产测试的高性能产品,而无需费力地了解视频实施细节。比如它可使编解码器开发时间由半年以上减小到一个月、OS和设备驱动程序开发时间由半年减小到2个月、硬件组件开发时间由一年减小到半年。“这将激发OEM视频创新的欲望,使他们能快速而轻松地实现产品创新。”Simar表示。

TI已于去年底推出两款达芬奇处理器DM6443和DM6446,前者为视频解码器,后者增加了编码功能和影像处理前端。这两款处理器都拥有达芬奇技术的全部优势,并且集成了丰富的外设,将针对所有视频应用领域,属于通用处理器。“此外,TI还将针对不同的应用领域推出专用的达芬奇产品,比如针对数码照相机的DM420,针对IPTV的处理器等。”著名OEM三星与Ymagic已开始采用这两颗达芬奇处理器应用到相关产品中。

手机上体验出色的视频功能

目前的手机上还没有集成对高端H.264编解码功能的支持,而TI在其创新的手机应用处理器OMAP2430中对H.264的编码可达VGA 30fps,解码达D1 30fps,可支持H.264、H.263视频会议,同时进行VTC录制,速率达CIF 30fps。当然,除H.264外,它还支持所有主流的编解码标准,包括MPEG4、VC-1以及RealVideo等共10种媒体格式。可以看出采用该处理器的手机已完全具有消费电子般的视觉体验,明显感觉到手机中的视频与影像比目前的更加清晰锐利。

虽然能支持这些功能,但其功耗非常低,在持续播放H.264解码的影片几个小时后,记者触模该芯片,几乎感觉不到热度。据TI无线终端业务部蜂窝产品战略经理Jay Srage表示:“普通手机电池可支持H.264/MPEG4播放达11小时;支持H.264编码应用达3小时。”

这些创新的视频功能得益于OMAP2430中采用了TI最新的影像与音视频加速器引擎IVA2,它是达芬奇信号处理器技术的功率优化型版本。IVA2是一款可编程引警,不仅可快速集成新的编解码器标准,增强编解码器性能,而且还具有非常稳定的算法,从而能实现高度的灵活性与独创性。除IVA2外,还集成了ARM1136处理器核和专用的2D/3D图形加速器,支持全球主流的移动电视标准如DVB-H、DMB和ISDB-T等。其集成的USB OTG接口支持手机方便下传与下载文件和照片。

为使手机具有更低的功耗和小型化,TI还推出与这个处理器配套的音频与电源管理一体化器件TWL4030。作为一款高度集成的电源管理/音频编解码器件,它在单片上集成了稳压器、转换器、音频/语音编解码器、AB/D类音频放大器、高速USB2.0 OTG收发器以及电池充电器等多个电路,为手机节省了空间和成本。

虽然是创新的结构,但是TI客户为前一代OMAP2420开发的应用可以100%的复用到新的处理器上,并且也同样将得到来自OMAP社区的大力支持,包括全球第三方软硬件开发商网络、系统集成商和工具供应商。

畅想无限可能:多种连接在手机上共存

蓝牙、WiFi、GPS、UWB、微波电视等,这些本来会相互干扰的无线电技术现在竟能在同一部手机上共存,TI使之成为现实。“TI已验证了这些无线技术在手机上共存的可能性。”TI无线终端业务部蜂窝系统与软件首席技术官Rick Wietfeldt表示。

首先,归功于TI的DRP(数字射频处理器)技术,其蓝牙、WiFi、GPS以及数字电视接收器均可实现单芯片方案,这使得芯片体积和成本都大大降低。比如其单芯片的A-GPS占用电路板面积不到40mm(平方),而单芯片的数字电视方案Hollywood电路板面积不到1cm(平方)。

其次,对于共处同一频谱的无线技术比如蓝牙与WiFi,TI使他们能和平共处,并且找到最佳应用模式。比如通过VoWLAN打电话,并利用蓝牙耳机进行通话。"蓝牙与WiFi共存势在必行。”WietFeldt说道。TI正在计划将蓝牙与WiFi芯片集成到一颗芯片中。

未来手机还将还将集成UWB、RFID、ZigBee以及WiMAX等无线技术,最近它刚宣布了收购ZigBee芯片主要厂商ChipCon,表明了TI对所有创新无线技术的钟爱。对于你的手机,你可以畅想无限连接的可能。

TI的超低功耗MCU可以通过三颗葡萄驱动。

可以用三颗葡萄供电的MCU

仅用三颗葡萄供电就可使一个仪表工作,当TI的工程师向我们成功演示这个例子时,在场的记者不禁发出惊叹。这个仪表中采用了TI创新的超低功耗8位MCU——MSP430。“其超低功耗可使一个纽扣电池工作时间长达10年。”MSP430微处理器业务发展经理崔勇向记者表示。“MCU供应商都称自己的功耗低,通过这个演示大家可以看到MSP430的功耗低到什么程度。”

MSP430在待机模式下耗电仅为0.8μA,RAM保持模式低至0.1μA,运行时为250μA/MIPS,仅需1μS时钟启动。它非常适合于智能传感器、系统电源监控器、智能数据采集等应用。“今后18个月内,TI会将MSP430扩展到超过50款新型产品。”TI先进嵌入控制事业部总经理Rod Tratman透露。

家庭网关将支持三重播放

最快我们在今年就可看到家庭网关上能支持语音、数据以及视频三重播放,并同时支持有线与无线VoIP业务。“家庭网关将是高度汇集的产品,它将集成DSL MODEM、路由器、WLAN、VOIP以及视频处理器等多种功能。”TI小区网关及嵌入式系统市场总监Dennis Rauschmayer表示。“家庭网关正在经历从纯数据到集成式家庭网关的演进。”他指出。

作为全球最大的家庭网关方案供应商,TI单芯片网关方案AR7已售出超过3,000万颗,其产品已被1亿个DSL端口采用。现在该公司更是推出了全新的针对集成式家庭网关的架构——UR8。“UR8针对在家庭中实现固定移动技术整合(FMC)的目标,以及Uni-DSL标准的目标,使运营商能够以低成本方式部署所有ADSL与VDSL标准的各种高带宽服务。”Rauschmayer说道。UR8不仅能支持最新的ADLS2/ADLS2+、VDSL、VDSL2等标准,更是能支持4个通道的有线和无线VoIP、还能通过集成的多媒体处理器支持对整个家庭高清电视(HDTV)和其他高级视频服务的处理能力。

OEM与ODM厂商借助UR8平台可设计出具备各种功能特性的家庭网关,如高级视频服务和各种卓越的语音功能等。

未来5年模拟IC持续增长,电源产品一马当先

2004至2010年间全球模拟IC市场都会保持12%的年复合增长率,市场需求稳定,其中尤以电源IC的需求量最大,从应用领域来分则是通信市场对模拟IC的需求最大。“与数字IC相比,模拟IC的创新速度要慢得多,但是模拟IC的种类却是成千上万。”TI高性能模拟高级副总裁Gregg Lowe说道。TI采取两条腿走路的策略,同时在垂直市场与标准市场发展高性能模拟IC,取得了不错的成绩,在调研公司iSuppli的排名中,TI在2003和2004两年都位于模拟IC供应商的首位。

Lowe:0.35um在模拟IC中是非常先进的工艺,就比如0.065um对于数字IC一样。

Lowe对两个不同市场的特点进行了说明。垂直市场是指单个需求量大的模拟器件市场,它的特点是客户数量少、出货量大、品种少,经常以客户定制的形式出现;而标准市场是指单个出货量小但种类多的模拟器件,标准产品种类多达15,000种,客户超35,000家。TI先后收购了Burr Brown、Power Trends以及Uitrode等专业的模拟IC公司,成为产品线最齐全的模拟IC供应商。“标准模拟IC的另一个特点是产品的生命周期长,与数字IC每18个月更新的周期相比,标准模拟IC的工艺更新周期是15年至20年。比如现在0.35μm在模拟IC中是非常先进的工艺,就比如0.065μm工艺对于数字IC一样。”他解释说。

不过,TI仍没有停止过对模拟IC的创新:TI已在2005年开始量产0.35μm水平的混合信号产品,并正在进行0.13μm和基于铜互连的模拟器件开发;对高速放大器实现了非常低的寄生电容;在模拟IC上率先实现了110V的高压;模拟CMOS工艺实现极低的功耗等。“TI在2005年推出了创新的高速放大器THS4509和16位高精密数据转换器ADS1610,并且是数字电源市场的倡导者和领导者。”Lowe说道。

虽然业界对数字电源的前景仍有争议,但Lowe预测2006年数字电源市场将达3亿美元。“数字电源最先会用在基站等系统设备和UPS中,使成本大大降低。比如对于UPS,传统电源需要1700种元件,而数字电源仅需1100种元件,成本可下降17美元。对于基站电源也可节省6~8美元。”他举例说道。数字电源能充分利用TI在模拟电源管理和数字信号处理两个领域的综合技能。“TI的数字电源PWM周期为150皮秒,比市场上现有的产品快20倍。”他说。

除数字电源外,TI即将展现在我们面前的创新产品还有笔记本电源管理IC,将使运行功耗从目前的75W降低至19W,待机功耗低至100mw。