數字和存儲 IC 約占當今全球約 3200 億美元的半導體市場的三分之二。這些 IC 由摩爾定律和尖端 CMOS 工藝技術驅動，每年都在降低成本并提高半導體器件的集成度。分立和模擬半導體約占全球半導體市場的五分之一，主要由較舊的半導體工藝技術提供服務，因為在較新的工藝節點中制造核心模擬組件的成本很高。

混合信號 IC 約占全球半導體市場的十分之一。這一估計取決于您如何計算混合信號 IC，它可以定義為集成了重要的模擬和數字功能以提供與模擬世界的接口的半導體器件。混合信號 IC 的主要示例包括片上系統 （SoC） 設備；蜂窩、Wi-Fi、藍牙和無線個人區域網絡 （WPAN） 收發器；GPS、電視和AM/FM接收器；音頻和視頻轉換器；先進的時鐘和振蕩器設備；網絡接口；以及最近的低速率 WPAN （LR-WPAN） 無線 MCU。當所需的功能和模擬性能能夠以比分立或其他模擬方法更低的成本實現時，高度集成的混合信號 IC 解決方案通常會取代成熟的半導體市場中的傳統技術。更重要的是，高水平的混合信號集成極大地簡化了系統制造商所需的工程設計，使他們能夠專注于核心應用并更快地進入市場。

設計混合信號 IC

混合信號 IC 的設計和制造并不容易，尤其是當它們包含 RF 功能時。存在一個龐大的獨立模擬和分立 IC 市場，因為模擬與數字 IC 的集成不是一個簡單、直接的過程。模擬和射頻設計通常被稱為“黑色藝術”，因為其中大部分通常是通過反復試驗完成的，而且通常是靠直覺完成的。然而，現代混合信號設計應該始終被認為比煉金術更科學。應始終避免“蠻力”模擬集成，因為在 IC 開發中反復試驗是一個非常昂貴的過程。

混合信號設計中真正的“藝術”必須源于對底層物理交互方式的深刻理解。? 現象體現在復雜的系統中，結合以數字為中心的方法的穩健而優雅的設計方法。理想的方法將混合信號設計和數字信號處理統一起來，并能夠集成復雜、高靈敏度和高性能的模擬和數字電路，而無需進行預期的折衷。細線數字 CMOS 工藝中強大的數字處理功能可用于校準和補償模擬缺陷并減少不需要的相互作用，從而提高混合信號設備的速度、精度、功耗，并最終降低成本和可用性。

摩爾定律對于數字電路設計非常一致，每兩年在給定區域內將晶體管數量翻一番，并且在深亞微米技術時代仍然部分適用。但是，該定律通常不適用于模擬電路，導致在模擬 IC 采用規模化技術方面存在顯著滯后。模擬設備仍在設計和制造的情況并不少見 o ?180 nm 技術及以上。現實情況是，工藝技術的縮放僅部分推動了模擬電路中的面積和功率縮放，有時甚至成為設計障礙。實際上，模擬縮放通常是由最小化不需要的影響（例如統計設備不匹配或材料界面缺陷導致的噪聲）驅動的，這是過程本身質量改進的結果。出于這個原因，混合信號設計人員更喜歡依賴那些落后于工藝技術前沿幾步之遙的工藝，這些工藝仍然可以通過依賴一些最新的技術進步來提高設備質量。換句話說，摩爾定律的模擬方面落后于標準數字方法。情況更加動態，

圖 1：以數字為中心的混合信號方法縮小了與摩爾定律極限的差距。

最適合混合信號 IC 設計的制造工藝節點落后于工藝技術的前沿，節點的選擇是多個因素的權衡，最終取決于包含的模擬和混合信號電路的數量設備。更準確地說，更加以數字為中心的混合信號設計方法使設計人員能夠利用更先進的工藝節點來解決模擬電路集成中最具挑戰性的商業問題之一——集成模擬以降低成本同時增加功能的能力。

物聯網和混合信號設計

物聯網聚合了物聯網節點網絡，即非常低成本、智能和連接的傳感器和執行器，用于在提高能源效率、安全、醫療保健、環境監測、工業過程控制、運輸、和一般的宜居性。物聯網節點預計到 2020 年將達到 500 億臺設備，并可能在幾十年后達到一萬億的門檻。這些天文數字在工程、可制造性、能源消耗、維護以及最終我們環境的健康方面構成了嚴重的限制。除了大量可用之外，所有這些物聯網節點都必須非常小、節能且安全，并且消費者通常不容易接觸到它們進行維護。物聯網節點通常必須使用非常小的紐扣電池運行十年或更長時間，或者可能依賴能量收集技術。

這些應用要求使物聯網節點成為非常先進的以數字為中心的混合信號設計技術的最終候選者。理想的物聯網節點將需要最先進的混合信號電路來連接傳感器和執行器。它們必須包括射頻連接，使用非常節能的無線協議，并且需要最少的外部組件。它們還必須包括功率轉換器，以優化功率效率并應對不同的電池化學或能源，所有這些特性通常可以通過更成熟的工藝節點獲得。同時，這些物聯網節點將需要適度復雜、超低功耗的計算資源和內存來存儲和執行應用程序和網絡協議軟件，這最好通過更精細的技術來解決。這種范式的當前實例是一種混合信號 IC，它被廣泛稱為無線 MCU：一種易于使用、占地面積小、節能且高度集成的連接計算設備，具有傳感和驅動能力。

超低功耗無線 MCU 的普及對于物聯網的發展至關重要。無線 MCU 為物聯網節點提供大腦、傳感和連接，從無線安全傳感器到數字照明控制。混合信號設計的藝術和科學是開發下一代無線 MCU 的關鍵推動力，它連接了模擬、射頻和數字世界，并最大限度地利用摩爾定律的力量，而不會影響性能、成本、尺寸、或功耗。

審核編輯：郭婷