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SILAN士蘭微：SiC芯片產(chǎn)能年底翻倍，達(dá)6000片/月
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模擬IC設(shè)計(jì)原理圖：邏輯電路是如何通過(guò)MOS管實(shí)現(xiàn)的
今天來(lái)聊聊我們常用的邏輯電路是如何通過(guò)MOS管實(shí)現(xiàn)的。如果你還沒(méi)開(kāi)始接觸CMOS管也不用著急，我會(huì)用簡(jiǎn)單的結(jié)論來(lái)描述我要用到的MOS管的功能，只需要把CMOS管看作一個(gè)受電壓控制的開(kāi)關(guān)就可以了。下面我們直接進(jìn)入實(shí)例。1.反相器 （INV）反相器的MOS管實(shí)現(xiàn)如圖，這個(gè)反相器可以理解為是由兩個(gè)電壓控制的開(kāi)關(guān)組成。（眼細(xì)的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)MOS管的右端不止有兩個(gè)端口，在正中間還有一個(gè)接口，我們暫時(shí)不考慮這個(gè)接口，只需要記住絕大部分情況下把它與MOS管的源極連接的就行了。）到此，基本講完了MOS管的開(kāi)關(guān)功能，那么我們來(lái)分析一下這個(gè)電路的功能。可見(jiàn)，電路由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS連接而成，上面的PMOS管源極連接電源電壓 VDD，下滿的NMOS管源極連接地電壓 GND，然后兩個(gè)MOS管的漏極同時(shí)連接輸出端口 ZN,兩個(gè)MOS管的柵極同時(shí)接在輸入端 IN。當(dāng)IN時(shí)低電平時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管關(guān)閉，因此這個(gè)電路可以理解為輸出端ZN通過(guò)導(dǎo)線直接連接電源電壓 VDD，因此輸出端ZN直接輸出高電壓 VDD；當(dāng)IN時(shí)低電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管關(guān)閉，因此這個(gè)電路可以理解為輸出端ZN通過(guò)導(dǎo)線直接連接地電壓 GND，因此輸出端ZN直接輸出低電壓 GND；由此可見(jiàn)，這個(gè)電路的功能是使輸入的低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，使輸入的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓。用數(shù)字電路的語(yǔ)言就是， 輸入0，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管關(guān)閉，則輸出1；輸入1，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管關(guān)閉,則輸出0。因此我們稱這個(gè)電路為反相器或者 非門(mén)。此外還能看出一個(gè)結(jié)論，輸出低電壓時(shí)是NMOS在工作PMOS不工作，輸出高電壓時(shí)是PMOS管在工作NMOS不工作。反相器Symbol我們一般會(huì)在電路中用這個(gè)符號(hào)來(lái)表示非門(mén)，三角形表示一個(gè)類似于導(dǎo)線的東西，專業(yè)點(diǎn)的稱呼好像是叫BUFF，然后三角形末端的圓表示一個(gè)“負(fù)號(hào)”（“翻轉(zhuǎn)”）的意思。理解了反相器（非門(mén)），那么我們就想來(lái)通過(guò)MOS管實(shí)現(xiàn)更多的邏輯運(yùn)算，而這些邏輯運(yùn)算的基本就是，或、與、非三種基本運(yùn)算，而在MOS管中能直接實(shí)現(xiàn)的是與非門(mén)、或非門(mén)，通過(guò)把與非、或非組合一個(gè)非門(mén)我們就能有基本的或與非三種邏輯運(yùn)算了。下面我們接著來(lái)介紹通過(guò)MOS管搭建與非門(mén)、或非門(mén)、異或門(mén)。2.與非門(mén)（NAND）與非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)一般結(jié)論的理論分析：條件：a.NMOS管柵極接高電壓才導(dǎo)通，且負(fù)責(zé)輸出低電壓；b.PMOS管柵極接低電壓才導(dǎo)通，且負(fù)責(zé)輸出高電壓；（可見(jiàn)POMS電路塊和NMOS電路塊是一個(gè)互補(bǔ)的關(guān)系；）c.要求NMOS端導(dǎo)通帶來(lái)低電壓時(shí)PMOS端不能導(dǎo)通出高電壓，反之亦然；分析：要保證電路滿足上面c.條件，我們只需要保證PMOS塊和NMOS塊實(shí)現(xiàn)的邏輯功能是一個(gè)等價(jià)的邏輯運(yùn)算式就可以了。考慮我們這個(gè)實(shí)例，與非門(mén)：Y=~(A&&B) =(~A)||(~B)NMOS塊我們考慮實(shí)現(xiàn)邏輯式Y(jié)=~(A&&B)因?yàn)镹MOS管是柵極高電壓導(dǎo)通，這正好符合這個(gè)式子A,B高電平有效，即直接對(duì)A,B進(jìn)行運(yùn)算，且當(dāng)式子 (A&&B)=1時(shí)，輸出低電平，即正好滿足NMOS管的負(fù)責(zé)低電平且輸入要求高電平有效，由此只需要實(shí)現(xiàn) A,B兩信號(hào)的邏輯與關(guān)系就可以了。這個(gè)關(guān)系邏輯與關(guān)系，可以直接通過(guò)MOS開(kāi)關(guān)串聯(lián)的思路實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)A=1時(shí)開(kāi)關(guān)A閉合，當(dāng)B=1時(shí)開(kāi)關(guān)B閉合，兩者串聯(lián)就是要求A,B同時(shí)等于1時(shí)這個(gè)線路才導(dǎo)通，如下圖所示，且這里NMOS管的導(dǎo)通會(huì)把NMOS管源極的低電平導(dǎo)通過(guò)來(lái)，因此這個(gè)正好對(duì)應(yīng)關(guān)系式Y(jié)=~(A&&B)；所以我們只需要串聯(lián)兩個(gè)NMOS管就可以實(shí)現(xiàn)NMOS塊了，如圖（與非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)）所示。與開(kāi)關(guān)邏輯PMOS塊我們考慮實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯式Y(jié)= (~A)||(~B)因?yàn)镻MOS管是低電平導(dǎo)通，正好符號(hào)這個(gè)式子A,B低電平有效，即直接對(duì) (~A),(~B)進(jìn)行運(yùn)算，然后PMOS輸出的是高電平，這個(gè)式子也是，此外在這個(gè)式子是邏輯或的關(guān)系，因此只需要要并聯(lián)兩個(gè)PMOS管就可以了。或開(kāi)關(guān)邏輯最后把PMOS塊和NMOS塊連接到相同的輸出端口就能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算了。與非門(mén)Symbol3.或非門(mén)（NOR）或非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)或非門(mén)邏輯關(guān)系式：Z= ~(A||B) = (~A)&&(~B)理解了我對(duì)與非門(mén)的分析，那么或非門(mén)也能很快自己搭建出來(lái)。用NMOS管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì) A,B的邏輯或功能，用PMOS管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì) (~A),(~B)的邏輯與功能,如上圖（或非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)）所示。或非門(mén)Symbol4.異或門(mén)（XOR）異或門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)有了基本的或與非邏輯單元，我們就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能了。在這里展示一下異或門(mén)的實(shí)現(xiàn)。有邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)的同志能很快地分析完這個(gè)電路，故不做贅述。異或門(mén)Symbol
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什么是硅光芯片,硅光芯片為何備受行業(yè)歡迎？
來(lái)自未來(lái)的硅光芯片，在2023年又向前邁進(jìn)了一步。自 2023 年初以來(lái)，圍繞硅光子學(xué)進(jìn)行了大量炒作，并進(jìn)行了大量投資，特別是光計(jì)算、光 I/O和各種傳感應(yīng)用。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Intelligence表示，2022年，硅光芯片市場(chǎng)價(jià)值為6800萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2028年將超過(guò)6億美元，2022年—2028年的復(fù)合年均增長(zhǎng)率為44%。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對(duì)更高吞吐量及更低延遲需求的機(jī)器學(xué)習(xí)的800G可插拔光模塊。01硅光為何“令人相信”？用CMOS技術(shù)（也就是硅光子學(xué)）制造光子電路不僅提供了半導(dǎo)體晶圓級(jí)制造的規(guī)模，還利用光在計(jì)算、通信、傳感和成像方面的特性在新電子應(yīng)用中發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)。由于這些原因，硅光子學(xué)越來(lái)越多地應(yīng)用于光學(xué)數(shù)據(jù)通信、傳感、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能(AI) 應(yīng)用。直到最近，硅光子學(xué)的主要挑戰(zhàn)一直是添加作為光子電路“電源”的分立激光器的成本，其中包括制造以及這些激光器在光子芯片上的組裝。光可以表現(xiàn)得像波或粒子，并且這種行為是可以操縱的。“光學(xué)”一詞是指對(duì)光的研究，通常用于談?wù)撊搜劭梢?jiàn)的光（例如，頭燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）。“光子學(xué)”一詞是指以小得多的尺度（小于幾微米）反射或操縱光的系統(tǒng)。集成光子學(xué)是指使用半導(dǎo)體技術(shù)和在潔凈室設(shè)施中處理的晶圓來(lái)制造光子系統(tǒng)。如果所使用的制造工藝非常類似于CMOS制造，那么它就被稱為硅光子學(xué)。換句話說(shuō)，硅光子學(xué)是一個(gè)材料平臺(tái)，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導(dǎo)體襯底材料來(lái)制造光子集成電路（PIC）。這項(xiàng)技術(shù)變得比以往任何時(shí)候都更加流行和可行，這是有一個(gè)重要原因的。最初，集成光子學(xué)開(kāi)始使用摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為材料表面，特別是對(duì)于電信和長(zhǎng)途數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。然而，絕大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)使用硅作為主要材料來(lái)創(chuàng)建集成CMOS電路，實(shí)現(xiàn)了非常高的產(chǎn)量和低成本。光子學(xué)的物理特性使其非常適合使用舊硅節(jié)點(diǎn)上使用的CMOS工藝來(lái)圖案化和制造光子器件和電路。使用成熟的制造工藝為大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)辟了一條經(jīng)濟(jì)可行的道路，因此，集成硅光子學(xué)已經(jīng)起飛。如今，硅光子學(xué)已經(jīng)利用成熟的CMOS制造和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)開(kāi)始構(gòu)建集成光子系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)已被證明在規(guī)模化方面非常具有成本效益。主要優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在，該行業(yè)可以在硅晶圓上高效地制造PIC，硅光子帶來(lái)的所有優(yōu)勢(shì)都可以開(kāi)始在主流電子產(chǎn)品中得到利用。PIC的主要優(yōu)勢(shì)之一是它們能夠?qū)崿F(xiàn)、擴(kuò)展和增加數(shù)據(jù)傳輸。從歷史上看，對(duì)于較長(zhǎng)的距離，銅鏈路首先達(dá)到帶寬與能耗的限制。最近，光纖連接被用于數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中越來(lái)越短的連接。最新趨勢(shì)是通過(guò)從可插拔光收發(fā)器轉(zhuǎn)移到與交換機(jī)采用同一封裝的光 I/O小芯片，將光連接移至更靠近交換機(jī) ASIC的位置。這縮短了高速電氣SerDes 鏈路的距離，從而降低了 I/O的總體能耗。除了用于數(shù)據(jù)中心外，硅光子還可以用于傳感，這有利于各種不同的行業(yè)。例如，光學(xué)傳感、信號(hào)傳輸以及反射或傳輸光信號(hào)的接收可以幫助確定周?chē)h(huán)境的特性。這種傳感活動(dòng)有利于健康和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如診斷和分析以及消費(fèi)者健康可穿戴應(yīng)用，以及用于工業(yè)自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)。固態(tài)激光雷達(dá)芯片在自動(dòng)駕駛汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。LiDAR 不使用射頻(RF) 信號(hào)，而是使用表面反射的光來(lái)分析和提供有關(guān)道路上發(fā)生的情況的關(guān)鍵信息，并提供有關(guān)汽車(chē)應(yīng)如何反應(yīng)的輸入（例如，物體移動(dòng)的方向、可能存在障礙的地方等）。當(dāng)然，設(shè)計(jì)任何將用于汽車(chē)行業(yè)的東西都需要考慮許多安全法規(guī)。就激光雷達(dá)廣泛、大量的消費(fèi)應(yīng)用而言，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)在一些智能手機(jī)中引入。硅光子學(xué)的另一個(gè)可能的大規(guī)模應(yīng)用是人類健康測(cè)量，包括智能手表和體內(nèi)植入醫(yī)療設(shè)備等可穿戴設(shè)備的心率、飽和度和水合水平。與任何產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程一樣，需要仔細(xì)考慮哪種技術(shù)最適合特定應(yīng)用的決策，包括成本、性能要求、上市需要多長(zhǎng)時(shí)間以及與客戶現(xiàn)有的關(guān)系等因素。就像電路中的電壓源一樣，激光器是硅光子電路的電源。目前，由于材料的間接帶隙，不可能在硅中制造光源（或激光器）。這就是為什么磷化銦等材料被用來(lái)制造用于電信和數(shù)據(jù)通信的波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。OpenLight 等公司已經(jīng)磨煉了各種技術(shù)，將磷化銦集成到硅光子芯片中，以創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)光子電路的集成激光器、調(diào)制器和探測(cè)器。這使客戶能夠獲得標(biāo)準(zhǔn)制造工藝的優(yōu)勢(shì)，并獲得硅光子學(xué)的許多性能優(yōu)勢(shì)。此外，可以在同一系統(tǒng)中使用波長(zhǎng)略有不同的多個(gè)激光器，以進(jìn)一步擴(kuò)展。過(guò)去，混合連接激光芯片引起了人們對(duì)可靠性的擔(dān)憂，但集成激光器提高了可靠性，并為需要多個(gè)激光器或放大部分的應(yīng)用開(kāi)辟了可能性。然而，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)忽視熱問(wèn)題，因?yàn)榧す馄鲿?huì)產(chǎn)生熱量，在設(shè)計(jì)電路和封裝時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。硅光子產(chǎn)業(yè)因其帶來(lái)的巨大技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值才剛剛起步。光輸入/輸出 (I/O) 距離核心硅越近（通過(guò) 2.5/3D 異構(gòu)集成），對(duì)通信的影響就越小，這使其非常適合高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用。材料硅光子學(xué)領(lǐng)域并不局限于單一基板或材料。傳統(tǒng)上，硅作為光發(fā)射器的效率受限，主要由于其內(nèi)量子效率較低。但如在硅基底上創(chuàng)建有源光學(xué)元件，硅光子學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)的重大突破。管理海量數(shù)據(jù)吞吐量超高密度光學(xué)芯片利用硅光子學(xué)在單個(gè)芯片上提供更多數(shù)量的通道。這對(duì)于并行處理大量激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)至關(guān)重要，確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)分析的需求。硅光子的集成可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，提高激光雷達(dá)系統(tǒng)性能和整體效率。加快處理任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速度是激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力的關(guān)鍵因素。硅光子學(xué)可以將眾多組件集成到單個(gè)芯片上，從而以光速傳輸數(shù)據(jù)。這與傳統(tǒng)的銅基系統(tǒng)形成鮮明對(duì)比，導(dǎo)致處理速度顯著加快。組件的整合不僅提高了速度，還提高了整體數(shù)據(jù)處理效率，減少了延遲并確保實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地環(huán)境分析。02大廠“循著光照的方向”去年有報(bào)道稱，臺(tái)積電將攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同開(kāi)發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，制程技術(shù)從45nm延伸到7nm，最快明年下半年開(kāi)始迎來(lái)大單，并在2025年左右達(dá)到放量階段。對(duì)于這則傳聞，臺(tái)積電表示，不回應(yīng)客戶及產(chǎn)品狀況。不過(guò)臺(tái)積電高度看好硅光子技術(shù)在未來(lái)的場(chǎng)景。而在一場(chǎng)半導(dǎo)體座談會(huì)上，臺(tái)積電副總余振華也公開(kāi)透露了自己對(duì)硅光子技術(shù)的看法：“如果能提供一個(gè)良好的硅光子整合系統(tǒng)，就能解決能源效率和 AI 運(yùn)算能力兩大關(guān)鍵問(wèn)題。這會(huì)是一個(gè)新的范式轉(zhuǎn)移。我們可能處于一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)端。”對(duì)于臺(tái)積電來(lái)說(shuō)，此前在該領(lǐng)域主推的產(chǎn)品名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是可以降低功耗、提升帶寬。臺(tái)積電計(jì)劃在一項(xiàng)與英偉達(dá)深度合作的研發(fā)項(xiàng)目中嘗試使用，將多個(gè)AI GPU組合成一塊GPU。該研發(fā)項(xiàng)目將持續(xù)數(shù)年時(shí)間，且必須等到硅光子生態(tài)系統(tǒng)成熟才算完成。21世紀(jì)初開(kāi)始，以英特爾和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路，以延續(xù)摩爾定律。2010年，英特爾開(kāi)發(fā)出首個(gè)50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過(guò)并購(gòu)迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復(fù)雜程度上相似，但光子芯片對(duì)結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級(jí)。這大大降低了對(duì)先進(jìn)工藝的依賴，在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。硅光子學(xué)正在成為一股革命性的力量，有可能超越激光雷達(dá)等傳統(tǒng)應(yīng)用的范圍重塑行業(yè)。這項(xiàng)技術(shù)涉及使用硅基組件來(lái)產(chǎn)生、操縱和檢測(cè)光，不僅突破了汽車(chē)創(chuàng)新的界限，而且還在倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)中心和電信等市場(chǎng)取得了重大進(jìn)展。
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