中国芯片的“国产替代”

来源：内容由半导体行业观察（icbank）编译自「eetimes.jp」，谢谢。

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”。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。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。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Giga Device（兆易创新）的事例。Giga Device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：Giga Device（兆易创新）的兼容微控制器的推广。（图片出自：eetimes.jp）
Giga Device（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Giga Device（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（SilverSponsor）”，虽然微不足道，但也在为RISC-V的开发贡献微薄力量。
Giga Device（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！