1.8　模擬IC設計與數字IC設計的區別

數字電路脫胎于模擬電路，最早的芯片都是由模擬電路搭建的，后來人們認識到模擬電路中的某些元器件，如觸發器、與或非門等，方便搭建電路，也方便查找錯誤，非常適合以計算為主的應用場景，于是基于觸發器的數字電路就逐漸發展起來，進而脫離了模擬電路，形成了獨立的設計方法和流程。

可見，數字電路是模擬電路的一個子集，模擬電路可以使用數字電路的元器件庫進行設計，但數字無法使用模擬的元器件庫。

數字器件只有0和1兩種狀態，還有一種亞穩態屬于異常，需要盡量避免，而模擬器件有多種工作狀態。因為數字狀態少，因此元器件本身結構也較為簡單，容易量產和標準化，因而可以根據抽象電路描述（如Verilog）進行自動電路綜合，并進行自動布局布線，模擬器件的種類繁多，能適應各種不同的需求，其大小、阻值、容值等參數都可以更改，不易標準化，因而設計流程至今仍無法實現自動化，仍然手動繪制原理圖，繼而繪制版圖。

也正是由于數字可以標準化和自動化，其設計結果的可預測性非常強，仿真驗證案例種類有限，可收斂，所以才有獨立于設計的驗證崗位存在，而模擬IC設計沒有專門的驗證，也是因為元器件狀態的多樣，驗證案例無法脫離設計者而獨立存在，因此通常由設計者親自驗證。

數字的標準化和自動化，還降低了數字設計的難度，即相同功能，用數字方式實現比用模擬方式實現更加容易，而且結果更可靠。那么，在給定相同時間和人力的情況下，數字可以做出更為復雜的功能。這就是為什么多數芯片其主要的功能是由數字電路承擔的。只有那些數字電路無法滲透的領域，才由模擬電路實現。

目前模擬電路設計的主要領域包括電源、時鐘和數字模擬相互轉換（ADC/DAC）、微機電（MEMS）、存儲芯片等。目前這些領域大多是數模混合形式，模擬和數字的功能貢獻各占一半。例如ADC中含有數字濾波器和校準機制，時鐘生成電路中有數字的小數倍分頻模塊及其他一些小的數字功能模塊，電源管理芯片的通用標準如PD和QC，再如無線充電的QI等協議，都離不開數字電路的控制。過去主要是模擬領域的高頻混頻器、高頻濾波器，隨著數字電路時鐘頻率的不斷提升，也正在逐漸被數字混頻器和濾波器所取代。可以說，模擬電路數字化的進程仍在繼續，但模擬注定不會被數字完全取代，因為模擬是與現實的物理世界直接相關的，數字世界只是為了便于理解和處理而人為創造的。凡是與芯片外圍環境打交道的場景，都離不開模擬電路將其轉換為數字信號，一些超高速的接口，如大家常用的USB接口、PCIE總線等，使用的是稱為SerDes的連接技術，它能夠在一根信號線上傳輸頻率為幾十GHz的高速信號，如果用數字方式傳輸，由于包含很多高頻分量，是無法以這么高的頻率傳輸的，只能通過模擬的方式。通常，數字適合計算和控制，而模擬適合與電壓、電流等物理量相關的處理工作。

數字設計對工藝不敏感，一個28nm工藝下流片的Verilog代碼，其大部分可以不必修改就可在諸如3nm、5nm的工藝下流片，而模擬電路對工藝十分敏感，相同電路設計在不同的工藝下，不同的Foundry下，甚至在相同工藝的細分流程下，表現均不同。對于模擬設計者的水平要求、經驗要求高于數字設計。數字經常能做到一版成功（第1次流片就達到預期），而模擬要想一版成功，只能是出于設計者對特定流片工藝的熟練把握，如果不是深耕一種特定工藝，要一版成功非常困難。

雖然數字設計不太關心工藝，但是人們普遍關注工藝的進步，從前幾年熱捧的5nm到近年來追求的3nm，都是由數字推動的。因為工藝的進步直接導致數字電路尺寸縮小、速度加快、功耗降低，而模擬設計卻不追求這樣的工藝進步，因為它們處理的電壓和電流等物理量需要在版圖上畫一個足夠大的晶體管（也稱為管子）。例如，一根管子需要畫1000nm長，不論是在5nm工藝下，還是在28nm工藝下，其大小都差不多。因而數字追求的工藝是越精細越好，而模擬并不追求精細，很多以模擬為主的芯片使用0.18工藝（180nm），這是20年前的老工藝，高校流片做實驗甚至用300nm工藝，這些工藝流片成本低，能夠滿足模擬的基本實驗需求。模擬更關心一些特殊性能，例如某些工藝下的管子功耗特別低，另一些能夠耐受很高的電壓，還有一些工藝的性能在－30~100℃范圍內不會發生明顯變化。這些需求衍生出了某種特殊的工藝，如碳化硅等，這些工藝不能為數字流片，只能單獨為模擬流片。

數字的管子一般較小，雖然元器件庫中同樣功能的管子也會提供三、四種不同大小的，小管子輸出電流小，大管子輸出電流大，容易帶動更多的負載。模擬管子普遍較大，特別是用來承載大電流、大電壓的功率管，以及電感（稱為巴倫）等元器件，它們會占用很大的芯片面積。

現在有所謂數字芯片和模擬芯片的說法。原本模擬芯片是指沒有任何數字電路的芯片，這類芯片往往規模小，功能單一，如LED芯片等，但目前隨著用戶對產品性能的要求不斷提升，純粹模擬電路的芯片已逐漸被淘汰。現在的模擬芯片主要指其主體功能為模擬功能，如電源管理芯片、高頻收發芯片等，其中包含數字部分，但只起到輔助作用。一些小芯片甚至只有SPI和I2C這類簡單數字接口。數字芯片是以計算和控制等數字功能為主的芯片。此類芯片占市場上的大多數，其規模普遍較大，工藝普遍比模擬芯片先進。