现在的图形加速卡大部份都是在处理3D立体图像等画面,为了要求图像的拟真品质能更加精细,在图形卡上的T&L功能,就能透过角度运算后,将3D对象上所有的点,精确清楚地表现在屏幕上。
如果我们把自己当成是图形芯片的话,那么当中央处理器(CPU)要我们画出一张完整的3D图案时,CPU便要让我们对画出什么东西有个基本的概念,特别是那些东西在我们的脑中并没有最根本的印象时,CPU只能给我们一个类似建筑工地用的设计图。
这个3D设计图上有许多的连结点,每一个连结点都可视为一条线的转折点,通过这些连结点,图形芯片可以很清楚地将整个对象的结构辨识出来。然而,这些连结点在这张3D设计图上的位置是固定不动的,换句话说,不管我们从任何一个角度来看这个对象,连结点的位置并没有变动,变动的只有角度的不同。不过,对象图案若只进行到Transforming的阶段,在对象的表面也只有连结点而已,并没有加上颜色色块或任何材质的贴图表现,因此,很像是立体的 3D透视图。
就好象画工地设计图的工程师与画平面立体图案的画家一样,画家只画眼前所看到的立体图案,虽然也是立体图案,但是角度却固定不动;而工程师却必须仔细地将所有重要的细节描绘仔细,才能让按设计图工作的施工人员不管从那个方向切入都能清楚施工方向。这个由CPU送来的蓝图便与工程师那张施工蓝图一样,让使用者不管从那一个角度来观察,都能看到对象整体的3D变化,而这就是Transforming的精髓。
若真要细究Transforming到底在图形芯片里做些什么事情的话,可能就是在控制上述的连结点吧。要将这些构成3D立体对象的连结点,换算成我们从屏幕上所看见的角度,图形芯片中的Transforming机制便必须要「假装移动」这些连结点,因此,即使假装移动连结点后,原来的3D对象结构仍旧未有改变。而屏幕上的角度只要有任何改变,Transforming机制便要再「假装移动」一次,在3D动画的运算中,这是相当频繁的动作,也因此 Transforming功能对图形芯片而言,在这几年内相当受人重视。
一个具有Transforming机制的图形芯片,除了不需再透过系统的平台(处理器、主存储器以及芯片组等)来进行数据处理,能有效减轻系统的负担;而且也扮演专为处理上述资料的运算机制,能做出比同时需处理多项资料的系统更加强大,因此,图形芯片所能画出的连结点比单靠处理器画出的要多许多,结构所呈现出来的影像也更加精细。
对于人脑而言,要去理解一个透过连结点所表现的图案,有点像是小时候的「连连看」游戏一样模糊,不过,透过连结点与连结点之间联机的动作,3D立体对象的表面,便会形成许多个多角形(polygon),而且大部份的多角形皆属三角形,之后,图形芯片会在每一个多角形上贴一块材质贴图,包含半透明的材质颜色在内,于是一幅清楚而明显的拟真画面,就这样被产生出来了。
另一方面,Lighting的意义则是在光源的投射角度上做出反应。除了固定光源切入的角度外,再配合使用者的观察角度进行阴影以及反光面的光源变化运算,而透过这两项功能,一个相当拟真的3D对象就可以呈现在我们眼前。
一般来说,T&L的效能常用「单位时间内所能处理多少个多边形的连结点变化以及光源运算」为基准。像nVidia的GeForce 2便能在每秒钟处理2500万个多边形,而有的产品甚至能达到3000万个多边形的效能。
Vertex Skinning功能 一般人应该不太有机会看到Vertex Skinning这个词,因为大部份的图形显示卡规格说明书中未将此规格说明给列出来,通常只用T&L里的多边形处理数目来做主要规格介绍。不过,随着 3D动画软件与资料与日俱增,Vertex Skinning的重要性也跟着水涨船高。
爱玩电玩的网友不妨回想一下,现在手边的电玩一定不乏怪兽、英雄、运动球员与角色扮演等的3D动作游戏,而这些游戏角色的3D立体图像要在屏幕上完整呈显,便需要透过图形芯片更强大的运算机制。
动画电影制作技术中,有一种是借由贴有人骨图案的衣服来记录真人动作时的运动角度,以及关节变化情形。相同的情形也常发生在图形芯片的运作中,尤其是借由人骨运动的概念来仿真3D对象在动画上的呈现。换句话说,一个完整的3D对象,若找出其运动的主要架构(以人为例即是人骨),那么图形芯片便能借由架构的呈显,运作出包在架构外的轮廓以及图形,并借由运动模式来运算出动作与动作之间的影像变化关系。
然而,若真要以“人骨”模式来反推3D对象的影像,那么在影像上会有许多部份的资料,是由图形芯片自行加上去的,而这个加上去的技术,便称之为 Vertex Skinning。Vertex Skinning这个功能最早是由nVidia所提出,但后来也有其它的图形芯片制造商跟进采用相同的概念。我们从字面上来看这个名词,也就是“连结点的加皮动作”。换句话说,连结点与连结点所构成的骨干,与另一个部位的骨干间常会有难以连结的距离,而这距离会使得呈现出来的对象无法做到平顺圆滑的真实图像,此时,图形芯片中的Vertex Skinning机制,便会自动加上连结机制,让画面整体呈现起来能更加平顺。
一般来说,系统或图形芯片要处理类似Vertex Skinning技术需要靠中央处理器来执行应用软件以达成上述效果,不过,也有采用图形芯片中的运算机制(硬件运算)就可以达成的,例如,ATI便曾对外表示其所采用的4-Matrix Skinning便是以硬件运算的方式达成。
Keyframe Interpolation功能
我们先前提到在人骨上生肉成形的显像技术,现在我们来认识一下,没办法透过骨干显像的部份,图形芯片是怎么达成的。而这个技术,我们常称之为Keyframe Interpolation(关键图框的添写技术)。
实际上3D动画技术需要用到Keyframe Interpolation的地方可多可少,运作执行时,只需要找出起始动作以及终止动作后,在一定的改变流程下,由软件或硬件来制作出其余的连结动作。而这就是Keyframe Interpolation的主要精神。
例如人物动画的脸部表情,不管你再怎么用力去拚凑人脸骨干,但就是没办法透过骨干架构来描绘微笑或是沮丧等表情。这个时候Keyframe Interpolation便派上用场。其实这一点也不难,你只需让系统找到起始点与终结点等两个动作的静止图案(这两个画面便是所谓的 Keyframe),再依必要性添写这两个画面之间的主要画面,那系统便能按照你添写的方向,完成其余细部的变化图案。而这个时候,我们就能再屏幕上看到栩栩如生的人物动画了 多边形的处理
对图形芯片而言,多边形的处理是最主要的工作之一。包括所有连点必须被解读成多边形后,将资料传回图形芯片后再传到屏幕上面,或者是在运算骨干后,将运算后的多边形数据,重新回到图形芯片的运算流程中,以便求出最完美的3D动画。而T&L的工作,也几乎都在这些多边形上一块一块地执行,因此,我们若能了解多边形的处理,也就能清楚认识图像成形的简单的步骤了。
一般来说,在屏幕或3D对象上的多边形,大部份都是三角形所组成的,因此,有的图形芯片会说明三角形的处理数量来取代多边形的处理数量。不过,不是三角形数量能够处理的愈多就是愈好。
我们在先前曾经提到过,工程师所画出的蓝图必须将所有连结点都画得一清二楚,而这样清楚的结构资料,主要是为了让3D立体对象在任何一个角度,都能有清晰的呈显以及基本的资料。不过,也就因为屏幕只会呈显对象局部角度的影像,因此,这个完整的3D对象中,会有许多三角形或多边形是被其它较前面的三角形或多边形所掩盖住的。
我们以3D立体房屋为例,一间3D立体房屋的资料,是需要包含房内所有家俱,以及对象的3D对象信息,但若我们只能从侧面门的角度往屋内看去,则屋内其它3D对象,都会被门旁边的墙所掩盖,虽然图形芯片仍是会运算完整的3D对象所有资料的转换,但对屏幕来说,真正被用到的(或者说被使用者眼睛看到的)只有一小部份。
因此,人们也开始好奇:既然图像的成形需要靠许多多边形来完成,包括多边形的连结点在内,在某些角度下这些多边形与连结点是无法在屏幕上显现的,那这么完整的资料在计算机里进行传输,会不会拖垮图形芯片的处理效能呢?为了让图形芯片的效能发挥到极致,当然,许多厂商也开始重视这个课题,并作出许多解决方案。例如:ATI的Hyper-Z便是针对此种问题,所提出的解决方案之一。而我们会在接下来的几个单元里,稍微介绍一下这种关系。
多边形与Fill Rate的关系
另一个重要的话题是三角形的处理与所谓Fill Rate间的关系。要了解这个话题,我们必须先知道在图形芯片中,专门针对三角形做处理动作的机制又称为Pixel rendering(“像素绘描”功能),而这个机制每次只能处理一个三角形或多边形。
上述这段话是一个相当重要的概念,因为Pixel rendering中包含数条管线(pipeline)来处理同一个三个形,如果说三角形或多边形的像素点比管线数目还要少的话,那这个Pixel Rendering就会有数条管线是处于闲置状态的。
对3D立体图像而言,当它所形成的连结点数目愈多,三角形或多边形的数目也相对增加许多。而这些三角形会因为连结点距离愈来愈近,让像素点小于 Pixel Rendering的pipeline总数的三角形,也跟着变多。而这个情况对图形芯片的效能是很严重的损失。结果,具有许多小三角形的图案便会让高 Fill Rate规格的图形芯片无法显现出它真正的效能。而这也正是为什么高Fill Rate的图形芯片,必须搭配正确的显示设定,才能真正表现出图形芯片的效能。
1.课程的话,本科(天津大学为例)主要有高等数学、线性代数、大学英语、工程电路分析、大学物理、复变函数、场论、数理方程、信号与系统、电子线路基础、理论物理(量子物理)、半导体物理、固体物理、电介质物理、微型计算机原理与接口技术、超大规模集成电路设计专用语言(Verilog)、单片机原理、数字逻辑分析、固态电子器件、晶体管原理、微电子与固体电子工艺、双极、MOS集成电路、数字集成电路。读研的话,微电子方向主要以集成电路设计为主。像电子线路基础、工程电路分析、半导体物理、晶体管原理、微机原理、Verilog、数字逻辑分析、双极、MOS、数字集成电路这些课比较重要。
2.微电子跟会计专业的话,基本上是没什么相关性。而且对于跨专业的同学来说,很多人反映不太好学,楼主要考虑好。但是就业前景不错,应该是上游水平,天津大学这个专业的硕士去年的就业待遇大概在5000到9000左右。
3.考研的话,只要你够努力,上研是没有问题,主要是你得在研究生阶段能够学好相关知识,学到一定的工程实践能力。如果考研,最好是上好一点的学校,太差的学校的话,但是前几名的学校不用考虑了,转专业的一般不要,比如清华、北大、复旦等,可以试试天津大学、南开大学、中科院微点所、半导体所、东南大学、西安交大等等,最低也不要考重点院校外的学校,否则将来的前景可能对不起你付出的努力。
我现在读微电子专业的硕士,有问题可以发信。
在全球贸易战和经济增速放缓的国际形势下,芯片的国产化势头不可阻挡,一方面中国是最大的半导体消费国,还有美国对我国IC产业链的限制,这些都促使我们自主自强。据相关数据显示,2019年我国芯片自给率仅为30%左右,国家规划到2025年,中国芯片的自给率要达到70%。除了存储芯片和处理器芯片,电源芯片也是最大的一块蛋糕之一。
电源管理芯片主要是负责电子设备系统中电能的转换、配电、检测和电源管理,负责将源电压和电流转换为可由微处理器和传感器等使用的电源。人们的生活已离不开电子设备,电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的。虽然目前国内的电源芯片企业实力和国外顶级厂商相比,还有些差距,但是在产品种类上正在逐渐完善,具备了一定的国产替代能力,中国的电源管理芯片企业毛利率水准远高于其他行业,高盈利能力吸引了潜在进入者不断涌入市场。据相关数据统计,2015-2020年中国电源管理芯片市场规模逐步增长,年增长率约9%,新的应用领域层出不穷,电源芯片市场正在迎来很多新势力,产业的革新正在进行当中。截至2019年底,电源芯片行业的企业数量超过1500家,近五年,年平均增长60家以上。
痛并成长着的国内电源芯片市场
由于电源管理芯片行业盈利能力较强加上进入门槛较低,每年吸引许多潜在进入者竞相投入,但大部分电源管理芯片企业由于技术门槛不高而只能在低端市场恶性竞价。电源市场繁荣的背后,也凸显了很多行业的问题,企业创新能力不足、同质化产品严重、制造工艺不成熟、产品的一致性差、行业价格战等痛点,国内企业对于高端产品的研发投入少,害怕失败和创新的投入,这些问题不解决,中国的电源IC产业很难和国际媲美。目前,电源管理芯片正朝着高效低耗化、集成化、内核数字化、智能化等趋势发展,高端的电源芯片正是市场的刚需。
正是因为门槛不是很高,很多国内的新公司通过无晶圆模式切入到电源IC市场,但是这些企业往往定位在电源的中低端电源管理芯片领域,做到最后往往受制于价格的巨大波动,行情不好也容易导致公司业绩波动。
对于国内企业从事中高端电源芯片产品,一个最大的壁垒就是缺乏产业链的配合以及昂贵的晶圆制造成本,没有自己的完善产业链,电源IC企业想角逐高端市场难上加难,企业发展自然也受限。
在笔者采访的企业中,有一家老牌的电源IC企业,它们正在用高端的电源产品对标国际大厂。深圳芯茂微电子是一家位于深圳罗湖的高端电源IC厂商,公司拥有自己的封装厂,具备电源的全产业链优势,主要聚焦在BICMOS和BCD工艺平台进行产品研发,贴近客户需求进行正向定义、设计、封装、测试和销售芯片产品,其芯片广泛应用在物联网、智能家居、消费类电子、通信、计算机、机器人、无人机、电力电子和医疗电子等领域。
虽然国内电源厂商近年来取得了一定的成绩,但是这远远不够。曾经有业内人士说道,中国的电源管理芯片市场份额八成被欧美厂商垄断,国内企业在高端领域的市占率不到一成。国产替代形势严峻。狭路相逢勇者胜,芯茂微电子的市场策略就是和顶级国际厂商竞争并占领市场,取得客户对公司的认可。芯茂微表示,对标美国PI、MPS、ON、NXP、TI等厂商是公司目标,现阶段主要聚焦1000W以下模拟电源,2030年成为AC-DC电源芯片领域全系列的国产产品第一的供应商。
芯茂微电子总经理赵鑫表示,"芯茂微电子聚焦于AC-DC电源管理芯片,所谓AC-DC,就是高压交流电转为低压直流电,可以说是所有用电设备的工作基础。经过10年的积累,产品功率从5W突破到300W,拥有数十项国内发明专利及海外PCT,销售数量及金额已进入AC-DC电源芯片领域国内前三甲。"
凭什么角逐高端电源芯片大蛋糕?
对于电子设备所具备的功能越多,性能越高,其结构、技术、系统就越复杂,电源管理芯片的性能离不开先进的工艺和设计技术,新的工艺、封装和电路设计技术能提高电源功率密度、延长电池寿命和减少电磁干扰以及增强电源和信号完整性,从而让芯片系统更安全。对于高端的电源芯片厂商芯茂微电子而言,这些核心的技术它们掌握了精髓。
能进入高端的电源IC市场,必须具备强大的质量管控能力。据悉,芯茂微的全线产品均通过ISO9001,14000和18000的质量体系认证,芯茂微也承担了"Gan高频电源驱动芯片"深圳市技术攻关项目,参与了2019年广东省重大专项,对每一个电路的设计产品质量的严格把关,是芯茂微取得技术突破、获取成功的第一要素。在芯片制造过程和封测出货过程,芯茂微都选择国内首屈一指的制造商合作,确保制造过程中的质量管控,客户满意始终是我们的质量目标。完善的产品停产管控体系、客诉管控体系、产品迭代管控体系、生产管控体系和新品开发管控体系是芯茂微质量保证的关键。
芯茂微电子的"杀手锏"
1、完善的电源芯片全产业链
随着工业领域对大功耗器件节电的需求,5G、物联网、智能电表、电动 汽车 、智能机器人等新兴应用也需要更好质量的电源管理IC,电源管理芯片产品的发展趋势表现为多样化,体现在供电电压趋势、数字电源管理趋势、产品设计周期缩短趋势、产品面积缩小趋势和低成本趋势等。芯茂微的全产业链优势就是能更好的控制产品质量和成本,从电源芯片的工艺开发、系统定义、产品定义、芯片设计、版图设计,再到产品的流片中测、封装成测、功能性验证、质量与可靠性验证、批次性验证、系统验证应用方案等,这些都是芯茂微自己的团队完成,可控性很强。通常情况下,包含所有环节的设计公司不足15%,很多同行的公司缺乏工艺开发、系统定义、产品定义、质量与可靠性验证、批次性验证、系统验证等环节,拥有完善的电源芯片全产业链公司具有很大的市场优势。
芯茂微表示,公司上游供应链中,晶圆代工部分均在全球排名前十的FAB厂商,如TSMC、华虹宏力等,封测代工部分在均全球前十的封装厂进行代工,如长电 科技 、华天 科技 等,稳定的供应链正是产品优秀质量的保证。
对于工艺技术的持续投入,正是芯茂微不断发展和壮大的"利器"。2020年3月,衡阳市第一批产业项目集中开工仪式视频会议在高新区举行,湖南矽茂5G半导体产业园在开工仪式上全面启动,该项目总投资10亿元,项目公司为湖南省矽茂半导体有限责任公司,深圳芯茂微就是其大股东。
2、先进的工艺和技术
和设计企业相比,掌握晶圆制造能力的设计公司无疑是拥有更多的技术优势。欧美和台湾地区正是掌握了这个核心,占据领先位置多年。由于电源管理IC的技术成熟度越来越高,产品的差异化成为抢占市场的关键。
BICMOS是把双极型晶体管和CMOS器件同时集成在同一块芯片上的新型的工艺技术,它集中了上述单、双极型器件的优点,取长补短,针对高速和高性能的芯片生产。芯茂微已经推出了独特的700V BCD工艺平台、12W 以内内置BJT AC-DC 电源芯片、同步整流技术、高压BUCK非隔恒压恒流电源芯片、200W以上大功率正反激系列原副边配套芯片等。
据悉,芯茂微的700V BCD 工艺平台优势在于拥有自主知识产权,先进的衬底终端技术、功率集成技术、内部多种器件集成等应对市场的高度集成化需求,可以定制客户需求的各种不同类型的功率器件及控制芯片,这个平台获得了国家 科技 进步二等奖。
随着5G及快充的逐步普及和应用,产品功率提升要求增加,要求同步整流耐压更高、内阻更低,DCM模式也会转向CCM模式,在CCM模式下对同步整流开通和关断的检测与控制技术要求更高。高功率密度、小型化都是今后的主流,要求同步整流的检测、环路响应及控制的速度要更快。
据介绍,同步整流芯片技术在高功率密度电源领域应用上有很大优势,芯茂微在同步控制器研发阶段的时间超过6年,技术水准和产品稳定性处于行业领先水平。芯茂微相关人员表示,公司主要聚焦18~300W适配器市场,芯茂微做的合封高压同步整流芯片性能,目前已在亚洲区域领先,并助力2018年的央视春晚及元宵晚会显示大屏。在PD快充市场、生活电器市场、手机充电器市场领先对手至少一代,如LP2801、LP3667、LP3669系列产品,均具有外围简洁、高性能、高可靠性、低功耗等特点。
据了解,2009年,芯茂微推出了国内第一款高压 700V工艺芯片LP2703/45,量产产品的功率从12W提升到国内领先的500W。2014年,芯茂微推出自供电 AC-DC 电源芯片LP377X/378X等系列产品,深得客户认可,累计出已超过40亿颗,目前出货平均50KKPCS/M。2020年10月,单月订单已突破1.87亿颗。针对大功率正激电源,芯茂微电子在2018年量产了LP9901,SRC01等同步整流控制芯
片,所生产的产品已经进入春晚市场。2020年推出行业集成度最高LP3715/6C系列自供电产品,凭借优异的性能和可靠性,得到了联想等大客户的认可。
五年后目标是在AC-DC领域国际前五
如今,芯茂微电子已在高端电源芯片领域取得了很多成绩。2018年,获批GaN电源驱动芯片深圳市技术攻关项目,200W电源整流芯片被春晚电视墙采用,是物联网wifi模块AC-DC电源管理芯片行业标准牵头单位;2019年,公司量产销售产品功率提升到500W,获批广东省重大专项"Si 衬底上 GaN 基功率器件的关键技术研究及应用,在AC-DC模拟电源芯片领域销售数量和金额领先友商。
提升产品的工艺良率、稳定性和产品可靠性是公司的目标。公司的团队实力强大,涵盖电源芯片的工艺开发,系统设计,电路设计、版图,产品验证、测试、封装、考核,系统验证、考核,质量体系,销售,财务,人事等。未来,在5G、AI、物联网、新消费电子、 汽车 电子等应用对电源芯片的需求增加,国内的电源芯片厂商迎来了一个反超国际大厂的良好机会。芯茂微电子总经理赵鑫表示,集成电路是个非常艰苦的行业,为了吸引人才,留住人才,发挥人才的主观能动性,芯茂微的持股员工数已超过总员工总数量的20%。未来,我们会在专注人才投入的同时,大力增加研发资金的投入,产品功率突破到10KW,进入本领域国际前五强。
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