La creatività analogica

Mentre l’elettronica digitale, realizzata con circuiti Mos, continua il proprio percorso di progressiva integrazione e riduzione delle geometrie sul silicio, la strada seguita dall’elettronica analogica è leggermente diversa e tende a separarsi sempre più nettamente, da tutti i punti di vista, tecnologico, progettuale, economico. In effetti il transistor bipolare, che nell’analogica continua a essere il circuito fondamentale, è molto diverso dal transistor Mos e sebbene le soluzioni miste non siano così rare, i circuiti integrati per radiofrequenza, gli amplificatori di precisione, i riferimenti di tensione e corrente, i circuiti a basso rumore e molti altri tipi di componenti per raggiungere le prestazioni migliori, richiedono sempre la tecnologia bipolare. Inoltre, per questo tipo di tecnologia le realizzazioni sono particolarmente legate al tipo di processo produttivo, e quindi alla singola foundry ovvero al singolo produttore: difficilmente esistono circuiti integrati analogici che possano vantare una second source. Gli integrati analogici hanno anche evitato fino ad ora l’esasperata riduzione delle geometrie tipiche dei circuiti Mos e quindi la densità di integrazione è rimasta pressoché invariata nel tempo; in effetti alcuni integrati bipolari hanno esattamente le stesse dimensioni di chip che avevano alcune decine di anni fa. Non che l’esigenza verso una maggiore integrazione non si sia fatta sentire su questo versante dell’elettronica; ad esempio i circuiti di conversione analogica-digitale sono il caso tipico di miglioramento delle prestazioni (velocità e precisione) che è andato di pari passo con la diminuzione delle geometrie, fino a permettere di convertire a Mbit/s con 16 bit di risoluzione. In pratica questi sviluppi hanno reso possibile aggiungere alcune funzioni digitali ai classici circuiti analogici, come avviene nei moderni controller per alimentatori in cui le funzioni di controllo di tensione e corrente sono integrate nello stesso chip di conversione della potenza. Un altro risultato è stato la diffusione dei transistor Dmos, che possono gestire tensioni relativamente elevate e permettere di integrare su singolo chip convertitori di potenza, regolatori switching e circuiti simili.

La creatività analogica
Dal punto di vista prettamente ingegneristico, poi, i circuiti analogici sono ancora caratterizzati da una notevole dose di innovazione legata agli sviluppi concettuali proposti dai team di progettazione e molto spesso creati in modo da essere sinergici con i processi costruttivi proprietari: insomma l’analogica premia ancora la creatività e la capacità di trovare soluzioni innovative dei bravi progettisti e permette alle aziende che dispongo di adeguate risorse interne di diversificarsi rispetto alla concorrenza, senza il rischio di appiattimento o di proliferazioni di soluzioni praticamente tutte uguali. In questo senso è anche premiante l’esperienza accumulata nel tempo e questo spiega perché le aziende protagoniste nel settore sembrano continuare a primeggiare da sempre. I miglioramenti incrementali della tecnologia si riscontrano più facilmente nei circuiti integrati a segnali misti, mentre nei circuiti integrati analogici puri a volte è già stato praticamente raggiunto il limite teorico di alcuni parametri tipici e quindi è difficile prevedere ulteriori progressi.
La situazione descritta implica anche un diverso andamento della curva dei prezzi per i circuiti integrati analogici. Anche se molti ipotizzano una progressiva discesa simile a quella dei componenti digitali la situazione è molto diversa: il fatto che la dimensione del die sia principalmente collegati ai valori di tensione e di corrente che devono essere controllati è già un indicatore della difficoltà di ridurre progressivamente il costo del singolo componente; inoltre, mentre per un integrato digitale in pochi anni la produzione in volume deprime la domanda e spesso prelude alla conclusione del ciclo di vita, per un chip analogico, alcuni anni sono semplicemente il periodo di tempo necessario ad una reale ottimizzazione delle prestazioni in funzione del processo; se, come detto in precedenza, alcuni tipi di componenti hanno una architettura rimasta praticamente invariata da oltre venti anni, non sarebbe realistico ipotizzare una continua riduzione di prezzo per un tale periodo di tempo. In attesa di capire se le innovazioni delle nanotecnologie o dei circuiti molecolari potranno trovare applicazioni anche su amplificatori operazionali e simili, gli sforzi si concentrano nei circuiti a segnali misti che raccolgono l’interesse sia dai protagonisti del mercato degli IC digitali che quello dei leader del mercato analogico ovviamente partendo da punti di vista e obiettivi diametralmente opposti ma con un approccio comune, ognuno sviluppando sostanzialmente propri blocchi circuitali (digitali in un caso e analogici nell’altro) da aggiungere ai propri prodotti standard. A questo punto diventa fondamentale disporre di tool Eda idonei a rappresentare le scelte circuitali garantendone la producibilità anche con processi submicrometrici. Tool di questo tipo, che includono anche strumenti per la verifica e validazione del progetto, vengono proposti dai big del settore (Mentor e Cadence).

L’andamento del mercato
Potrà sembrare strano, ma dal punto di vista degli andamenti di mercato, IC analogi e IC digitali non denotano grandi differenze; i valori di fatturato, pur ovviamente diversi, seguono negli ultimi anni un trend sostanzialmente parallelo e simile a quello dell’industria dei semiconduttori nel suo complesso. Tra i circuiti integrati analogici, i dispositivi per il controllo e la gestione della potenza (tipicamente regolatori di tensione) sono il segmento più vasto e con tassi di crescita più interessanti, visto che il controllo della potenza e delle alimentazioni diventa sempre più sofisticato e sempre più onnipresente, grazie al costante sviluppo di nuove funzioni negli apparati elettronici. Un moderno telefonino, ad esempio utilizza un paio di processori, quattro o cinque transceiver diversi (ognuno dei quali dotato di propri amplificatori di potenza) e di vari regolatori di tensione collegati alle diverse caratteristiche specifiche dell’apparato come la navigazione internet wireless, la macchina fotografica ad alta risoluzione, lo schermo touchscreen, la radio FM, il Gps ecc. Anche se i regolatori di tensione vengono spesso integrati nei chip di power management (che vengono considerati IC digitali application specific), non è raro trovare oltre venti regolatori in un singolo apparato, anche perché il passaggio ad alimentazioni a valori di tensione sempre inferiori per la circuiteria Cmos non elimina la necessità di avere alimentazioni separate a 12 V oppure a 5 V che si traduce in costante domanda per gli IC analogici di regolazione. Nella gestione delle alimentazioni vengono generalmente utilizzati regolatori lineari oppure circuiti a commutazione; mentre i primi prevedono un’architettura basata su transistor bipolari con un amplificatori operazionale per il segnale di retroazione (componenti molto comuni, e quindi poco costosi) ma purtroppo non particolarmente efficienti), i regolatori a commutazione prevedono la presenza di modulatori a modulazione di larghezza degli impulsi per controllare la corrente continua sull’induttanza e in questo caso si tratta di componenti più sofisticati, più costosi ma più efficienti dal punto di vista di consumi di energia e quindi più apprezzati in questi tempi di massima attenzione all’efficienza energetica. Un regolatore di tensione con un’efficienza dell’80% dissiperà sempre in calore il 20% dell’elettricità che riceve: quindi avere un regolatore con un’efficienza dell’85% o addirittura del 90% significa un miglioramento notevole. In più i regolatori switching sono la scelta privilegiata di applicazioni che sono in costante sviluppo, ad esempio i circuiti di comando della retroilluminazione a Led dei display, oppure nei decoder televisivi o nei caricatori dei sistemi a batteria.

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