Mixed-signal ontwerp: waar de analoge en digitale wereld op één chip samenkomen
Elke smartphone, elk hoortoestel en elke moderne auto zit vol piepkleine chips die twee volledig verschillende "talen" moeten spreken. De fysieke wereld om ons heen — geluid, licht, temperatuur, beweging — is analoog: signalen die geleidelijk veranderen, zonder sprongen. Computers rekenen juist in digitale signalen: reeksen nullen en enen, met scherp gescheiden aan- en uit-standen. Mixed-signal ontwerp is de tak van de chipindustrie die deze twee werelden op één en dezelfde chip samenbrengt, zodat analoge en digitale onderdelen naadloos met elkaar kunnen samenwerken.
Een handige vergelijking is die van een simultaantolk. Een spreker praat in vloeiende, ononderbroken zinnen (analoog), maar de tolk moet dat razendsnel omzetten in precieze, afgebakende woorden voor het publiek (digitaal) — en soms weer terug. In een smartphone gebeurt precies zoiets: je stem laat het membraan van de microfoon trillen, wat een continu variërend elektrisch signaal oplevert. Een onderdeel dat een ADC heet (analoog-naar-digitaal-omzetter) hakt dat signaal duizenden keren per seconde in stukjes en zet het om in getallen die de processor kan verwerken, bijvoorbeeld om ruis weg te filteren. Aan het einde van de keten zet een DAC (digitaal-naar-analoog-omzetter) de bewerkte digitale data weer om in een analoog signaal dat de luidspreker kan laten trillen. Die hele keten zit vaak op één klein stukje silicium: dat is mixed-signal ontwerp in de praktijk.
Wat is het precies?
Digitale circuits werken met maar twee spanningsniveaus, die we als 0 en 1 lezen. Dat maakt ze relatief ongevoelig voor kleine storingen en goed automatiseerbaar: ontwerpers schrijven de gewenste werking in een programmeertaal-achtige beschrijving (zoals Verilog of VHDL) en gespecialiseerde software zet dat vrijwel automatisch om in een werkend circuit. Dit proces heet synthese.
Analoge circuits werken anders. Ze verwerken continue signalen rechtstreeks: versterkers, filters, de eerder genoemde ADC's en DAC's, en zogeheten RF-front-ends die radiosignalen voor draadloze verbindingen (wifi, bluetooth, 5G) ontvangen en versturen. Ook een PLL (phase-locked loop) hoort hierbij: een schakeling die een stabiele kloktik genereert waarop de rest van de chip synchroon loopt. Analoge circuits zijn veel gevoeliger voor ruis, temperatuurschommelingen en kleine productieverschillen tussen chips, en het ontwerpen ervan is nog grotendeels handwerk. Ontwerpers testen hun schakelingen met simulatiesoftware die op transistorniveau rekent (bekend als SPICE-simulatie) en moeten de fysieke plaatsing van elk onderdeel — de zogeheten floorplanning — zorgvuldig met de hand uitdenken.
Het lastigste onderdeel van mixed-signal ontwerp is niet het analoge of digitale deel apart, maar de wisselwerking ertussen. Digitale schakelingen schakelen miljarden keren per seconde aan en uit, en dat schakelen veroorzaakt kleine elektrische storingen die via de siliciumdrager van de chip kunnen "lekken" naar gevoelige analoge onderdelen ernaast. Dit noemt men crosstalk of substraatruis. Ontwerpers bestrijden dit met technieken als aparte voedingslijnen voor analoge en digitale delen, beschermende "guard rings" rond gevoelige circuits, en een fysiek ontwerp waarbij lawaaierige digitale blokken zo ver mogelijk van stille analoge blokken worden geplaatst.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is integratie: door analoge en digitale functies op één chip te combineren in plaats van in aparte chips, wordt een apparaat kleiner, goedkoper en zuiniger, omdat er minder verbindingen tussen losse chips nodig zijn. Zulke combinatiechips worden vaak een SoC genoemd, een system-on-chip.
Deze aanpak maakt compacte sensoren en dragbare elektronica (wearables) mogelijk, van fitnesstrackers tot medische implantaten. In telecommunicatie is mixed-signal techniek onmisbaar voor 5G en de toekomstige 6G-netwerken, waar radiosignalen (analoog) razendsnel omgezet moeten worden naar data (digitaal) en omgekeerd. In de auto-industrie verwerken mixed-signal chips signalen van radar-, lidar- en camerasensoren voor rijhulpsystemen. In de zorg maken ze piepkleine, energiezuinige implantaten mogelijk die jarenlang op een klein batterijtje moeten werken. En in opkomend onderzoek naar "edge AI" — kunstmatige intelligentie die lokaal op een apparaat draait in plaats van in de cloud — wordt gekeken of analoge rekentechnieken data-verwerking energiezuiniger kunnen maken dan pure digitale verwerking.
Voorbeelden uit de praktijk
Een bekend voorbeeld is de Medtronic Micra, een loodloze pacemaker die sinds 2016 op de markt is. Het apparaat is niet groter dan een grote vitaminepil en bevat een mixed-signal chip die continu de zeer zwakke, analoge elektrische signalen van het hart meet en digitaal verwerkt om te bepalen of en wanneer een elektrische puls nodig is — met een batterij die jarenlang moet meegaan.
In de telecomsector maakt fabrikant Analog Devices al enkele jaren chips zoals de AD9081, een zogeheten RF-data-converter die radiosignalen rechtstreeks digitaliseert voor gebruik in 5G-basisstations en radarsystemen. Dit soort chips illustreert hoe mixed-signal ontwerp de brug slaat tussen antennes (analoog) en digitale signaalverwerking.
Een ander voorbeeld betreft niet een product maar de toegankelijkheid van de techniek zelf: in 2020 maakten Google en chipfabrikant SkyWater een open-source PDK (process design kit, een verzameling technische bestanden die nodig zijn om een chip voor een specifiek productieproces te ontwerpen) beschikbaar voor een 130-nanometer productieproces. Voor het eerst konden studenten en kleine bedrijven zonder torenhoge licentiekosten zelf mixed-signal chips ontwerpen en laten produceren.
Tot slot bevatten vrijwel alle moderne smartphones, van iPhones tot Android-toestellen, mixed-signal SoC's met geïntegreerde audiocodecs (de chip die geluid omzet tussen analoog en digitaal) en RF-front-ends voor wifi, bluetooth en mobiel internet. Dit is inmiddels zo gangbaar dat het nauwelijks nog opvalt hoeveel mixed-signal techniek in een doorsnee zak schuilt.
Hoe ver is de techniek?
Mixed-signal ontwerp is geen nieuwe hype maar een volwassen vakgebied: de eerste geïntegreerde ADC's en DAC's dateren al uit de jaren zeventig en tachtig. Toch blijft het veld volop in ontwikkeling, gedreven door nieuwe toepassingen die steeds hogere eisen stellen.
Een belangrijke uitdaging is dat analoge circuits minder goed meeschalen dan digitale circuits wanneer chipfabrikanten overstappen op kleinere productieprocessen ("nodes" genoemd, aangeduid met steeds kleinere getallen zoals 5 nanometer of 3 nanometer). Digitale transistors worden op zulke geavanceerde nodes kleiner, sneller en zuiniger, maar analoge schakelingen profiteren daar veel minder van en moeten vaak grotendeels opnieuw ontworpen worden. Dit staat in de sector bekend als de "analoge schaalkloof". Daarnaast kampt de industrie met een structureel tekort aan ervaren analoog-ontwerpers, omdat dit specialisme jarenlange praktijkervaring vergt en zich moeilijk laat automatiseren.
Er wordt onderzoek gedaan naar het gebruik van kunstmatige intelligentie om analoge layouts (de fysieke plaatsing van onderdelen op de chip) sneller te helpen ontwerpen, bijvoorbeeld via machine learning voor floorplanning. Dit onderzoek staat echter nog in een vroeg stadium en de resultaten worden in de sector met enige scepsis bekeken; van volledige automatisering van analoog ontwerp is vooralsnog geen sprake. Ook de vraag naar chips die geschikt zijn voor hogere frequenties (voor 5G- en toekomstige 6G-communicatie in het millimetergolfgebied) en naar chips met extreem laag stroomverbruik voor batterijgevoede sensoren en implantaten blijft ontwerpers voor nieuwe problemen stellen.
Wie werken eraan?
De markt voor mixed-signal chips wordt gedomineerd door een aantal gespecialiseerde halfgeleiderbedrijven, waaronder Analog Devices en Texas Instruments uit de Verenigde Staten, Infineon uit Duitsland, STMicroelectronics en NXP Semiconductors. NXP heeft Nederlandse wortels: het bedrijf is in 2006 voortgekomen uit de halfgeleidertak van Philips en heeft nog altijd een groot ontwikkelcentrum in Eindhoven. Ook grote chipontwerpers als Qualcomm, Broadcom en het Taiwanese MediaTek ontwikkelen uitgebreide mixed-signal onderdelen voor hun chips.
De daadwerkelijke productie gebeurt vaak bij gespecialiseerde fabrieken (foundries) zoals het Taiwanese TSMC, GlobalFoundries en Samsung Foundry. Op onderzoeksgebied speelt het Belgische onderzoeksinstituut imec in Leuven een vooraanstaande rol op het gebied van geavanceerd chipontwerp, inclusief mixed-signal en RF-technologie. Ook het Duitse Fraunhofer IIS, het Franse CEA-Leti en Nederlandse universiteiten als de TU Delft en de TU Eindhoven doen onderzoek naar analoge en mixed-signal schakeltechniek. De software waarmee dit soort chips wordt ontworpen, komt grotendeels van een klein aantal gespecialiseerde bedrijven: Cadence Design Systems, Synopsys en Siemens EDA.
Geografisch is de sector sterk geconcentreerd rond de Verenigde Staten (ontwerp), Taiwan (productie), en een Europese onderzoekscluster rond Nederland, België en Duitsland.