利用黄金打造的芯片嘚极限性能！

     在电子设计领域，可能对部分音响发烧友的工程师朋友来说黄金在电子产品中的应用印象大概来自那个音频信号“无损”傳输高保真音响顶配的镀金音频线开始。更多的工程师是从坊间芯片提炼黄金的媒体报道中获知。其实我们身边不乏这样的“黄金芯爿”，ADI  发布的 RF MEMS 开关再次将黄金的优良金属性能在芯片中的应用发挥到极致我们不妨来看看这些黄金造的芯片过人之处。

神秘黄金结构件咑造革命性的开关性能

开关的关键优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了 0 Hz/dc  精密性能、宽带RF性能以及比继电器优越得多的可靠性此外，该系列 MEMS 开关设计固有的“逆天”性能还表现如下：精密直流性能：已实现

亿次动作循环这远远超过了当今市场上的任何机械继电器，後者的额定循环次数通常少于 1000 万次       功率处理(RF/dc)：已在全部工作频段上测试了 40dBm 以上的功率，在较低或较高频率时性能不下降对于直流信号，该开关技术允许 200mA

       上面这些性能无疑都是非常出色的这也是为什么过去  30 年来 MEMS 开关一直被标榜为性能有限的机电继电器的出色替代器件——因为它易于使用，尺寸很小能够以极小的损耗可靠地传送 0Hz/dc  至数百GHz信号，有机会彻底改变电子系统的实现方式但由于传统工艺的局限性，这种美好的性能一直也只能是一种想象而 ADI  推出的这两款芯片第一次真正的实现了商业化的应用。而在里面发挥关键作用的就是下圖的黄金打造的 MEMS 悬臂开关梁。

图1：MEMS开关芯片中的关键结构件——镀金MEMS悬臂开关梁

        习惯于电路设计的工程师，可能并不习惯  MEMS 芯片内部的结構件事实上每一个 MEMS 器件都拥有大量的机械结构部件。上图展示的就是被 ADI  工程师们私下称为“金手指”的黄金悬梁臂结构件显微图仅厚 6 微米的小巧结构有 5  根手指（触点），而这是该开关器件能成为业界革命性产品的关键ADI 投入了大量资金研发镀金技术，借助专门的 MEMS  生产线咑造这些高度一致的产品

       “金手指”采用静电动作方式，在悬臂梁下方施加高压直流电压以控制开关导通当导通时，静电吸引力将悬臂拉下来全部  5 个触点都降下来，每个触点的导通电阻均为 5 欧姆组合后，整体导通电阻会小很多能让更大功率通过。经过测试“金掱指”的传输功率可达  36dBm。

 悬臂梁由黄金制造不过金对金的接触设计并不利于提升动作寿命，所以触点材料改用硬质合金金属因此其使鼡寿命——即开关次数得到了大幅提升。“金手指”导通时的实际移动距离只有0.3微米微小的移动距离、以及ADI专利的密封壳技术，均有助於提高可靠性可靠性是机械设计的关键。由四组‘金手指’构成的MEMS继电器产品可以实现10亿次的开关寿命单就动作次数而言，这已称得仩是开关领域最具革命性的突破了！

 引线焊盘也是利用金线焊接将MEMS芯片连接到一个金属引线框然后封装到塑料四方扁平无引线(QFN)封装中以便能轻松表贴在PCB上。芯片并不局限于任何一种封装技术这是因为一个高电阻率硅帽被焊接到MEMS芯片，在MEMS开关器件周围形成一个气密保护外殼无论使用何种外部封装技术，这种气密外壳都能提高开关的环境鲁棒性和使用寿命

图2：驱动器IC（左）和MEMS开关芯片（右）安装并线焊茬金属引线框架上。

采用黄金材料的合金在高温中经受“炼狱般的考验”

      上面的开关产品中很好地利用了黄金的良好导电性而其实黄金嘚优良物理化学特性还包括具有极高的抗化学腐蚀和抗变色性能力，并且在1000摄氏度高温下不熔化、不氧化、不变色、不损耗而其抗高温特性同样在电子产品中获得很多应用。

   许多应用需要能在125℃以上环境下工作的信号处理解决方案但对于采用标准设计的集成电路其最高笁作温度通常仅规定为125℃。无论是在地下一英里处操纵油钻还是对喷气式发动机进行精密测量都需要在接近极端温度的环境下作业，因此需要借助专门的解决方案来保证性能和可靠性对于这类要求严苛的应用，ADI提供了专为极端温度设计的产品该产品系列经认证可在175℃臸210℃高温环境下工作，特别适合对石油和天然气勘探、地热监测、工业引擎控制及其他应用

   事实上，通常如果将这类集成电路暴露于极端温度环境下其性能和可靠性往往还会受许多因素的影响而有所降低。例如衬底漏电流以指数方式增加以及器件参数随温度变化都会導致性能大打折扣。而诸如电子迁移等硅片级问题以及线焊磨损等封装级问题也会损害可靠性为了克服这些挑战，ADI的高温产品系列特别采用了创新硅工艺、封装和测试技术进行设计并且经认证可在高温环境下工作。

这其中基于黄金材料的工艺发挥了重要作用，ADI专为HT塑料封装打造的线焊工艺是在高温环境中保证封装可靠性的另一项主力技术普通的金/铝线焊将随着温度的升高而退化，形成含空隙的易碎金属间化合物削弱焊接强度。整个过程可能只需要几百个小时ADI在HT塑料封装多加了一道镍钯金金属化工序以获得金焊盘表面，然后与金線一起实现精致的金属焊接从而避免形成金属间化合物。下图显示了使用该项技术所获得的可靠性提升——在高温环境中标准金/铝焊接在500小时后便会出现明显的空隙并形成金属间化合物，而右侧采用镍钯金金属化工艺的焊接在6000多小时后依然完好无损

图3：195℃下500小时后的金/铝线焊。

图4：195℃下6000小时后加装镍钯金隔离的金/金线焊

与RISC-V师出同门一个如日中天，一個无人再提MIPS这些年都经历了什么？ 曾经能与Arm、X86比肩的MIPS如何日落西山，屡遭“卖身”最后被后辈收入麾下？ 但日渐边缘化的MIPS在开源计劃又再度搁浅之后 这个RISC先锋的未来成为很多从业者关注的重点。

眼见他平地起眼见他日落西山

作为业界最为经典的精简指令集架构之┅，MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一过去曾有一段不短的时间，与 Arm、X86架构在各领域拥有相提并论的地位 

1980年，精简指令集RISC诞生1984年，斯坦福大学前校长John LeRoy Hennessy与他的团队一起创立了MIPS 他们的商业模式就是将做好的芯片设计方案授权给其他厂商，让他们可以方便地制造出高性能的CPU

MIPS企业成立早期也生产自己的处理器，而且他们在设计上非常具有前瞻性成立第二年就推出了第一个处理器设计R2000；三年后推出了R3000，其中R3000昰其在市场上首款流行起来的产品销售超过百万颗，后续的R3000A更是创造了过亿销售的记录；甚至在1991年就推出了64bit的设计R4000要知道其竞争对手Arm箌了2012年才大范围推广64bit处理器设计。

回顾历史MIPS在90年代曾经一度辉煌过，Pacemips、IDT和东芝等半导体公司都采用MIPS的设计来制造芯片其生产的芯片也被Sony和Nintendo的游戏机，Cisco的路由器和SGI超级计算机等终端设备采用尤其是家用路由器市场，到现在每年生产的超过160亿微处理器中99%是RISC处理器。 过去吔曾当作高效能计算架构使用到超算平台上

但错失了智能手机广泛使用时代，以及Arm的巧攻使MIPS迎来了“失落的十年”（2007到2017）。

由于MIPS的产品从设计之初就以Intel的X86为对标产品主打高性能；反观Arm，从诞生开始就瞄准嵌入式低功耗领域 这个由老学究创立的企业由于对商业的敏感喥不足，当Arm开始联合高通、苹果、联发科等公司面向智能手机广泛使用市场打造移动处理器芯片的时候MIPS依然沉浸在高清盒子、打印机等尛众产品市场。 归根结底还是学院派和商业派的区别使然。

终于在21世纪智能手机广泛使用市场大爆发的年代，Arm一下子走上舞台中央洏MIPS由于聚焦在中高端并没有功耗的优势，限制了其在智能手机广泛使用上大展拳脚

MIPS的迟缓导致他们失去了最关键的十年。

另一个击败MIPS的洇素是授权方式MIPS收取IP授权要比指令集授权更贵，而且允许添加指令这就使得大佬们纷纷自行设计MIPS核心、添加指令、发布开发工具，碎爿化严重 而Arm反其道行之，指令集授权远远比IP授权要贵控制了碎片化。 当时Arm还极有眼光的设计了全世界最好用、最便宜的USB调试工具吸引了一批码农，从而构建了巨大的Arm开源软件库

当然致使其衰落还有一个因素是授权模式和费用。 由于Arm一直在低功耗嵌入式领域的聚焦使其授权方式极具灵活性，主要是IP授权的多因为架构授权要贵很多，很好的控制了碎片化且在价格上颇具优势，也因此吸引了更多厂商（TI、LSI等）以及学生的关注和加入Arm的生态系统得以很好的完善； 而MIPS主要是架构授权，并且允许添加指令码农们纷纷自行设计，导致碎爿化严重再加上由于后期MIPS经营不善，架构的改朝换代缓慢且未能配合主流操作系统与设备生态优化潮流，这就失去了IP授权所具备的推絀速度软件高兼容的特点。

因此MIPS逐渐被市场抛弃只好目送Arm一步步走向成功。 最终由于Arm体系对嵌入式领域和移动设备市场的不段蚕食洅加上MIPS逐年的经营不善，最后曾经风光一时的企业无奈走向破产

MIPS几经转手，命途多舛

对于Arm来说MIPS的专利相当有价值，特别是64位和多线程楿关的专利 因为Arm的64位架构跟MIPS 64位有70-80%的相似度，如果此时不参与收购那么日后很可能陷入和MIPS专利拥有者长久的专利诉讼战，仅仅只用3.5亿美え就解决这个潜在的隐患Arm乐意之至。 所以Arm收购了其接近500项专利

收购MIPS，Imagination是为了加强自身的CPU业务并且看中了MIPS强大的产品集以及安卓架构嘚支持和对中国的授权。 因此Imagination则收购了MIPS公司实体和82项与MIPS处理器核心架构有关的核心专利 同时Intel作为Imagination的第一大股东，收购MIPS从侧面也可以牵制Arm嘚发展

 虽然MIPS大多数专利被Arm收购了，但是仍有350多项专利 然而MIPS几年之间多次被收购，辗转于各个公司之间致使其支持的力度和开发的持續性都受到了影响。因此业内有观点认为“MIPS架构的认可度并没有下降，但是影响力下降明显”

Arm早些年能够获得成功的一个主要原因是哃时拥有了CPU和GPU，这两者的结合让他们在移动时代所向披靡 而只有CPU的MIPS和原来只有GPU的Imagination的下场，都揭露了现在市场的集成化优势 晶圆代工产業的流行，IP供应商的崛起通过厂商之间的整合来解决大部分问题，提供更简便的解决方案这在以前乃至对未来的物联网时代都显得非瑺重要。 发力的AI领域Wave Computing其年轻又新鲜的DPU架构结合MIPS，除了布局边缘计算外也将可能带给市场一个完整的计算架构。

然而RISC家族的另一成员RISC-V的吙爆再次将MIPS无情打压。

Arm之后又迎RISC-V开源也是昙花一现

数十年内，以英特尔为代表的CISC架构、Arm架构、MIPS架构你争我斗好不精彩，谁能想到RISC-V的異军突起以其极具灵活和开放的特点打乱了整个市场，且发展势头猛进令各大架构群体无不有所忌惮。

正当外界几乎快要忘却MIPS这枚昔ㄖ巨星时2018年底，大胆的新东家Wave Computing宣布对最新的R6指令集进行开源旨在加速MIPS指令集架构的普及，帮助已逐渐边缘化的MIPS指令集架构重回正轨

Wave嘚高级副总裁兼首席商务官Lee Flanagin在一份声明中说： 在MIPS Open下开发的基于MIPS的解决方案将补充我们现有和未来的MIPS IP核，Wave将继续在全球范围内创建和授权MIPS IP核作为我们整个系统、解决方案和IP组合的一部分。 这将确保当前和新的MIPS客户拥有广泛的解决方案可以从中选择他们的SoC设计，并且还可以訪问充满活力的一个MIPS开发社区和生态系统

纵观整个行业的架构形势，对国内公司来说X86架构已然没有优势了，Arm也授权购买如今开源的CPU指令集有RISC-V及MIPS两个选择了。 但“开源不等于免费”其实MIPS OPEN的真正意义在于加强推广MIPS内核与生态系统，开放ISA指令集 业界认为MIPS Open是开发与创收的岼衡点，因为它就是扩展使用者及生态双赢的商业模式

UltraSoC首席执行官Rupert Baines表示，“考虑到RISC-V的势头MIPS开源是一个有趣，精明的举动 ”他表示，“MIPS已经拥有大量优质工具和软件环境 这是一种放大MIPS自身优势的智能方式，而且不会损失太多 ”

MIPS最大的优势在于，它是一个经过多年验證、曾经大量出货的经典架构至今仍得到许多电子工程师的尊重，有大量的资料和参考书籍可以学习 另外，MIPS还提供专利保护和中央授權避免ISA碎片化这两者都是RISC-V所缺乏的。

对于MIPS本身而言MIPS未来的成功很大程度上取决于生态建设和社区发展。 但相比于现在如日中天的Arm和后起之秀RISC-V能否及时响应使用者的需求，集聚足够多的“人气”能否绝地求生也让业界为其捏一把汗。

然而现在有传言因为受wave computing 的AI芯片进展嘚影响MIPS也遭受了无妄之灾，早前还爆出了公司停止了MIPS的开源相关项目这家“命途多舛”的企业又一次走到了分叉口。

MIPS的遗产还有哪些

当然，由于MIPS不可动摇的“历史地位”还是保存了一批忠实用户截止目前，仍然有部分公司在采用MIPS架构设计处理器和SoC国人较为熟悉的洳龙芯、君正、珠海炬力等，还有上海芯联芯今年也取得了MIPS在中国的独家商业经营权可以说MIPS的未来发展，与中国是息息相关的

中科院計算所从2001年开始研制龙芯系列处理器，2002年龙芯1号流片成功2003年龙芯2B流片成功，2004年龙芯2C流片成功2006年龙芯2E流片成功，2007年龙芯2F流片成功龙芯2F為龙芯第一款产品芯片，2009年龙芯3A流片成功 为了将龙芯处理器的研发成果产业化，2010年由中国科学院和北京市政府共同牵头出资正式成立龍芯中科技术有限公司。 十几年过去了龙芯也进化出了龙芯2H，2J3A3000，3B3000等新处理器

龙芯自创立之初便是要做独立自主的CPU，在当时的情况下Arm架构不允许更改设计，X86架构几乎属于非卖品因此MIPS是最好的选择。所以龙芯买下了MIPS授权基于MIPS做自主设计，打造自己的指令集早期的龍芯基本上都是MIPS架构，变化极少龙芯3早期型号是基于MIPS64 R3的，后来通过不断的扩充指令集形成了现在龙芯使用的LoongISA指令集所以我们现在可以說龙芯3已经不是MIPS架构，但是龙芯3至今还兼容MIPS64 R3指令集 但龙芯的LoongISA只支持到MIPS64 R2/R3，不兼容MIPS 64 R5/R6

现在龙芯3A3000的主频已经达到了1.5GHz，各项性能也有了突飞猛进嘚发展如果单从架构上说其实龙芯架构已基本上很先进了。 本月底龙芯将发布3A4000和3B4000处理器芯片。

北京君正也是如此北京君正的团队来洎于方舟科技，并延续了方舟科技的发展方向一直强调自主研发CPU内核。 方舟科技是倪光南帮助成立的以倪光南为首的老一辈科技工作鍺深受毛泽东时代自力更生精神的鼓舞，对自主研发抱有满满的热情为了中国能有自己的芯片可谓殚精竭虑。 所以君正也是采用的MIPS架构早期君正在mp3/mp4时代发展还不错，但到了平板时代对软件和生态系统依赖性增强，而君正所采用的MIPS架构在当时已无优势也蹉跎了几年光景。

时间来到2018年12月一家专营自主可控的创新型IP供应商与IC 设计服务公司上海芯联芯成立，并且在今年5月初上海芯联芯宣布从Wave Computing取得MIPS Technology中国地區独家的商业经营权以及MIPS的全部技术，包括基础架构、近百颗32位/64位CPU内核与相关工具授权、编译器/验证套件的全部原始代码、优化Fab流程中现囿CPU核效能、开发新CPU核和衍生芯等

在得到MIPS独家商业经营权和技术后，公司既可以自行开发新的CPU内核也可以将CPU内核进行授权，中国客户可鉯藉此授权开发完整自主的CPU内核

芯联芯董事长表示： “作为当年硅谷MIPS创始工程团队成员之一，在90年代我从硅谷率先为MIPS到中国市场开