低功耗M2M市場(chǎng)廣闊 芯片設(shè)計(jì)如何降耗

　　當(dāng)前有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的話題備受市場(chǎng)青睞。根據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年左右世界上將有超過(guò)1000億臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。值得關(guān)注的是，這些設(shè)備中超過(guò)一半將對(duì)功耗問(wèn)題十分敏感。因此，具有低功耗、高性能的，尤其是集成了無(wú)線通信功能的MCU解決方案將會(huì)受到重視。它在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)之余，可以讓更多下游設(shè)計(jì)人員將聯(lián)網(wǎng)設(shè)備推向市場(chǎng)。

　　物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注平均功耗

　　隨著人與物、物與物連接的增多，未來(lái)將是千億連接的時(shí)代，加之國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作的積極推動(dòng)，低功耗M2M業(yè)務(wù)的市場(chǎng)前景十分廣闊。對(duì)此，Silicon Labs 32位微控制器產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理Oivind Loe在接受采訪時(shí)表示：“能效是應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)中組件的一項(xiàng)至關(guān)重要的特性。一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表和智能信用卡，甚至可能會(huì)有超低功耗的要求;為了適合各種不同的應(yīng)用，MCU必須擁有精心設(shè)計(jì)的能量模式，支持MCU去實(shí)現(xiàn)電流消耗與響應(yīng)時(shí)間和功能之間的平衡。”

　　Microchip公司家電解決方案部IoT營(yíng)銷經(jīng)理Xavier Bignalet也指出：“現(xiàn)今，連接應(yīng)用功耗小是必要條件，甚至在有些應(yīng)用中，電池使用壽命可持續(xù)20多年。”

　　但值得注意的是，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)芯片的低功耗需求并不全是越低越好，不同場(chǎng)景下又有著獨(dú)特的需求。瑞薩電子通用解決方案中心綜合營(yíng)銷部副部長(zhǎng)王均峰在接受采訪時(shí)指出：“如果具體到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，往往很難明確區(qū)分待機(jī)功耗和運(yùn)行功耗。因?yàn)樵谖锫?lián)網(wǎng)設(shè)備中，設(shè)備大多數(shù)情況下是處于待機(jī)和工作之間，或者說(shuō)是高頻率地在這兩者間轉(zhuǎn)換，所以平均功耗就變得重要起來(lái)。”

　　針對(duì)這種情況，很多半導(dǎo)體企業(yè)在面向物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)低功耗MCU芯片方面投入了很大力度。“瑞薩16位的L78系列和32位Rx系列等都有低功耗特色。瑞薩很多產(chǎn)品采用自有內(nèi)核，在優(yōu)化功耗的時(shí)候擁有更大空間。此外，瑞薩擁有自有的芯片外設(shè)產(chǎn)品，加上擁有自己的生產(chǎn)工廠，在內(nèi)核、外設(shè)和工藝三個(gè)方面共同作用，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗。”王均峰說(shuō)。

　　Oivind Loe也表示：“MCU精心設(shè)計(jì)的能量模式，能實(shí)現(xiàn)電流消耗與響應(yīng)時(shí)間和功能之間的平衡。這種優(yōu)化的權(quán)衡方法使MCU能夠?yàn)樵S多應(yīng)用提供電流消耗、性能、尺寸和成本的正確組合。”

　　改進(jìn)設(shè)計(jì)架構(gòu)是重要降耗途徑

　　具體來(lái)看，MCU的功耗水平包括靜態(tài)功耗、運(yùn)行功耗兩部分?？紤]實(shí)際的應(yīng)用，靜態(tài)功耗是芯片在睡眠或非運(yùn)作狀態(tài)下的功耗，而動(dòng)態(tài)功耗即MCU運(yùn)行時(shí)所消耗的功率。最后的系統(tǒng)功耗性能則是計(jì)算平均功耗。它們的功耗水平都與制造工藝有很大關(guān)系，采用何種工藝，決定了產(chǎn)品靜態(tài)功耗和運(yùn)行功耗的優(yōu)劣。

　　此外，一些廠商已從整個(gè)架構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的低功耗。恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)MICR微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)金宇杰表示：“恩智浦在MCU中引入獨(dú)特的異步結(jié)構(gòu)，在一個(gè)MCU中分別集成ARM Cortex A7和Cortex M4內(nèi)核，可以用M4內(nèi)核維持平時(shí)的運(yùn)作，特別是在待機(jī)狀態(tài)下的運(yùn)作，保持較低功耗。”

　　瑞薩采取的另外一條途徑，也較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。“針對(duì)這個(gè)需求特點(diǎn)，瑞薩在MCU中引入Snooze模式，可以做到MCU內(nèi)核待機(jī)，外設(shè)工作。即采用Snooze模式時(shí)，外設(shè)將判斷外界指令到來(lái)，是否需要內(nèi)核工作，只有確認(rèn)這個(gè)需求后才會(huì)真正喚醒內(nèi)核，從而使系統(tǒng)的工作效率大幅提升。”王均峰說(shuō)。

　　減少外設(shè)功耗，也是降低整體芯片功耗的一個(gè)有效途徑。根據(jù)金宇杰的介紹，恩智浦的產(chǎn)品可以通過(guò)API軟件，在MCU、MPU完成任務(wù)時(shí)，把一些不用的接口關(guān)掉，從而節(jié)省功耗。

　　Microchip也在外設(shè)方面挖掘潛能。“Microchip的部分8位單片機(jī)具有獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)，能很好地實(shí)現(xiàn)低功耗要求，僅需很少或無(wú)需CPU干預(yù)，進(jìn)一步減少了功耗需求。此外，如LCD、運(yùn)放、RTCC、觸摸傳感、USB、DMA和加密引擎等低功耗外設(shè)使MCU的性能提升到了新的水平，盡可能降低系統(tǒng)級(jí)功耗。”Xavier Bignalet說(shuō)。

　　應(yīng)對(duì)碎片化的挑戰(zhàn)

　　物聯(lián)網(wǎng)最大的特點(diǎn)就是碎片化，如何使MCU芯片適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。“物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是單一的市場(chǎng)，而是包含了所有垂直市場(chǎng)的領(lǐng)域。因此，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)并沒(méi)有一個(gè)通用的規(guī)范：可穿戴式設(shè)備對(duì)功耗有嚴(yán)格的要求;而重工業(yè)設(shè)備則不苛求低功耗?？赡壳暗臓顩r是，芯片廠商為了平衡成本大多采用通用MCU來(lái)嘗試涵蓋大部分應(yīng)用。”Xavier Bignalet指出。

　　不過(guò)，這種狀況正在有所改善。“隨著半導(dǎo)體工藝的演進(jìn)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展，將來(lái)也許會(huì)有廠商針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)出專用的芯片，現(xiàn)有MCU中常用的模擬外設(shè)等功能也許會(huì)被拿掉，從而專注于算法和連接，在更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝下實(shí)現(xiàn)更低的功耗及成本。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是以控制為主要功能的MCU和以智能化分析/連接為主要功能的物聯(lián)網(wǎng)芯片也許會(huì)分家但又同時(shí)共存。”ARM中國(guó)嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)經(jīng)理耿立鋒表示。