整合數(shù)字處理器　模擬SoC提高節(jié)能效益

類比系統(tǒng)單晶片(SoC)整合數(shù)位處理器成大勢(shì)所趨。因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)降低功耗的需求日益殷切，類比與混合訊號(hào)晶片開發(fā)商已開始在新一代解決方案中，導(dǎo)入嵌入式數(shù)位處理器，藉此實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的系統(tǒng)管理，改善整體功率消耗情形。

在未來(lái)幾年，類比和混合訊號(hào)半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)期將會(huì)有一些重大的改變。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將使數(shù)十億個(gè)物件可透過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定(IP)互相連接，為感測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)和連接各種類比訊號(hào)、裝置及系統(tǒng)的運(yùn)作方式，提供了豐富的應(yīng)用商機(jī)。

另一個(gè)電子產(chǎn)業(yè)最關(guān)注的重要趨勢(shì)，是降低系統(tǒng)層級(jí)功耗和提高能源效率，而數(shù)位處理技術(shù)向類比晶片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)逼，是否能對(duì)于這些策略性趨勢(shì)提供一個(gè)解決方案？

類比設(shè)計(jì)是眾所周知的技術(shù)，而在先進(jìn)的混合訊號(hào)設(shè)計(jì)中結(jié)合數(shù)位設(shè)計(jì)則是非常復(fù)雜的制程--雖然近年來(lái)已變得容易許多，而其之所以能加速發(fā)展的重要的因素，是混合訊號(hào)設(shè)計(jì)流程的日趨精密。

現(xiàn)在，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具使工程師能夠同時(shí)設(shè)計(jì)和模擬類比和數(shù)位訊號(hào)，并同時(shí)執(zhí)行C語(yǔ)言。在此之前，設(shè)計(jì)、模擬類比和數(shù)位電路具有不同程度的分別，尤其當(dāng)這些工作都結(jié)合于一個(gè)單晶片上時(shí)，更加難以在設(shè)計(jì)初期就一次成功。

然而，漸漸地，由于新先進(jìn)設(shè)計(jì)工具的出現(xiàn)，現(xiàn)在這些流程幾乎可瞬間完成，而不需額外的開發(fā)時(shí)間。當(dāng)愈來(lái)愈多可取得的類比矽智財(cái)及數(shù)位資料庫(kù)加至混合方案時(shí)，任何類比或混合訊號(hào)晶片供應(yīng)商將可更容易和更快速地提出高效的設(shè)計(jì)，這對(duì)于以往那些較缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者而言是不可能發(fā)生的事情。

數(shù)位處理器加快驗(yàn)證速度

這些在設(shè)計(jì)流程的先進(jìn)功能，使其可愈來(lái)愈容易地嵌入數(shù)位處理器至類比或混合訊號(hào)設(shè)計(jì)；舉例來(lái)說(shuō)，32位元Cortex-M0處理器核心由一萬(wàn)兩千個(gè)邏輯閘建置，因此體積非常小，而周圍的類比晶片面積加大，對(duì)于所增加之晶片面積的額外成本也相對(duì)地減少。

另一方面，數(shù)位子系統(tǒng)的新增同時(shí)也顯著提高了測(cè)試裝置的能力，這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)目前還未被廣為周知。事實(shí)上，數(shù)位處理器可以用在混合訊號(hào)系統(tǒng)單晶片(SoC)上進(jìn)行各種形式的晶片上(On-chip)測(cè)試和校準(zhǔn)，而能使類比電子的驗(yàn)證更為簡(jiǎn)易。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加系統(tǒng)整合度，如此可降低終端系統(tǒng)的總體成本，如獨(dú)立的微控制器(MCU)可與類比或混合訊號(hào)晶片一起用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，亦即透過(guò)晶片上的處理器，類比晶片供應(yīng)商可提供更高的整合度。

當(dāng)然，這在實(shí)際上可能會(huì)或者不會(huì)發(fā)生，亦即有些廠商可能希望透過(guò)數(shù)位處理器來(lái)達(dá)到晶片上的可測(cè)性，而不一定對(duì)客戶開放來(lái)進(jìn)行未來(lái)的功能開發(fā)。但總體而言，這對(duì)于晶片供應(yīng)商而言是一個(gè)非常明確的價(jià)值主張。另一方面，領(lǐng)導(dǎo)級(jí)的數(shù)位方案廠商正在透過(guò)類比零組件積極強(qiáng)化其數(shù)位處理產(chǎn)品組合。

數(shù)位處理器優(yōu)化系統(tǒng)效能

雖然新一代的混合訊號(hào)元件具有可滿足物聯(lián)網(wǎng)要求的功能，但重點(diǎn)是，嵌入式數(shù)位處理器將顯著提高整體系統(tǒng)的效率和性能，并大量節(jié)省電力消耗。

那么，數(shù)位處理器可以如何提升類比零組件的能力，進(jìn)而改善系統(tǒng)功率消耗？一個(gè)特殊而重要的例子，是馬達(dá)控制。在這里，電力電子技術(shù)和類比功能是絕對(duì)至關(guān)重要的，但數(shù)位處理器可以達(dá)到更佳的速度或旋轉(zhuǎn)馬達(dá)管理，并提供約40%的節(jié)能效率。馬達(dá)在這個(gè)例子中是指工業(yè)應(yīng)用中的大型馬達(dá)，而不一定是如玩具等低成本的消耗品。數(shù)位電路不會(huì)就此取代類比，說(shuō)穿了它只是透過(guò)數(shù)位控制來(lái)提高整體系統(tǒng)的品質(zhì)。

因此，透過(guò)這些先進(jìn)功能，配合更高整合可能性，以及更高層次的晶片上功能，當(dāng)在混合訊號(hào)晶片中包含一個(gè)小而強(qiáng)大的數(shù)位處理器核心時(shí)，將可達(dá)到非?？焖俚耐顿Y報(bào)酬。這從目前市場(chǎng)上嵌入了數(shù)位處理能力的類比和混合訊號(hào)元件可得到證明。

其中一個(gè)例子是亞德諾(ADI)的混合訊號(hào)處理器--ADSP-CMX40X，其包含一個(gè)Cortex-M4處理器，使馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器開發(fā)業(yè)者在矽晶中添加更多的功能。該裝置專門針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)的高效節(jié)能應(yīng)用，旨在提供更準(zhǔn)確的馬達(dá)控制，以用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器和閉路伺服控制。

第二個(gè)例子是英飛凌(Infineon)的XMC4000家族，它也嵌入了Cortex-M4，旨在提高工業(yè)應(yīng)用的能源效率。第三個(gè)實(shí)例是最近戴樂格(Dialog)的Cortex-M0處理器，該公司計(jì)劃將其做為廣泛電源管理IC的控制器，以提供智慧型手機(jī)或平板電腦之電源控制及電池管理功能。

SoC整合數(shù)位處理器成趨勢(shì)

在未來(lái)幾年，或甚至更快的時(shí)間，高比例的類比和混合訊號(hào)晶片設(shè)計(jì)將整合高性能的數(shù)位訊號(hào)處理子系統(tǒng)來(lái)提供控制和管理功能。有些還將使開發(fā)人員能夠在上面添加自己的軟體碼，主要的應(yīng)用可能是馬達(dá)控制和電力電子，透過(guò)數(shù)位智能，應(yīng)用系統(tǒng)尤其是馬達(dá)應(yīng)用，將能節(jié)省大量的能源。最近的一項(xiàng)估計(jì)顯示，電動(dòng)馬達(dá)消耗全球40%的電能，而多數(shù)是用于工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。因此，在類比設(shè)計(jì)中導(dǎo)入小部分的數(shù)位處理功能，將可為環(huán)境和成本帶來(lái)顯著的利益。

未來(lái)幾年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于降低功耗的需求將更加劇。為因應(yīng)此趨勢(shì)，新一代的先進(jìn)類比和混合訊號(hào)電路，將可能是結(jié)合周邊類比(AnalogueOnTheEdge)以進(jìn)行感知及啟動(dòng)，同時(shí)透過(guò)數(shù)位核心(DigitalAtTheHeart)來(lái)控制、進(jìn)行決策和溝通。一個(gè)高度整合和數(shù)位控制的類比系統(tǒng)單晶片具有可節(jié)省40%工業(yè)馬達(dá)耗電的潛力，無(wú)論其是來(lái)自類比或數(shù)位半導(dǎo)體供應(yīng)商，都具有充分的理由能在不久的將來(lái)成為炙手可熱的技術(shù)。