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)位處理器成大勢所趨。因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對降低功耗的需求日益殷切，類比與混合訊號晶片開發(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。

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

另一個電子產(chǎn)業(yè)最關(guān)注的重要趨勢，是降低系統(tǒng)層級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)計領(lǐng)域的進(jìn)逼，是否能對于這些策略性趨勢提供一個解決方案？

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

現(xiàn)在，電子設(shè)計自動化(EDA)工具使工程師能夠同時設(shè)計和模擬類比和數(shù)位訊號，并同時執(zhí)行C語言。在此之前，設(shè)計、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)合于一個單晶片上時，更加難以在設(shè)計初期就一次成功。

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

數(shù)位處理器加快驗證速度

這些在設(shè)計流程的先進(jìn)功能，使其可愈來愈容易地嵌入數(shù)位處理器至類比或混合訊號設(shè)計；舉例來說，32位元Cortex-M0處理器核心由一萬兩千個邏輯閘建置，因此體積非常小，而周圍的類比晶片面積加大，對于所增加之晶片面積的額外成本也相對地減少。

另一方面，數(shù)位子系統(tǒng)的新增同時也顯著提高了測試裝置的能力，這項優(yōu)勢目前還未被廣為周知。事實上，數(shù)位處理器可以用在混合訊號系統(tǒng)單晶片(SoC)上進(jìn)行各種形式的晶片上(On-chip)測試和校準(zhǔn)，而能使類比電子的驗證更為簡易。另一個優(yōu)點是增加系統(tǒng)整合度，如此可降低終端系統(tǒng)的總體成本，如獨立的微控制器(MCU)可與類比或混合訊號晶片一起用在系統(tǒng)設(shè)計中，亦即透過晶片上的處理器，類比晶片供應(yīng)商可提供更高的整合度。

當(dāng)然，這在實際上可能會或者不會發(fā)生，亦即有些廠商可能希望透過數(shù)位處理器來達(dá)到晶片上的可測性，而不一定對客戶開放來進(jìn)行未來的功能開發(fā)。但總體而言，這對于晶片供應(yīng)商而言是一個非常明確的價值主張。另一方面，領(lǐng)導(dǎo)級的數(shù)位方案廠商正在透過類比零組件積極強(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元件具有可滿足物聯(lián)網(wǎng)要求的功能，但重點是，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)位電路不會就此取代類比，說穿了它只是透過數(shù)位控制來提高整體系統(tǒng)的品質(zhì)。

因此，透過這些先進(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)在混合訊號晶片中包含一個小而強(qiáng)大的數(shù)位處理器核心時，將可達(dá)到非?？焖俚耐顿Y報酬。這從目前市場上嵌入了數(shù)位處理能力的類比和混合訊號元件可得到證明。

其中一個例子是亞德諾(ADI)的混合訊號處理器--ADSP-CMX40X，其包含一個Cortex-M4處理器，使馬達(dá)驅(qū)動器開發(fā)業(yè)者在矽晶中添加更多的功能。該裝置專門針對工業(yè)市場的高效節(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)動器、光伏逆變器和閉路伺服控制。

第二個例子是英飛凌(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。第三個實例是最近戴樂格(Dialog)的Cortex-M0處理器，該公司計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

在未來幾年，或甚至更快的時間，高比例的類比和混合訊號晶片設(shè)計將整合高性能的數(shù)位訊號處理子系統(tǒng)來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。最近的一項估計顯示，電動馬達(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。因此，在類比設(shè)計中導(dǎo)入小部分的數(shù)位處理功能，將可為環(huán)境和成本帶來顯著的利益。

未來幾年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)對于降低功耗的需求將更加劇。為因應(yīng)此趨勢，新一代的先進(jìn)類比和混合訊號電路，將可能是結(jié)合周邊類比(AnalogueOnTheEdge)以進(jìn)行感知及啟動，同時透過數(shù)位核心(DigitalAtTheHeart)來控制、進(jìn)行決策和溝通。一個高度整合和數(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，無論其是來自類比或數(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成為炙手可熱的技術(shù)。