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物联网时代来临 芯片设计该如何满足需求?

2017-07-21 11:39
小鱼时代
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物联网(IoT)芯片设计听上去像是一个表面上很简单的主题。但更深入一点,你就会发现 IoT 并不是单一的主题,所以肯定也就没有什么特定类型的芯片可以在构成物联网的越来越多的应用和市场上都有效。

被囊括在 IoT 这个术语中的内容有传感器、各种类型的处理器、越来越多的片上和片外存储器类型、许多 I/O 和接口 IP、芯片和 chiplets。封装这些器件的不同方法也在不断涌现,包括云中的定制 ASIC、各种各样的 SoC、用于网络和服务器的 2.5D 芯片以及用于 MEMS 和传感器集群的 fan-out 晶圆级封装。

此外,在开发用于越来越互连的汽车、医疗设备和工业控制系统的芯片上还存在安全性的考量。这会带来额外的复杂度和成本,另外还需要额外的时间来设计、验证和调试这些设备。

“IoT 是某种包含许许多多不同应用的全面应用,”Synopsys 的物联网战略营销经理 Ron Lowman 说,“实际上,你能看到大量设计的目标不只是覆盖一种应用,所以有时候你会有超集(superset)——为一种特定的应用而过度设计,可以处理多种应用。这是一个不同的情况。如果你看看移动领域或其它许多领域,它们更多是为一个特定应用而进行优化,然后再复用,而 IoT 则有更多通用版本,而在一些案例中,他们会进行专门的设计,然后尝试为其它市场重新利用它们。另一个不同的情况是有时候(也在变化)应用更广泛且更通用,所以数量在增长。所以我们可以看到有更多针对特定应用的专门设计出现。比如你已经能在测量应用领域看到这个情况了,要远远更有针对性。”

简单来说,并没有出现几年前人们预测的商业设计规模下降。

图 1:IoT 增长预测,来自 Gartner

“从高层面来讲,IoT 就是将过去没有联网的事物连接到互联网,然后基于此实现服务。”西门子一个业务部门 Mentor 的产品营销经理 Jeff Miller 说,“有很多东西会进入网络。为了实现它,你需要一个三层架构——服务器和云组件、在 IoT 边缘设备和云之间进行接口的网关组件、构成互联网与真实世界之间的接口的 IoT 边缘设备本身。”

重新定义边缘

边缘设备的定义并不总是清楚明了。三年前,任何关于边缘设备的演讲都总是会回到智能手表或连网的家用电器上,这些设备可以将各种传感器收集到的数据通过某种电子网关发送到云端进行处理。尽管这看起来是当时技术条件下合乎逻辑的进展,但实际上传感器生成的数据太多了,将所有数据都发送到云进行处理是很浪费能量的,而且在一些案例中,发送数据的速度很慢。

这就是 IoT 芯片设计让人困惑的地方。一方面,这些设备需要廉价。但在一些市场中,它们也需要更可靠、更安全,还需要满足一些标准,比如汽车领域的 ISO 26262 或用于 IIoT 的 OMAC 和 OPC 工业标准。这会导致成本增长,也会拉长这些设备上市的时间。除此之外,尤其是在移动电子产品领域,这些系统需要非常低功耗以节省电池寿命。这需要复杂的电源管理,因此又进一步增加了价格和复杂性。而且不管其特定的任务是什么,要完成这个任务,它们又还需要足够的性能。

“所以地方都必须创新,”ARM 的 IoT Service Group 总裁 Dipesh Patel 说,“其中包括功率、不动产和成本。今天我们看到的芯片是在 55nm 和 40nm 节点。迁移到 40nm 和 28nm 节点会带来更多成本节省。随着 MCU 的摩尔定律发展,成本还会继续下降。为了更安全,它们还必须迁移到 32 位,这也让它们可以进入到更多现代领域。”

另外也有其它降低成本的方法在发展。一种涉及到将多个传感器封装到一个集群中以实现规模经济。这种方法背后的思想是生产那种集群的成本比单独生产单个传感器的成本更低——即使并非所有的传感器都会被使用。

“这在向着更标准化的传感器单元发展,”Cadence 工程组总监 Brandon Wang 说,“这会将其变成一个你明天就可以得到的平台,而不是你定制设计的专用传感器。所以每个系统都会有传感器,但如果你设计一个传感器中枢,让你可以优化这些传感器呢?”

正如 Mentor 的 Miller 指出的那样,边缘是大量 IoT 特有设计难题出现的地方。“在 IoT 边缘,我们看到很多人在关注使这些设备尽可能地与目标相符。有一些事情在推动着向那个方向发展,而且其围绕着这样一个事实,即这些是非常高产量的产品。它们会将数以十亿计的事物连接到互联网。它们必须要廉价。它们将必须出现在现场。它们必须要能与物理世界进行交互,并且必须满足功率要求。它们必须通过传感器和执行器与现实世界交互,而这些又涉及到高电压、多物理学以及 MEMS 和光子学这样的领域,还有其它电子学之外的物理领域。制造这些设备要用到非常非常多的东西。而且它们往往可以为特定的应用领域进行相当良好的定制化,因为它们必须满足功率和物理尺寸的要求,而且还有高产量要求,且必须要降低成本。

图 2:智能 LED 泛光灯,来自 Elitesemicon.com

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