整合数字处理器　模拟SoC提高节能效益

    类比系统单晶片(SoC)整合数位处理器成大势所趋。因应物联网应用对降低功耗的需求日益殷切，类比与混合讯号晶片开发商已开始在新一代解决方案中，导入嵌入式数位处理器，藉此实现更精准的系统管理，改善整体功率消耗情形。


安谋国际嵌入式处理器产品总监Richard York
在未来几年，类比和混合讯号半导体市场预期将会有一些重大的改变。物联网(IoT)将使数十亿个物件可透过网际网路协定(IP)互相连接，为感测、控制、驱动和连接各种类比讯号、装置及系统的运作方式，提供了丰富的应用商机。
另一个电子产业最关注的重要趋势，是降低系统层级功耗和提高能源效率，而数位处理技术向类比晶片设计领域的进逼，是否能对于这些策略性趋势提供一个解决方案？

类比设计是众所周知的技术，而在先进的混合讯号设计中结合数位设计则是非常复杂的制程--虽然近年来已变得容易许多，而其之所以能加速发展的重要的因素，是混合讯号设计流程的日趋精密。

现在，电子设计自动化(EDA)工具使工程师能够同时设计和模拟类比和数位讯号，并同时执行C语言。在此之前，设计、模拟类比和数位电路具有不同程度的分别，尤其当这些工作都结合于一个单晶片上时，更加难以在设计初期就一次成功。

然而，渐渐地，由于新先进设计工具的出现，现在这些流程几乎可瞬间完成，而不需额外的开发时间。当愈来愈多可取得的类比矽智财及数位资料库加至混合方案时，任何类比或混合讯号晶片供应商将可更容易和更快速地提出高效的设计，这对于以往那些较缺乏经验的设计者而言是不可能发生的事情。

数位处理器加快验证速度

这些在设计流程的先进功能，使其可愈来愈容易地嵌入数位处理器至类比或混合讯号设计；举例来说，32位元Cortex-M0处理器核心由一万两千个逻辑闸建置，因此体积非常小，而周围的类比晶片面积加大，对于所增加之晶片面积的额外成本也相对地减少。

另一方面，数位子系统的新增同时也显著提高了测试装置的能力，这项优势目前还未被广为周知。事实上，数位处理器可以用在混合讯号系统单晶片(SoC)上进行各种形式的晶片上(On-chip)测试和校准，而能使类比电子的验证更为简易。另一个优点是增加系统整合度，如此可降低终端系统的总体成本，如独立的微控制器(MCU)可与类比或混合讯号晶片一起用在系统设计中，亦即透过晶片上的处理器，类比晶片供应商可提供更高的整合度。

当然，这在实际上可能会或者不会发生，亦即有些厂商可能希望透过数位处理器来达到晶片上的可测性，而不一定对客户开放来进行未来的功能开发。但总体而言，这对于晶片供应商而言是一个非常明确的价值主张。另一方面，领导级的数位方案厂商正在透过类比零组件积极强化其数位处理产品组合。

数位处理器优化系统效能

虽然新一代的混合讯号元件具有可满足物联网要求的功能，但重点是，嵌入式数位处理器将显著提高整体系统的效率和性能，并大量节省电力消耗。

那么，数位处理器可以如何提升类比零组件的能力，进而改善系统功率消耗？一个特殊而重要的例子，是马达控制。在这里，电力电子技术和类比功能是绝对至关重要的，但数位处理器可以达到更佳的速度或旋转马达管理，并提供约40%的节能效率。马达在这个例子中是指工业应用中的大型马达，而不一定是如玩具等低成本的消耗品。数位电路不会就此取代类比，说穿了它只是透过数位控制来提高整体系统的品质。

因此，透过这些先进功能，配合更高整合可能性，以及更高层次的晶片上功能，当在混合讯号晶片中包含一个小而强大的数位处理器核心时，将可达到非常快速的投资报酬。这从目前市场上嵌入了数位处理能力的类比和混合讯号元件可得到证明。

其中一个例子是亚德诺(ADI)的混合讯号处理器--ADSP-CMX40X，其包含一个Cortex-M4处理器，使马达驱动器开发业者在矽晶中添加更多的功能。该装置专门针对工业市场的高效节能应用，旨在提供更准确的马达控制，以用于马达驱动器、光伏逆变器和闭路伺服控制。

第二个例子是英飞凌(Infineon)的XMC4000家族，它也嵌入了Cortex-M4，旨在提高工业应用的能源效率。第三个实例是最近戴乐格(Dialog)的Cortex-M0处理器，该公司计划将其做为广泛电源管理IC的控制器，以提供智慧型手机或平板电脑之电源控制及电池管理功能。

SoC整合数位处理器成趋势

在未来几年，或甚至更快的时间，高比例的类比和混合讯号晶片设计将整合高性能的数位讯号处理子系统来提供控制和管理功能。有些还将使开发人员能够在上面添加自己的软体码，主要的应用可能是马达控制和电力电子，透过数位智能，应用系统尤其是马达应用，将能节省大量的能源。最近的一项估计显示，电动马达消耗全球40%的电能，而多数是用于工业马达驱动。因此，在类比设计中导入小部分的数位处理功能，将可为环境和成本带来显著的利益。

未来几年内，物联网对于降低功耗的需求将更加剧。为因应此趋势，新一代的先进类比和混合讯号电路，将可能是结合周边类比(Analogue On The Edge)以进行感知及启动，同时透过数位核心(Digital At The Heart)来控制、进行决策和沟通。一个高度整合和数位控制的类比系统单晶片具有可节省40%工业马达耗电的潜力，无论其是来自类比或数位半导体供应商，都具有充分的理由能在不久的将来成为炙手可热的技术。