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。因應物聯(lián)網(wǎng)應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，導入嵌入式數(shù)位處理器，藉此實現(xiàn)更精準的系統(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體市場預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)的運作方式，提供了豐富的應用商機。

　　另一個電子產(chǎn)業(yè)最關注的重要趨勢，是降低系統(tǒng)層級功耗和提高能源效率，而數(shù)位處理技術向類比晶片設計領域的進逼，是否能對于這些策略性趨勢提供一個解決方案?

　　類比設計是眾所周知的技術，而在先進的混合訊號設計中結合數(shù)位設計則是非常復雜的制程--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，是混合訊號設計流程的日趨精密。

　　現(xiàn)在，電子設計自動化(EDA)工具使工程師能夠同時設計和模擬類比和數(shù)位訊號，并同時執(zhí)行C語言。在此之前，設計、模擬類比和數(shù)位電路具有不同程度的分別，尤其當這些工作都結合于一個單晶片上時，更加難以在設計初期就一次成功。

　　然而，漸漸地，由于新先進設計工具的出現(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商將可更容易和更快速地提出高效的設計，這對于以往那些較缺乏經(jīng)驗的設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

　　這些在設計流程的先進功能，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)上進行各種形式的晶片上(On-chip)測試和校準，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)設計中，亦即透過晶片上的處理器，類比晶片供應商可提供更高的整合度。

　　當然，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)位處理器來達到晶片上的可測性，而不一定對客戶開放來進行未來的功能開發(fā)。但總體而言，這對于晶片供應商而言是一個非常明確的價值主張。另一方面，領導級的數(shù)位方案廠商正在透過類比零組件積極強化其數(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，進而改善系統(tǒng)功率消耗?一個特殊而重要的例子，是馬達控制。在這里，電力電子技術和類比功能是絕對至關重要的，但數(shù)位處理器可以達到更佳的速度或旋轉(zhuǎn)馬達管理，并提供約40%的節(jié)能效率。馬達在這個例子中是指工業(yè)應用中的大型馬達，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，透過這些先進功能，配合更高整合可能性，以及更高層次的晶片上功能，當在混合訊號晶片中包含一個小而強大的數(shù)位處理器核心時，將可達到非?？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)能應用，旨在提供更準確的馬達控制，以用于馬達驅(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，主要的應用可能是馬達控制和電力電子，透過數(shù)位智能，應用系統(tǒng)尤其是馬達應用，將能節(jié)省大量的能源。最近的一項估計顯示，電動馬達消耗全球40%的電能，而多數(shù)是用于工業(yè)馬達驅(qū)動。因此，在類比設計中導入小部分的數(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。為因應此趨勢，新一代的先進類比和混合訊號電路，將可能是結合周邊類比(AnalogueOnTheEdge)以進行感知及啟動，同時透過數(shù)位核心(DigitalAtTheHeart)來控制、進行決策和溝通。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)馬達耗電的潛力，無論其是來自類比或數(shù)位半導體供應商，都具有充分的理由能在不久的將來成為炙手可熱的技術。