為物聯(lián)網(wǎng)SoC整合低功耗藍牙IP技術(shù)

　　藍牙、Wi-Fi、LTE和5G技術(shù)使得無線連接得到廣泛應用。雖然每一種技術(shù)有其獨特的功能和優(yōu)勢，設計人員必須確定是要將它們整合在單個芯片內(nèi)，還是使用外部的無線芯片解決方案。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用整合無線功能的優(yōu)勢正變得日益顯著，尤其是在朝向更先進工藝進行設計時，必須要考慮這一點。目前，具有低功耗特性的藍牙技術(shù)正成為可穿戴設備和對象追蹤或“智能”物聯(lián)網(wǎng)應用的標準選擇。藍牙5 (Bluetooth 5)標準預計將以更廣的范圍、更快的速度和超越點對點通訊的能力，進入智能家庭應用。

　　根據(jù)Synopsys最近進行的用戶調(diào)查顯示，受惠于新的可穿戴設備IC市場貢獻，從2013到2015年的物聯(lián)網(wǎng)SoC設計大幅成長。此外，根據(jù)Teardown.com的資料，在其于2012至2015年拆解的800多款移動和可穿戴產(chǎn)品中，無線芯片的數(shù)量超過了產(chǎn)品的實際數(shù)量，表示在一些設計中采用了多顆無線IC。根據(jù)這些報告，可穿戴設備和智能硬件應用的成長，帶動外加無線解決方案的設計增加，并為設計人員創(chuàng)造了機會，使其得以透過整合無線功能降低物聯(lián)網(wǎng)SoC的成本和功耗。本文介紹在單芯片SoC中整合低功耗藍牙等無線技術(shù)的好處，打造具有低功耗藍牙物理層(PHY)和鏈路層IP的完整解決方案。

　　無線系統(tǒng)架構(gòu)

　　在過去的數(shù)年內(nèi)，出現(xiàn)了多種無線技術(shù)建置方案(圖1)：

　　· 獨立式RF收發(fā)器：在該傳統(tǒng)建置方案中，收發(fā)器芯片中包含控制器和PHY，或稱鏈路層和PHY(以藍牙情況而言)。收發(fā)器芯片連接至主SoC，其中包含軟件堆棧和應用程序代碼。

　　· 無線網(wǎng)絡處理器：該建置使用整合無線協(xié)議堆棧的專用處理器，從而為無線芯片組帶來更多價值，并讓主SoC可將資源專注于應用中。

　　· 全整合式無線SoC：這是一種單芯片的單一建置方案，適用于特定的無線技術(shù)，尤其是用于物聯(lián)網(wǎng)應用的低功耗藍牙技術(shù)。鏈路層和PHY整合于SoC中，以執(zhí)行所有的軟件堆棧和應用程序代碼。

　　· 無線組合芯片組解決方案：針對移動應用的傳統(tǒng)架構(gòu)，在單個收發(fā)器中結(jié)合了數(shù)種無線技術(shù)，如Wi-Fi和藍牙，收發(fā)器并連接至包含數(shù)字調(diào)制解調(diào)器芯片的SoC。所有的軟件、無線堆棧和應用程序代碼均位于外部的非揮發(fā)性內(nèi)存中。

　　圖1：藍牙芯片建置選項(來源：ti.com)

　　在決定哪種建置方案能為目標應用帶來最大好處時，工藝技術(shù)起著關鍵作用。獨立式RF收發(fā)器采用了如180nm的傳統(tǒng)節(jié)點。對于無線網(wǎng)絡處理器，無線協(xié)議堆棧嵌入于RF收發(fā)器中，通常使用成熟的90nm節(jié)點。而在整體式無線解決方案中采用40nm和55nm技術(shù)的節(jié)點正日漸流行，這歸因于可用的嵌入式閃存和混合信號IP(包括無線IP)的結(jié)合。這種類似的整體式無線SoC解決方案預計普遍采用28nm節(jié)點。其中，協(xié)議堆棧、RF收發(fā)器以及應用程序代碼則整合于單個SoC中。

　　針對移動應用處理器，無線組合芯片(Combo)解決方案仍是流行的架構(gòu)，它能利用最先進工藝為芯片面積和成本實現(xiàn)優(yōu)化。這些系統(tǒng)具有無限制的芯片外內(nèi)存，可為程序設計人員提供更多資源，但系統(tǒng)中的總芯片數(shù)將多達三個，而在其他三種建置方案中的芯片數(shù)為1或2。這清楚顯示，當工藝節(jié)點能有效搭配可用IP解決方案時，可為無線整合帶來諸多好處，這同時也是全整合式無線SoC系統(tǒng)架構(gòu)變得普遍的原因所在。

　　工業(yè)應用案例

　　對于當前的穿戴式設計，如僅用低功耗藍牙實現(xiàn)無線連接的的健身手環(huán)，內(nèi)含一顆SoC透過UART或I2C總線連接至外部的低功耗藍牙IC。類似的，虛擬現(xiàn)實(VR)眼鏡使用標準的藍牙無線網(wǎng)絡處理器與游戲控制器進行通訊。在門鎖、照明和室內(nèi)定位信標等智能家庭產(chǎn)品中也能發(fā)現(xiàn)外部低功耗藍牙芯片組。這些例子顯示將無線功能整合在系統(tǒng)SoC的機會，可帶來更多的成本降低。

　　如果在設計中還包含較高帶寬的無線技術(shù)，如Wi-Fi，則可使用整合了多種無線技術(shù)、處理器和外部內(nèi)存的無線組合芯片解決方案。例如，擴增實境(AR)眼鏡需要更高的處理能力，因此，設計人員必須提升類似的移動平臺設計。

　　無線功能正取代傳統(tǒng)上許多靠聯(lián)機實現(xiàn)的功能。尤其是低功耗藍牙，它用于診斷和傳送低帶寬信息，而之前傳統(tǒng)使用的是UART、I2C、SPI和USB。

　　在SoC中整合無線技術(shù)的好處

　　現(xiàn)在，我們已知道將無線功能整合在單個SoC中所帶來的機會，接下來討論其優(yōu)缺點。無線網(wǎng)絡處理器(如獨立的低功耗藍牙解決方案)已持續(xù)用于認證系統(tǒng)中，簡化了設計的模塊認證過程。這些獨立的低功耗藍牙解決方案不僅能簡化認證過程，還提供了可靠的連接，以及與組件(如天線等)相關的常見系統(tǒng)設計方法。

　　整體式解決方案能夠提供更多益處，包括低功耗、低成本、低延遲以及較小的占位空間，推動市場開始采納和設計完全整體式無線SoC。相較于使用SPI總線，透過AMBA AHB匯流傳送的數(shù)據(jù)能夠?qū)⒀舆t降低5～10個周期，延長空閑時間因而節(jié)省功耗。事實上，在最近發(fā)布的微軟(Microsoft)無線功耗研究報告中指出，“在功耗方面具有支配作用的參數(shù)并不是主動電流或待機電流，而是在休眠周期結(jié)束后重新連接所需的時間，以及RF模塊休眠的程度。”

　　除了功耗和延遲方面的改善外，無線整合方案還能去除完整芯片組、降低封裝成本，以及減少所需的額外接腳和電源管理IP。這將使封裝成本降低0.15美元以上，并減少20～30個用于連接更多無線網(wǎng)絡處理器的接腳。這些節(jié)省加上移除重復的電源管理組件、減少PCB面積，能讓整個系統(tǒng)的成本降低更具吸引力。

　　正如在teardown.com報告中提到的，在VR眼鏡等系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了多顆無線IC。藍牙和Wi-Fi通常被結(jié)合在單一芯片中，但這些無線技術(shù)的要求很不一樣。Wi-Fi支持更高帶寬，而低功耗藍牙則將功率降至最低。Wi-Fi能夠支持高達300Mbps的速度，使用遠超過40～100微瓦(uW)的收發(fā)功率，對內(nèi)存有相當要求。為了支持Wi-Fi的傳輸速率，SoC必須以符合目標工藝技術(shù)的電壓作業(yè)。而在藍牙5中，低功耗藍牙支持2Mbps的速度，使用的收發(fā)功率低于10uW，對于內(nèi)存的要求更低，電壓也較低，如最新40nm和55nm超低功耗工藝中使用0.9V。

　　整合低功耗藍牙的優(yōu)點顯而易見，預計整體式無線SoC建置方案會在不遠的將來變得普遍。對于采用55nm和40nm技術(shù)而要求極低功耗的物聯(lián)網(wǎng)SoC，優(yōu)勢更加明顯。這類物聯(lián)網(wǎng)SoC還會利用電源管理技術(shù)、DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，以及使用厚氧化層等技術(shù)，進一步降低工作功耗和泄漏功耗。

　　完整的低功耗藍牙PHY和鏈路層IP

　　例如，Synopsys針對5G、Wi-Fi、移動LTE與無線802.15.4應用提供范圍廣泛的無線和模擬IP選擇，以及具有優(yōu)化模擬前端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及包含PHY和鏈路層IP完整低功耗藍牙IP解決方案的藍牙技術(shù)。

　　Synopsys的完整DesignWare藍牙IP解決方案配有PHY和鏈路層，兼容于最新的藍牙規(guī)范，PHY支持藍牙5和IEEE 802.15.4標準，可在ZigBee和Thread網(wǎng)絡上實現(xiàn)連接。使用鏈路層，能夠建立與整合數(shù)據(jù)加密和隨機數(shù)生成的安全無線連接，在單個實例中實現(xiàn)8個同步連接，并提供與第三方軟件堆棧和處理器的互操作性。PHY作業(yè)在低于1V的電壓下，可獲得更長的電池壽命，包括整合匹配網(wǎng)絡的芯片收發(fā)器，以及單個“接腳-天線”(pin-to-antenna)接口和電壓調(diào)節(jié)器，可降低BOM成本，并簡化系統(tǒng)設計和整合。藍牙PHY可在180nm、55nm和40nm節(jié)點上整合，協(xié)助設計人員利用先進工藝在功率、面積和性能方面帶來的益處。對于物聯(lián)網(wǎng)SoC設計而言，55nm和40nm上的PHY更具優(yōu)勢，原因在于這些工藝具有極低功耗與較小尺寸的優(yōu)勢。

　　DesignWare低功耗藍牙IP解決方案通過藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)組織的認證，這對設計人員取得成功至關重要。該IP經(jīng)歷嚴格的驗證過程，從完整的設計驗證流程，到對產(chǎn)品驗證測試(PVT)的完全特征化，以及與生態(tài)系統(tǒng)的互操作性。