低功耗M2M市場(chǎng)廣闊 芯片設計如何降耗

　　當前有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的話(huà)題備受市場(chǎng)青睞。根據預測，到2020年左右世界上將有超過(guò)1000億臺設備實(shí)現聯(lián)網(wǎng)。值得關(guān)注的是，這些設備中超過(guò)一半將對功耗問(wèn)題十分敏感。因此，具有低功耗、高性能的，尤其是集成了無(wú)線(xiàn)通信功能的MCU解決方案將會(huì )受到重視。它在簡(jiǎn)化設計之余，可以讓更多下游設計人員將聯(lián)網(wǎng)設備推向市場(chǎng)。

　　物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注平均功耗

　　隨著(zhù)人與物、物與物連接的增多，未來(lái)將是千億連接的時(shí)代，加之國際標準組織對技術(shù)標準制定工作的積極推動(dòng)，低功耗M2M業(yè)務(wù)的市場(chǎng)前景十分廣闊。對此，Silicon Labs 32位微控制器產(chǎn)品高級營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Oivind Loe在接受采訪(fǎng)時(shí)表示：“能效是應用在物聯(lián)網(wǎng)中組件的一項至關(guān)重要的特性。一些物聯(lián)網(wǎng)應用，如智能抄表和智能信用卡，甚至可能會(huì )有超低功耗的要求;為了適合各種不同的應用，MCU必須擁有精心設計的能量模式，支持MCU去實(shí)現電流消耗與響應時(shí)間和功能之間的平衡。”

　　Microchip公司家電解決方案部IoT營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Xavier Bignalet也指出：“現今，連接應用功耗小是必要條件，甚至在有些應用中，電池使用壽命可持續20多年。”

　　但值得注意的是，物聯(lián)網(wǎng)應用對芯片的低功耗需求并不全是越低越好，不同場(chǎng)景下又有著(zhù)獨特的需求。瑞薩電子通用解決方案中心綜合營(yíng)銷(xiāo)部副部長(cháng)王均峰在接受采訪(fǎng)時(shí)指出：“如果具體到物聯(lián)網(wǎng)應用，往往很難明確區分待機功耗和運行功耗。因為在物聯(lián)網(wǎng)設備中，設備大多數情況下是處于待機和工作之間，或者說(shuō)是高頻率地在這兩者間轉換，所以平均功耗就變得重要起來(lái)。”

　　針對這種情況，很多半導體企業(yè)在面向物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)低功耗MCU芯片方面投入了很大力度。“瑞薩16位的L78系列和32位Rx系列等都有低功耗特色。瑞薩很多產(chǎn)品采用自有內核，在優(yōu)化功耗的時(shí)候擁有更大空間。此外，瑞薩擁有自有的芯片外設產(chǎn)品，加上擁有自己的生產(chǎn)工廠(chǎng)，在內核、外設和工藝三個(gè)方面共同作用，可以實(shí)現產(chǎn)品的低功耗。”王均峰說(shuō)。

　　Oivind Loe也表示：“MCU精心設計的能量模式，能實(shí)現電流消耗與響應時(shí)間和功能之間的平衡。這種優(yōu)化的權衡方法使MCU能夠為許多應用提供電流消耗、性能、尺寸和成本的正確組合。”

　　改進(jìn)設計架構是重要降耗途徑

　　具體來(lái)看，MCU的功耗水平包括靜態(tài)功耗、運行功耗兩部分?？紤]實(shí)際的應用，靜態(tài)功耗是芯片在睡眠或非運作狀態(tài)下的功耗，而動(dòng)態(tài)功耗即MCU運行時(shí)所消耗的功率。最后的系統功耗性能則是計算平均功耗。它們的功耗水平都與制造工藝有很大關(guān)系，采用何種工藝，決定了產(chǎn)品靜態(tài)功耗和運行功耗的優(yōu)劣。

　　此外，一些廠(chǎng)商已從整個(gè)架構上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的低功耗。恩智浦半導體大中華區MICR微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)總監金宇杰表示：“恩智浦在MCU中引入獨特的異步結構，在一個(gè)MCU中分別集成ARM Cortex A7和Cortex M4內核，可以用M4內核維持平時(shí)的運作，特別是在待機狀態(tài)下的運作，保持較低功耗。”

　　瑞薩采取的另外一條途徑，也較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。“針對這個(gè)需求特點(diǎn)，瑞薩在MCU中引入Snooze模式，可以做到MCU內核待機，外設工作。即采用Snooze模式時(shí)，外設將判斷外界指令到來(lái)，是否需要內核工作，只有確認這個(gè)需求后才會(huì )真正喚醒內核，從而使系統的工作效率大幅提升。”王均峰說(shuō)。

　　減少外設功耗，也是降低整體芯片功耗的一個(gè)有效途徑。根據金宇杰的介紹，恩智浦的產(chǎn)品可以通過(guò)API軟件，在MCU、MPU完成任務(wù)時(shí)，把一些不用的接口關(guān)掉，從而節省功耗。

　　Microchip也在外設方面挖掘潛能。“Microchip的部分8位單片機具有獨立于內核的外設，能很好地實(shí)現低功耗要求，僅需很少或無(wú)需CPU干預，進(jìn)一步減少了功耗需求。此外，如LCD、運放、RTCC、觸摸傳感、USB、DMA和加密引擎等低功耗外設使MCU的性能提升到了新的水平，盡可能降低系統級功耗。”Xavier Bignalet說(shuō)。

　　應對碎片化的挑戰

　　物聯(lián)網(wǎng)最大的特點(diǎn)就是碎片化，如何使MCU芯片適應物聯(lián)網(wǎng)的應用，也是一個(gè)挑戰。“物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是單一的市場(chǎng)，而是包含了所有垂直市場(chǎng)的領(lǐng)域。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)設備來(lái)說(shuō)并沒(méi)有一個(gè)通用的規范：可穿戴式設備對功耗有嚴格的要求;而重工業(yè)設備則不苛求低功耗?？赡壳暗臓顩r是，芯片廠(chǎng)商為了平衡成本大多采用通用MCU來(lái)嘗試涵蓋大部分應用。”Xavier Bignalet指出。

　　不過(guò)，這種狀況正在有所改善。“隨著(zhù)半導體工藝的演進(jìn)以及物聯(lián)網(wǎng)應用市場(chǎng)的發(fā)展，將來(lái)也許會(huì )有廠(chǎng)商針對物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的芯片，現有MCU中常用的模擬外設等功能也許會(huì )被拿掉，從而專(zhuān)注于算法和連接，在更先進(jìn)的半導體工藝下實(shí)現更低的功耗及成本。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是以控制為主要功能的MCU和以智能化分析/連接為主要功能的物聯(lián)網(wǎng)芯片也許會(huì )分家但又同時(shí)共存。”ARM中國嵌入式應用市場(chǎng)經(jīng)理耿立鋒表示。