物聯網推動 模擬設計融合數字處理器成趨勢

　　模擬和混合信號半導體的市場將在未來幾年中迎來重大演變。在物聯網（Internet of Things， IoT）中，數以億計的物體（無論智能與否）將變得支持IP并相互連接，這將為各式各樣的設備與系統提供大量機遇，使它們能夠感應、控制、驅動我們居住的物理世界和完全模擬的世界并與之通信。

　　在整個電子行業中，另一個最突出的重要趨勢是交付各種能夠在系統級別上降低功耗，并提高能效的解決方案。數字處理技術攻入模擬芯片設計的深奧領域能否為這些戰略性趨勢一一提供解答？

　　模擬設計顯然是眾所周知的黑魔法，將它與數字技術融合是高級混合信號設計中一個高度復雜的過程。雖然存有爭議，但它在最近已變得愈加簡單。簡化并加速開發流程的一個重要因素是混合信號設計流程復雜度的提升，并且 EDA 工具現在允許工程師在混合信號設計中設計和仿真模擬與數字信號，同時運行C代碼。

　　在過去，模擬和數字電路在設計和仿真方面始終存在不同程度的分離；而當在單個芯片中同時采用數字和模擬電路時，往往不能第一次就能實現正常工作。然而，因為新型高級設計工具，這一流程現在逐漸變得幾乎可以在瞬間完成，而不是要在開發中額外花費幾個星期的時間。而且，隨著越來越多的商用模擬 IP 和數字庫加入到這一混合陣營中，任何模擬或混合信號芯片供應商能夠以幾年前無法實現的方式，更輕松、更快得地開發出快速高效的設計；對于在這一領域中沒有豐富經驗的人員來說無疑也是如此。

　　嵌入處理功能

　　設計流程中的這些高級功能讓人們可以越來越輕松地將數字處理器嵌入到模擬或混合信號設計中。例如，在設計中加入 32 位 Cortex-M0 處理器不會增加設計難度。該核心可以僅使用 12，000 個邏輯門實現，這一大小與周圍模擬電路相比幾乎可以忽略，因為后者大小幾乎是其十倍。因此，芯片面積增加帶來的額外成本相應也是較低的。

　　同時，數字子系統的加入大大提高了人們測試設備的能力—這一大優點目前還未被完全認識到。數字處理器變為一個靈活的引擎，可用于在混合信號系統級芯片（SoC） 中執行所有形式的片上測試和校準，讓模擬電子的驗證變得更加簡單。另一大優勢是系統集成度的增加，因而降低了終端系統的總體成本?？蛻粼O計中很有可能已經將獨立的微控制器與模擬或混合信號芯片一同使用。模擬芯片供應商現在處于更好的位置，去提供更高程度的集成。

　　當然，這也許不會發生。例如，一些供應商可能希望將數字處理器用于片上測試功能，而不一定會開放給客戶，供他們進行進一步的功能開發。但總體上，對于模擬芯片供應商而言，這是非常明了的價值主張。而且，在另一方面，領先的數字供應商正在努力利用模擬組件增強其數字處理產品組合。

　　提高能效

　　雖然這種新一代混合信號設備具備滿足物聯網要求的能力，需要特別注意的是，嵌入數字處理器將顯著提升系統的效率和總體性能，從而大大節省功耗。

　　那么，數字技術可以做些什么來增強模擬組件的能力，從而改善系統功耗？一個具體且非常重要的例子就是電機控制，其中的電力電子元件和模擬組件顯然都至關重要。數字處理器可以顯著改善對電機速度和/或旋轉的管理，有可能節省大約 40% 的功耗。而本例中所說的電機是工業應用中的大型設備，并不一定是玩具等低成本消費型產品中的電機。數字元件不會取代模擬元件或剔除掉模擬元件中的任何元素 - 它僅僅實現數字控制，提高總體系統的質量。

　　所以，借助這些高級功能，再加上集成潛力的增長和片上功能水平的提高，加入小巧而強大的數字處理器核心的投資回報將非?？焖?。

　　所有這一切的有力證據就是，嵌入數字處理功能的模擬和混合信號設備正在向市場挺進。其中一個例子是來自 Analog Devices 的一款混合信號處理器。ADSP-CMX40X擁有一個 Cortex-M4 處理器，可以使電機驅動開發人員在硅晶片中加入更多功能。該設備尤其面向工業市場中的節能型應用，可在電機驅動器、光伏逆變器和閉環伺服控制系統中實現更加精準的電機控制。第二個例子是 Infineon 的 XMC4000 系列，其中也嵌入了 Cortex-M4 處理器。此產品系列同樣致力于改善工業應用中的能效。第三個例子是 Dialog Semiconductor 最近獲得了 Cortex-M0 處理器的授權許可，該公司計劃將它作為控制器用在一系列電源管理器件中，實現智能手機或平板電腦中的電源控制和電池管理功能。

　　未來

　　不出幾年，絕大多數（至少很高比例）的模擬和混合信號芯片設計中將通過集成高性能數字處理子系統來進行控制和管理。這也將使得開發人員能夠在其中加入自己的軟件代碼。

　　主要應用很有可能在于電機控制和電力電子元件，而現在此類應用大部分都基本上是“低能”的。為它們賦予數字智能，在電機上就有可能節省大量能源。根據最近的一個推斷，電動機估計消耗全世界 40% 的電能，而其中大部分是工業電機驅動器。因此，對模擬世界施于一點數字療法可以大幅削減電能消耗，帶來顯著的環境和經濟效益。

　　在未來幾年中，隨著物聯網成為更大的現實以及功耗降低需求的增高，下一代復雜模擬和混合信號電路的模型很有可能是將“模擬在外”（用于感應和驅動）和“數字在內”（控制、決策和通信）融合在一起。

　　一款高度集成和數字控制的模擬 SoC，無論其來自模擬還是數字半導體供應商，只要有可能節省 40% 的工業電機能耗，都將是極受關注的技術，在不久的將來必定會有旺盛的需求。

——本文選自電子發燒友網2月《可穿戴技術特刊》“Change the world”欄目，轉載請注明出處，違者必究！