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半导体

低功耗M2M市场广阔 芯片设计如何降耗

当前有关物联网的话题备受市场青睐。根据预测,到2020年左右世界上将有超过1000亿台设备实现联网。值得关注的是,这些设备中超过一半将对功耗问题十分敏感。因此,具有低功耗、高性能的,尤其是集成了无线通信功能的MCU解决方案将会受到重视。它在简化设计之余,可以让更多下游设计人员将联网设备推向市场。

物联网关注平均功耗

随着人与物、物与物连接的增多,未来将是千亿连接的时代,加之国际标准组织对技术标准制定工作的积极推动,低功耗M2M业务的市场前景十分广阔。对此,Silicon Labs 32位微控制器产品高级营销经理Oivind Loe在接受采访时表示:“能效是应用在物联网中组件的一项至关重要的特性。一些物联网应用,如智能抄表和智能信用卡,甚至可能会有超低功耗的要求;为了适合各种不同的应用,MCU必须拥有精心设计的能量模式,支持MCU去实现电流消耗与响应时间和功能之间的平衡。”

Microchip公司家电解决方案部IoT营销经理Xavier Bignalet也指出:“现今,连接应用功耗小是必要条件,甚至在有些应用中,电池使用寿命可持续20多年。”

但值得注意的是,物联网应用对芯片的低功耗需求并不全是越低越好,不同场景下又有着独特的需求。瑞萨电子通用解决方案中心综合营销部副部长王均峰在接受采访时指出:“如果具体到物联网应用,往往很难明确区分待机功耗和运行功耗。因为在物联网设备中,设备大多数情况下是处于待机和工作之间,或者说是高频率地在这两者间转换,所以平均功耗就变得重要起来。”

针对这种情况,很多半导体企业在面向物联网开发低功耗MCU芯片方面投入了很大力度。“瑞萨16位的L78系列和32位Rx系列等都有低功耗特色。瑞萨很多产品采用自有内核,在优化功耗的时候拥有更大空间。此外,瑞萨拥有自有的芯片外设产品,加上拥有自己的生产工厂,在内核、外设和工艺三个方面共同作用,可以实现产品的低功耗。”王均峰说。

Oivind Loe也表示:“MCU精心设计的能量模式,能实现电流消耗与响应时间和功能之间的平衡。这种优化的权衡方法使MCU能够为许多应用提供电流消耗、性能、尺寸和成本的正确组合。”

改进设计架构是重要降耗途径

具体来看,MCU的功耗水平包括静态功耗、运行功耗两部分。考虑实际的应用,静态功耗是芯片在睡眠或非运作状态下的功耗,而动态功耗即MCU运行时所消耗的功率。最后的系统功耗性能则是计算平均功耗。它们的功耗水平都与制造工艺有很大关系,采用何种工艺,决定了产品静态功耗和运行功耗的优劣。

此外,一些厂商已从整个架构上进行改进,实现物联网环境下的低功耗。恩智浦半导体大中华区MICR微控制器产品市场总监金宇杰表示:“恩智浦在MCU中引入独特的异步结构,在一个MCU中分别集成ARM Cortex A7和Cortex M4内核,可以用M4内核维持平时的运作,特别是在待机状态下的运作,保持较低功耗。”

瑞萨采取的另外一条途径,也较好地解决了这个问题。“针对这个需求特点,瑞萨在MCU中引入Snooze模式,可以做到MCU内核待机,外设工作。即采用Snooze模式时,外设将判断外界指令到来,是否需要内核工作,只有确认这个需求后才会真正唤醒内核,从而使系统的工作效率大幅提升。”王均峰说。

减少外设功耗,也是降低整体芯片功耗的一个有效途径。根据金宇杰的介绍,恩智浦的产品可以通过API软件,在MCU、MPU完成任务时,把一些不用的接口关掉,从而节省功耗。

Microchip也在外设方面挖掘潜能。“Microchip的部分8位单片机具有独立于内核的外设,能很好地实现低功耗要求,仅需很少或无需CPU干预,进一步减少了功耗需求。此外,如LCD、运放、RTCC、触摸传感、USB、DMA和加密引擎等低功耗外设使MCU的性能提升到了新的水平,尽可能降低系统级功耗。”Xavier Bignalet说。

应对碎片化的挑战

物联网最大的特点就是碎片化,如何使MCU芯片适应物联网的应用,也是一个挑战。“物联网不仅仅是单一的市场,而是包含了所有垂直市场的领域。因此,对于物联网设备来说并没有一个通用的规范:可穿戴式设备对功耗有严格的要求;而重工业设备则不苛求低功耗。可目前的状况是,芯片厂商为了平衡成本大多采用通用MCU来尝试涵盖大部分应用。”Xavier Bignalet指出。

不过,这种状况正在有所改善。“随着半导体工艺的演进以及物联网应用市场的发展,将来也许会有厂商针对物联网市场开发出专用的芯片,现有MCU中常用的模拟外设等功能也许会被拿掉,从而专注于算法和连接,在更先进的半导体工艺下实现更低的功耗及成本。简单来说,就是以控制为主要功能的MCU和以智能化分析/连接为主要功能的物联网芯片也许会分家但又同时共存。”ARM中国嵌入式应用市场经理耿立锋表示。

责任编辑:陈炳欣


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