減小嵌入式SoC尺寸的解決方案

嵌入式微控制器和混合信號系統(tǒng)級芯片 （SoC） 市場在主流技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)上制造時(shí)顯示出強(qiáng)勁增長?；旌闲盘柺袌鰞r(jià)值近 300 億美元，約占 3000 億美元半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的 10%，隨著新消費(fèi)應(yīng)用的出現(xiàn)，這種增長將繼續(xù)。例如，觸摸屏技術(shù)和手機(jī)獨(dú)立存在多年。以智能手機(jī)形式出現(xiàn)的更好的人類用戶界面已經(jīng)建立了一個(gè)三年前不存在的市場。

混合信號電路使我們的模擬“真實(shí)”世界能夠與其電子數(shù)字對應(yīng)物進(jìn)行交互。隨著嵌入式應(yīng)用程序繼續(xù)達(dá)到更高的容量和更多的移動實(shí)施，設(shè)計(jì)人員正面臨著降低成本和降低功耗的問題。

嵌入式和混合信號設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)是大批量設(shè)計(jì)的成本敏感性。產(chǎn)品價(jià)格越低，可以采用該技術(shù)的潛在應(yīng)用數(shù)量就越多。一種降低半導(dǎo)體成本的方法是在小工藝幾何形狀中制造。但在混合信號市場，開發(fā)者留在主流節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)原因：

在半導(dǎo)體工藝中，模擬組件的擴(kuò)展性不如數(shù)字組件。因此，縮放帶來的密度優(yōu)勢遠(yuǎn)低于數(shù)字組件所獲得的優(yōu)勢。

大多數(shù)混合信號設(shè)備不具備數(shù)字設(shè)備的高速要求。許多混合信號設(shè)備的運(yùn)行速度低于 100 MHz，因此無需快速轉(zhuǎn)移到下一個(gè)領(lǐng)先的工藝節(jié)點(diǎn)。

較舊的工藝技術(shù)穩(wěn)定，具有眾所周知的模擬特性。低風(fēng)險(xiǎn)和低成本使舊技術(shù)節(jié)點(diǎn)的制造更具吸引力。

嵌入式 SoC 設(shè)計(jì)人員必須尋找創(chuàng)新的解決方案來減小芯片尺寸，同時(shí)保持主流工藝技術(shù)。

嵌入式設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是降低功耗。在 250 納米，代工廠沒有投資于降低動態(tài)和泄漏功率所需的工藝創(chuàng)新。某些應(yīng)用程序需要額外的電源優(yōu)化以將電池壽命延長至 2-5 天，智能手機(jī)就是這種情況。一些醫(yī)療應(yīng)用（例如起搏器）需要低功耗解決方案，以使電池能夠使用 5-10 年或更長時(shí)間。使用納米或皮安放大器可以最大限度地減少大范圍的手術(shù)，從而提高患者的生活質(zhì)量。

無論應(yīng)用程序處于電池壽命的極端還是處于中間狀態(tài)，一個(gè)不變的因素是用戶在一次充電時(shí)需要更多的功能。嵌入式設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是在保持低風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)增加功能——在成熟的工藝節(jié)點(diǎn)上——并減少面積和功耗以增加功能和電池壽命差異化。

嵌入式處理器的功能創(chuàng)新

混合信號 SoC 要么包含一個(gè)低功耗微控制器，要么與一個(gè)獨(dú)立的微控制器一起工作，以執(zhí)行來自用戶的命令并處理中斷并提供傳入數(shù)據(jù)的讀數(shù)。ARM 提供一系列現(xiàn)代 32 位處理器，即 Cortex-M 系列，專為低功耗微控制器而設(shè)計(jì)。

為了滿足對附加功能的需求，這些處理器通過性能效率在給定的占用空間內(nèi)提供更高的性能——更快地完成任務(wù)并因此減少活動周期的能力。性能優(yōu)勢源于 Cortex-M 執(zhí)行單周期 32 位算術(shù)和邏輯運(yùn)算（包括單周期 32 位乘法）以及在單個(gè)指令中使用索引尋址執(zhí)行 8、16 或 32 位數(shù)據(jù)傳輸。 這大大降低了所需的處理器時(shí)鐘頻率，并提高了單條指令的性能。此外，它減少了程序存儲所需的內(nèi)存和從內(nèi)存中獲取程序所需的功率。

降低的時(shí)鐘頻率意味著更低的噪聲和更高精度的模擬，從而提高了器件的模擬傳感器能力。射頻應(yīng)用也受益于電磁干擾的減少。這種效率提高了性能并提供了非常適合混合信號應(yīng)用的低噪聲、高精度模擬操作。

降低制造風(fēng)險(xiǎn)和硅面積

從高效的處理器設(shè)計(jì)中增加功能是一個(gè)很好的開始，但嵌入式設(shè)計(jì)人員還需要減少 SoC 面積并保留低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的工藝節(jié)點(diǎn)。為了滿足這一需求，越來越多的趨勢是向主流的 180 納米節(jié)點(diǎn)遷移。一些最激進(jìn)的設(shè)計(jì)甚至以 110 納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)，以縮小芯片尺寸。有幾個(gè)因素促成了這一趨勢：

已有 12 年歷史的 180 納米技術(shù)足夠穩(wěn)定，從 250 納米技術(shù)遷移到 180 納米技術(shù)幾乎沒有風(fēng)險(xiǎn)。

250 nm 節(jié)點(diǎn)不提供增值非易失性存儲器組件，例如閃存和一次性可編程存儲器。

新興的利基工藝技術(shù)，如 180 超低泄漏 （ULL）、180 雙極 CMOS DMOS （BCD） 和 110 ULL，憑借其低動態(tài)和泄漏功率曲線非常適合嵌入式市場。

優(yōu)化物理 IP 以減少面積和功耗

面積減少直接導(dǎo)致芯片成本降低，再加上更低的功耗，可以實(shí)現(xiàn)更便宜的 SoC 封裝并降低整體系統(tǒng)成本。此外，較低的動態(tài)和泄漏功率延長了電池壽命。ARM 可通過在 ULL 工藝上實(shí)施的物理 IP 平臺降低芯片尺寸和功耗。

ULL 物理 IP 平臺包含一系列邏輯產(chǎn)品：九軌 SC9 高密度 （HD） 標(biāo)準(zhǔn)單元庫、無分接七軌 SC7 超高密度 （UHD） 標(biāo)準(zhǔn)單元庫和七軌SC7 超高清電源管理套件 （PMK）。該平臺包含全系列的存儲器編譯器，包括 HD SRAM、寄存器文件和 ROM。與 SC9 HD 磁帶庫相比，SC7 UHD 磁帶庫通?？晒?jié)省高達(dá) 30% 的面積（參見圖 1）。

圖 1： SC7 超高密度庫在 ARM Cortex-M0 上節(jié)省多達(dá) 30% 的面積。

SC7 UHD 庫可以與互補(bǔ)的 SC7 UHD PMK 配對，只需增加少量邏輯面積，就可以顯著減少泄漏。例如，在實(shí)現(xiàn) Cortex-M0 時(shí)，使用 SC7 的泄漏比使用 SC9 低 12 倍。當(dāng)使用 SC7 UHD 庫和 SC7 UHD PMK 實(shí)施時(shí)，Cortex-M0 的泄漏減少了高達(dá) 50 倍（參見圖 2）。

圖 2：使用 SC7 物理 IP 實(shí)現(xiàn)的 ARM Cortex-M 在睡眠模式泄漏方面最多可減少 50 倍。

嵌入式和混合信號設(shè)計(jì)的未來

隨著創(chuàng)新的增加，嵌入式和混合信號市場將繼續(xù)增長，以增加功能和差異化，同時(shí)降低成本。通過在未來的嵌入式設(shè)備解決方案中提供無與倫比的設(shè)計(jì)和效率，高效的嵌入式處理器和物理 IP 將有助于這些市場的增長。

ARM 32 位處理器帶來更多功能和性能效率。在較小但風(fēng)險(xiǎn)仍然較低的工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)施的物理 IP 將保持較低的制造成本并減小裸片尺寸。ARM 的物理 IP 等優(yōu)化解決方案可顯著節(jié)省面積和漏電，從而降低總系統(tǒng)成本并延長電池壽命。

作者：Kimkinyona Fox，Raviraj Mahatme

審核編輯：郭婷