低功耗M2M市場廣闊 芯片設計如何降耗

    當前有關物聯網的話題備受市場青睞。根據預測，到2020年左右世界上將有超過1000億臺設備實現聯網。值得關注的是，這些設備中超過一半將對功耗問題十分敏感。因此，具有低功耗、高性能的，尤其是集成了無線通信功能的MCU解決方案將會受到重視。它在簡化設計之余，可以讓更多下游設計人員將聯網設備推向市場。

　　物聯網關注平均功耗

　　隨著人與物、物與物連接的增多，未來將是千億連接的時代，加之國際標準組織對技術標準制定工作的積極推動，低功耗M2M業務的市場前景十分廣闊。對此，Silicon Labs 32位微控制器產品高級營銷經理Oivind Loe在接受采訪時表示：“能效是應用在物聯網中組件的一項至關重要的特性。一些物聯網應用，如智能抄表和智能信用卡，甚至可能會有超低功耗的要求;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去實現電流消耗與響應時間和功能之間的平衡。”

　　Microchip公司家電解決方案部IoT營銷經理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，物聯網應用對芯片的低功耗需求并不全是越低越好，不同場景下又有著獨特的需求。瑞薩電子通用解決方案中心綜合營銷部副部長王均峰在接受采訪時指出：“如果具體到物聯網應用，往往很難明確區分待機功耗和運行功耗。因為在物聯網設備中，設備大多數情況下是處于待機和工作之間，或者說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。”

　　針對這種情況，很多半導體企業在面向物聯網開發低功耗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。瑞薩很多產品采用自有內核，在優化功耗的時候擁有更大空間。此外，瑞薩擁有自有的芯片外設產品，加上擁有自己的生產工廠，在內核、外設和工藝三個方面共同作用，可以實現產品的低功耗。”王均峰說。

　　Oivind Loe也表示：“MCU精心設計的能量模式，能實現電流消耗與響應時間和功能之間的平衡。這種優化的權衡方法使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。”

　　改進設計架構是重要降耗途徑

　　具體來看，MCU的功耗水平包括靜態功耗、運行功耗兩部分。考慮實際的應用，靜態功耗是芯片在睡眠或非運作狀態下的功耗，而動態功耗即MCU運行時所消耗的功率。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系，采用何種工藝，決定了產品靜態功耗和運行功耗的優劣。

　　此外，一些廠商已從整個架構上進行改進，實現物聯網環境下的低功耗。恩智浦半導體大中華區MICR微控制器產品市場總監金宇杰表示：“恩智浦在MCU中引入獨特的異步結構，在一個MCU中分別集成ARM Cortex A7和Cortex M4內核，可以用M4內核維持平時的運作，特別是在待機狀態下的運作，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問題。“針對這個需求特點，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，外設將判斷外界指令到來，是否需要內核工作，只有確認這個需求后才會真正喚醒內核，從而使系統的工作效率大幅提升。”王均峰說。

　　減少外設功耗，也是降低整體芯片功耗的一個有效途徑。根據金宇杰的介紹，恩智浦的產品可以通過API軟件，在MCU、MPU完成任務時，把一些不用的接口關掉，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，能很好地實現低功耗要求，僅需很少或無需CPU干預，進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。

　　應對碎片化的挑戰

　　物聯網最大的特點就是碎片化，如何使MCU芯片適應物聯網的應用，也是一個挑戰。“物聯網不僅僅是單一的市場，而是包含了所有垂直市場的領域。因此，對于物聯網設備來說并沒有一個通用的規范：可穿戴式設備對功耗有嚴格的要求;而重工業設備則不苛求低功耗。可目前的狀況是，芯片廠商為了平衡成本大多采用通用MCU來嘗試涵蓋大部分應用。”Xavier Bignalet指出。

　　不過，這種狀況正在有所改善。“隨著半導體工藝的演進以及物聯網應用市場的發展，將來也許會有廠商針對物聯網市場開發出專用的芯片，現有MCU中常用的模擬外設等功能也許會被拿掉，從而專注于算法和連接，在更先進的半導體工藝下實現更低的功耗及成本。簡單來說，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網芯片也許會分家但又同時共存。”ARM中國嵌入式應用市場經理耿立鋒表示。