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跨界處理器真的有那麼“神”嗎?
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雖然IC業的創新一直沿著工藝提升、集成度提高、性能和功耗優化的“老路”向前,但大抵仍是“延續性創新”的路數。創新者的窘境一書指出,“要知道,在延續性創新中保持領先地位,這並不會對市場競爭格局產生重大影響。在延續性創新中,技術的跟隨者表現得和技術領先者一樣出色,但就是在面對破壞性創新時,先進入市場的企業可以建立起巨大的先發優勢,這就是創新者的窘境。”那麼問題來了,對於最熱門的MPU(微處理器)和MCU(微控制器)來說,如何突破窘境,實現真正的破壞性創新?

01
需要“兩全其美”
中國的嵌入式市場發展快速,MPU和MCU在未來3-5年仍“長勢喜人”。二者多年來也一直秉持“涇渭分明”:MPU應用於電腦、手機和平板等,支援Linux、安卓等作業系統,主導廠商有英特爾、AMD等;而要求經濟實惠和靈活實用的應用場合會採用MCU,支援如RTOS等開源的即時操作系統,主流廠商如NXP、ST、瑞薩、TI等。
 
伴隨著市場的“進化”,一向“井水不犯河水”的平衡也開始微妙的傾斜。“物聯網市場需求已與以往不同,縱向來看,需精確的模擬器件、感測器、高壓技術和無線RF的提升,對連線性、顯示的要求越來越高;橫向來看,人工智慧、機器學習、自動駕駛的要求對晶片性能的要求走高,同時也要平衡功耗和成本需求。”恩智浦(NXP)資深副總裁兼微控制器業務線總經理Geoff Lees指出。

那麼,如何在不增加成本和功耗的前提下,滿足比MCU更多功能(更高性能、更豐富顯示、更多連接)的要求;如何既達到MPU級別的性能和集成度,又能兼具MCU的開發工具和生態環境,以降低開發複雜性和加快上市。Geoff Lees對此認為,“兩者融合的需求已形成新趨勢,需在MCU和應用處理器之間實現無縫擴展,讓魚和熊掌實現兼得。”

而要實現MPU高性能和MCU易於開發的“兩全其美”,或需要破壞性創新打破高端MCU和低端MPU之間的技術鴻溝,實現MCU和MPU的“跨界”。

02
跨界處理器的“真功夫”
NXP推出的全新 i.MX RT系列成為這類新型跨界處理器的“首發”。據介紹,新型的i.MX RT跨界處理器系列基於ARM Cortex-M7內核,融合了i.MX 6ULL的SoC構架。

Geoff Lees介紹說, “由於跨界處理器採用了應用處理器架構,可在高級技術節點(40nm和更高水準)上製造,具有大幅縮小的SRAM,以及具有DC-DC轉換器的全集成電源管理功能,因而無需使用嵌入式快閃記憶體、外部DDR記憶體和電源管理IC,實現了更高性能和更低成本。在開發層面支援RTOS,不用花時間和成本將複雜的Linux、安卓軟體發展納入其產品設計週期,實現了類似MCU簡單設計、快速上市的特性。而且通過NXP基礎軟體如 FreeRTOS、SDK、ARM mbed、線上工具和相應的技術支援,客戶可輕鬆實現快速原型製作和開發。”
 
通過“跨界”整合的優勢自然不在話下。“一是高性能。其內核運行速度高達 600MHz(相比之下,目前市場上競爭解決方案的最高速度只有 400MHz),可提供 3015 CoreMark/1284DMIPS的處理速度。二是低功耗。通過完全集成的電源管理控制器、DC-DC 轉換器和高效的電源門控,i.MX RT系列的工作功耗僅為 110uA/MHz 。在低功耗運行模式(24MHz)下工作時,其耗電量可低至 4.5mA。三是功能升級。i.MX RT系列支援包含高級多媒體在內的高級GUI 和增強型人機介面(HMI)設計,包括高級2D圖形加速引擎、LCD顯示幕控制器、攝像頭介面以及提供高性能、多通道音訊流的音訊介面等,並通過豐富外設提供對多種無線標準的支援,如Wi-Fi、藍牙、BLE、Zigbee、Thread等。四是更安全。跨界嵌入式處理器採用硬體加速加密模組,可大幅提高加密/解密輸送量。”恩智浦微控制器業務線全球資深產品經理曾勁濤詳細指出。

有這樣的“絕技”,跨界處理器也將成為激發潛在應用的新“動能”。Geoff Lees提及,作為高性能與易用性特性的有效融合,跨界處理器適合一系列特定的應用,涵蓋高端音訊設備,通用嵌入式設計如測量系統、醫療設備、售貨機以及物聯網閘道,家居和樓宇自動化的人機介面 (HMI)等等。

03
FD-SOI將成主打工藝?
嵌入式處理器的”升級“一直需要工藝的”幫襯“,讓跨界處理器實現“兩全其美”的重要支撐也少不了工藝。從工藝來看,MCU三到四年前是130nm、90nm,現在已經有40nm的產品。MPU三四年前採用的是40nm、28nm,未來將是16nm、14nm甚至7nm。

Geoff Lees提到,在未來FD-SOI和FinFET兩種工藝路線之爭中,NXP在過去幾年間已將重點放在FD-SOI技術上,原因在於隨著晶片技術的發展,應用複雜度如模擬、RF或連接等要求不斷提升,傳統工藝的設備和開發成本大幅攀升,而FD-SOI比傳統技術有更寬的範圍,可提供給客戶更多的設計節點,而且可實現高性能高能效,功耗亦可大幅降低。
 
“未來NXP 80%的新產品都會採用FD-SOI工藝, 20%的產品會採用FinFET。目前FD-SOI已發展到18nm,很快會實現12nm,表現更要優於FinFET工藝。相信未來幾年可以看到更多的中國IC製造廠採用FD-SOI技術。” Geoff Lees對FD-SOI寄予厚望。

到底跨界處理器會對MCU或MPU造成何種“侵襲”目前還難以定量。從事20多年MCU開發的業內專家唐曉泉指出,在MPU的生態環境中,無論是硬體、OS還是應用,都產生了不少巨型公司。但MCU還處於“手工作坊式”的模式,其自身的性能超越了應用。目前由於MPU價格的下探,直接影響了高端MCU的發展。此時跨界處理器加入戰團,有可能會帶來一些新的變化。

一個值得注意的風向是,“基於IC業在開發先進記憶體方面取得的進展,NXP預測在未來兩到三年內,非易失性記憶體(如MRAM、RRAM等)可與嵌入式處理器集成,它們易於單片集成,可功能多樣,具有即開即用的用戶體驗,或將替代傳統快閃記憶體。跨界處理器也有望集成這些新興記憶體,從而發揮更大優勢。” 曾勁濤最後強調。
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