近幾個(gè)月來，一些主要的半導(dǎo)體業(yè)者與IC代工廠陸續(xù)宣布微縮IC的電晶體尺寸至14奈米(nm)，從而為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)單晶片(SoC)降低尺寸與成本的下一步鋪路。
然而，Objective Analysis半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析師Tom Starnes表示，從發(fā)展時(shí)程上看來并沒有這么快。他指出，“目前所發(fā)布的消息大部份都與標(biāo)準(zhǔn)的微處理器架構(gòu)有關(guān)，而與物聯(lián)網(wǎng)裝置的要求關(guān)系不大。”
“這些主要都是數(shù)位系統(tǒng)，真的要微縮至這么小的幾何尺寸并不容易，密切掌握基于微控制器的物聯(lián)網(wǎng)裝置需求才能輕松地實(shí)現(xiàn)。”
基于MCU的SoC不僅僅是數(shù)位元件的組合，同時(shí)也包括了大量的類比功能、無線RF電路、快閃記憶體與靜態(tài)隨機(jī)存取記憶體(SRAM)——其中沒有一項(xiàng)能夠像數(shù)位電晶體一樣輕松地微縮或具有可預(yù)測性。
“最終將會針對物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)一個(gè)可行的MCU SoC市場，它將能夠利用微縮至14nm~20nm或更小的制程節(jié)點(diǎn)，但并不是現(xiàn)在，”Starnes表示。
芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)全球營運(yùn)資深副總裁Sandeep Kumar對此表示認(rèn)同。他并指出，相對于全數(shù)位化的SoC，終端節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)SoC具有不同的要求與挑戰(zhàn)。
“無線連接性、整合型MPU、低功耗作業(yè)、低漏電SRAM與非揮發(fā)性記憶器(NVM)智財(cái)權(quán)(IP)，種種因素都使得制程技術(shù)選擇更具關(guān)鍵。”Kumar還補(bǔ)充說：“這些物聯(lián)網(wǎng)SoC并不會采用與數(shù)位SoC普遍使用的相同方式來追逐摩爾定律(Moore’s law)。”
無線物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)中的MCU SoC結(jié)合一系列的功能，包括非揮發(fā)性記憶體以及感測器、類比/混合訊號、窄頻寬頻RF等各種電路，以及天線、電池與電源管理等周邊裝置功能
Kumar以Silicon Labs公司的經(jīng)驗(yàn)為例表示，該公司的設(shè)計(jì)瞄準(zhǔn)了消費(fèi)性穿戴式裝置、家庭自動化、智慧電表、智慧照明、健康與健身、工廠自動化、運(yùn)輸、物流與農(nóng)業(yè)等市場的低功耗、低資料率無線連接應(yīng)用。為了支援這一類的設(shè)計(jì)，Silicon Labs仍然采用90nm制程制造基于ARM的32位元無線SoC，Kumar表示，該公司并未看到短期內(nèi)有進(jìn)一步推動制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)展的迫切需要。
“針對無線連接的復(fù)雜、高能效射頻(RF)設(shè)計(jì)，以及用于感測或連接低壓電流感測器的類比功能，都和物聯(lián)網(wǎng)SoC的數(shù)位性能一樣至關(guān)重要。”Kumar說：“這些SoC并非用于桌上型個(gè)人電腦(PC)、行動PC、平板電腦或甚至手機(jī)等功耗要求像物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)那么關(guān)鍵的應(yīng)用。
“物聯(lián)網(wǎng) SoC用于經(jīng)常以鈕扣電池運(yùn)作5-10年壽命的無線應(yīng)用。在這項(xiàng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中選用的低漏電SRAM與高耐受性NVM IP，使其于設(shè)計(jì)這些SoC產(chǎn)品時(shí)難以遵循追蹤摩爾定律的最小制程。”
根據(jù)Kumar表不，在設(shè)計(jì)和制造這些SoC時(shí)，成本是另一項(xiàng)非常重要的考慮因素。
為物聯(lián)網(wǎng)SoC的復(fù)雜類比連接功能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須使用NVM與混合訊號RF技術(shù)的選項(xiàng)導(dǎo)致了晶片層數(shù)增加。要利用一項(xiàng)更小的制程節(jié)點(diǎn)來制造額外增加這么多層數(shù)的SoC，使其成本變得更高昂，在一個(gè)以成本/性能最佳平衡作為成功關(guān)鍵的設(shè)計(jì)中，這的確是一項(xiàng)重要的顧慮。
“物聯(lián)網(wǎng)市場十分零散且范圍廣泛，”Kumar說。“其應(yīng)用范圍從穿戴式裝置、醫(yī)療裝置、汽車，一直到工業(yè)自動化和農(nóng)業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)中的每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有特定的需求，對于一些特殊應(yīng)用來說，不見得會因?yàn)槭袌隽看蠖档统杀尽?rdquo;
飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale Semiconductor)面臨著類似的壓力。雖然該公司仍保有為自家多款成熟產(chǎn)品進(jìn)行制造的能力，但隨著一些關(guān)鍵產(chǎn)品領(lǐng)域的制程微縮至90nm以下，飛思卡爾已經(jīng)開始與幾家關(guān)鍵的晶圓代工廠密切合作了。
隨著半導(dǎo)體制程進(jìn)展到奈米級，IC制造將會由彼此沖突的兩種需求所帶動：高性能的數(shù)位IC，以及針對一系列連網(wǎng)應(yīng)用的MCU SoC所需的混合訊號需求
根據(jù)飛思卡爾半導(dǎo)體應(yīng)用處理器業(yè)務(wù)與先進(jìn)技術(shù)推廣部副總裁Ronald Martino表示，該公司仍使用其內(nèi)部晶圓廠開發(fā)基于代工廠基礎(chǔ)制程的自家設(shè)計(jì)。一旦擁有所需要的各種功能與功耗組合時(shí)，才會將交由代工廠進(jìn)行最后的生產(chǎn)。目前該公司正將其物聯(lián)網(wǎng)MCU的Kenetis系列轉(zhuǎn)移至40nm——這是在其28nm全耗盡型絕緣上覆矽(FD-SOI) i.MX媒體處理器以及為其16nm FinFET實(shí)現(xiàn)QorIQ網(wǎng)路處理器的下一代技術(shù)。
對于物聯(lián)網(wǎng)市場的MCU供應(yīng)商來說，盡管成本與處理器性能是重要的因素，在這種以電池或環(huán)境能量供電的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，更重要的是功率效率。
“雖然表面上看來較小的制程節(jié)點(diǎn)會為你帶來低功率作業(yè)，但由于各種不同元件的微縮情況不一，使得到達(dá)目標(biāo)之路也十分崎嶇，”IHS Global Inc.嵌入式處理器總分析師Tom Hackenberg說，“然而，其間的差距正迅速縮小中。五年前像一些類比或RF元件大約比數(shù)位元件落后3-4個(gè)制程節(jié)點(diǎn)。”
“如今，其間的差距已經(jīng)縮小到1-2個(gè)節(jié)點(diǎn)了，我們很快地就會看到采用32位元MCU的物聯(lián)網(wǎng)裝置供應(yīng)商開始轉(zhuǎn)向28nm~50nm，實(shí)際情況依據(jù)是否所有的元件(例如類比)適用而定，其中有許多仍取決于其目標(biāo)市場的利潤空間。”
事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)的贏家并不會是具有最強(qiáng)大最先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)策略的公司，而是那些懂得掌握各種相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用與市場需求以及擁有專業(yè)知識知道因應(yīng)需求時(shí)機(jī)導(dǎo)入最合適制程的公司。
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