物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代 模擬和數(shù)字世界溝通需求上升

 隨著越來越多的傳感器和致動(dòng)器被添加到電子設(shè)備中，在模擬和數(shù)字電路之間來回?zé)o縫地移動(dòng)數(shù)據(jù)之壓力日益增長。

模擬和數(shù)字電路集成在一起總是顯得格格不入，而且這種狀況隨著SoC使用更小的特征尺寸而愈加凸顯。 雖然數(shù)字晶體管可以繼續(xù)擴(kuò)展到遠(yuǎn)低于28nm，但現(xiàn)在有關(guān)于數(shù)字路線圖能持續(xù)多遠(yuǎn)的爭論一直存在。而模擬技術(shù)正在按照自己的節(jié)奏發(fā)展。然而，在許多情況下，它根本沒有前進(jìn)。

如果模擬和數(shù)字不以同樣的速度前進(jìn)，至少它們要能較好的融合。這有助于解釋為什么在28nm和16/14nm工藝節(jié)點(diǎn)下，標(biāo)準(zhǔn)的“模擬”IP包括大量的數(shù)字內(nèi)容。隨著物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)對(duì)模擬內(nèi)容的需求，添加傳感器以將物理世界與電子設(shè)備連接，對(duì)這兩個(gè)世界之間，甚至更大的互操作性和通信的需求將繼續(xù)增長。

ARM公司 CPU集團(tuán)營銷總監(jiān)Ian Smythe表示：“對(duì)模擬硅產(chǎn)品的需求一直存在于嵌入式領(lǐng)域，但物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的出現(xiàn)正在增加對(duì)連接混合信號(hào)內(nèi)容的需求。傳感器正在改變一系列智能技術(shù)(智能設(shè)備，智能家居，智能建筑和智能城市)的深度嵌入式系統(tǒng)。”

為了能夠有效地處理和傳輸信息，需要在這些嵌入式系統(tǒng)中更有效地處理模擬數(shù)據(jù)，包括邊緣設(shè)備中部署的低功耗微控制器，家庭和建筑網(wǎng)關(guān)中使用的更復(fù)雜和更強(qiáng)大的處理器以及位于這些網(wǎng)關(guān)和云之間的所謂的霧化服務(wù)器。

通信需要改進(jìn)的一個(gè)原因是：大多數(shù)IoT的有趣功能取決于整合來自多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的能力。

Mentor Graphics的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Jeff Miller表示：“傳感器通常是MEMS或硅光子學(xué)器件，或與您想要感知的物理世界中的任何物體。模擬是創(chuàng)建傳感器和數(shù)字系統(tǒng)之間接口的一部分，它將執(zhí)行傳感器融合等功能，以從多個(gè)傳感器獲取數(shù)據(jù)，將其與有用的信息相結(jié)合，然后傳送。”

連接模擬和數(shù)字世界

以上這些大多數(shù)都適合物聯(lián)網(wǎng)、連接設(shè)備或智能汽車等領(lǐng)域，基本的挑戰(zhàn)是相同的。智能車有傳感器負(fù)載，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也是如此，基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控也是一個(gè)橋梁，以告訴它是否高于其設(shè)計(jì)負(fù)載。在醫(yī)療領(lǐng)域還有很多范例，在消費(fèi)級(jí)健康監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域，大量的新一代連接傳感器將會(huì)應(yīng)用到其中。

智能模擬的興起導(dǎo)致處理能力繼續(xù)被添加到模擬組件當(dāng)中，Smythe表示：“今天，許多傳感器設(shè)備內(nèi)部都有處理器，通常用于自動(dòng)校準(zhǔn)模擬組件，以提高精度和性能。 這不僅在制造階段至關(guān)重要，而且連續(xù)校準(zhǔn)也可以提高、延長產(chǎn)品的使用壽命。”

以一個(gè)簡單的路燈傳感器為例。如果它被污垢覆蓋，它可以早些打開。此外，光透鏡本身變得模糊，并且有效光隨時(shí)間變暗。隨著數(shù)字和模擬之間更好的通信，燈光可以在鏡頭清晰時(shí)自動(dòng)調(diào)低，并且隨著鏡頭變得更加不透明而變亮。

汽車工業(yè)對(duì)模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)也有新的要求，Smythe指出。例如，一系列安全特征需要各種形式的傳感器，以提供關(guān)于車輛和環(huán)境的信息。“隨著汽車自動(dòng)化程度提升，對(duì)傳感器和系統(tǒng)處理傳感器數(shù)據(jù)的要求越來越高。對(duì)于這些應(yīng)用，功能安全性和設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要。”

在這些車內(nèi)，ADAS(攝像機(jī)、傳感器、雷達(dá)、激光、聲納)和輸出(導(dǎo)航、斷開、安全氣囊觸發(fā)、碰撞避免)的輸入都是模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)。

Synopsys營銷總監(jiān)Geoffrey Ying表示：“關(guān)鍵的驗(yàn)證考慮因素是魯棒性和可靠性，以滿足ISO 26262的高標(biāo)準(zhǔn)要求。這種系統(tǒng)必須按照預(yù)期在各種情況下工作，這需要對(duì)PVT進(jìn)行徹底的模擬和回歸，以及任何潛在的故障條件和恢復(fù)。”

模擬在云端

越來越強(qiáng)調(diào)混合信號(hào)也不止于此。 在數(shù)據(jù)中心中推動(dòng)無限通信帶寬也包括模擬組件。

“為了支持這種需求，例如，具有4級(jí)脈沖幅度調(diào)制的新型光驅(qū)動(dòng)器IC現(xiàn)在可用于支持高達(dá)400 Gbps的以太網(wǎng)，”Ying說：“這些芯片具有高水平的模擬和數(shù)字集成，工作在極高的數(shù)據(jù)速率，但必須保持低功耗以節(jié)省能耗。為了驗(yàn)證這些芯片，設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)具有高仿真吞吐量和高容量的精確混合信號(hào)驗(yàn)證解決方案，以及對(duì)該架構(gòu)的準(zhǔn)確信號(hào)完整性分析的能力。”

Mentor Graphics公司AMS產(chǎn)品營銷總監(jiān)Mick Tegethoff說：“這些應(yīng)用的棘手之處在于所有的決策和所有的智能都在數(shù)字領(lǐng)域。在汽車應(yīng)用當(dāng)中，它是一個(gè)微控制器;在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備當(dāng)中，它是一個(gè)超級(jí)迷你微型微控制器，是數(shù)字的。”

因此，在從模擬到數(shù)字的快速和準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中有很多事要做，反之亦然。

他還指出，在許多設(shè)計(jì)中，有更多的無線技術(shù)。“在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，都是無線的。在汽車當(dāng)中，有更多的無線技術(shù)。每當(dāng)你通過WiFi等進(jìn)行通信時(shí)，就進(jìn)入模擬RF域。傳統(tǒng)上，當(dāng)您遠(yuǎn)離數(shù)字，通過蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施或無線基礎(chǔ)設(shè)施互連時(shí)，蜂窩和WiFi的IC始終具有模擬RF內(nèi)容，并且這種內(nèi)容不斷增長。

回到聚光燈下

對(duì)于Cadence的混合信號(hào)解決方案工程總監(jiān)Mladen Nizic來說，這是一個(gè)模擬/混合信號(hào)的黃金時(shí)代，汽車和物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)了在各個(gè)層面集成模擬的需求，以使系統(tǒng)正常工作。雖然向數(shù)字世界邁進(jìn)的趨勢沒有真正改變，但卻存在著無數(shù)的新挑戰(zhàn)。

“一方面，有一個(gè)趨勢，即數(shù)字化盡可能多的模擬功能，但同時(shí)，有一些觸動(dòng)點(diǎn)，”Nizic說： “這些系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界的互動(dòng)已經(jīng)增加，所以，以前用一個(gè)或兩個(gè)傳感器的，現(xiàn)在有十幾個(gè)或更多，這需要更高的集成度。如果您采用收集數(shù)據(jù)的IoT邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備，根據(jù)功能，它可能需要做一些量的處理。而需要做多少處理取決于正在收集的信息量，還有與網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器接口的帶寬效率，以及有多少信息對(duì)傳輸有意義。一些數(shù)量的處理必須移動(dòng)到邊緣節(jié)點(diǎn)，并且在一些情況下它需要更高級(jí)的處理節(jié)點(diǎn)和計(jì)算能力。在其他情況下，它可能相當(dāng)簡單，但功率非常敏感。因此，這些IoT邊緣節(jié)點(diǎn)突然變成了非常多樣化和多功能的系統(tǒng)，必須在最小功率上可靠地工作多年。模擬成為確保這些功能正常工作的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗仨毧煽康嘏c安全標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，最小化功耗。”

和往常一樣，驗(yàn)證是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。“數(shù)字方法已經(jīng)很好地建立起來了，但是現(xiàn)在更具挑戰(zhàn)性的是，模擬不能孤立地考慮，”Nizic說：“在驗(yàn)證過程中必須將其視為該系統(tǒng)的一部分。而且，它必須提早開始，甚至必須與數(shù)字同時(shí)開始，此時(shí)模擬電路可能還沒有被設(shè)計(jì)，這就是為什么以前是數(shù)字驗(yàn)證中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，正變成對(duì)模擬/混合信號(hào)越來越強(qiáng)烈的需求。 這意味著從一開始就要有好的、強(qiáng)大的驗(yàn)證計(jì)劃，開發(fā)正確的驗(yàn)證和模擬策略。因此，模擬建模也迅速崛起。”

當(dāng)涉及物理實(shí)現(xiàn)時(shí)，還必須有一個(gè)緊密集成的解決方案，用于物理設(shè)計(jì)，從平面規(guī)劃、布局。“這是一個(gè)強(qiáng)勁上升的領(lǐng)域，在性能和時(shí)序的簽訂，例如， 電遷移和IR下降變得至關(guān)重要，必須融合模擬和數(shù)字，”Nizic說：“它們不能單獨(dú)完成。”

對(duì)設(shè)計(jì)師的影響

工程團(tuán)隊(duì)還有其他考慮因素。 當(dāng)數(shù)字工程師需要與某種物理系統(tǒng)連接時(shí)，往往有不明顯的約束。

“很多時(shí)候，這種模擬工作是在制程節(jié)點(diǎn)完成的，這可能有點(diǎn)令人驚訝，”Miller說：“我們看到很多工作發(fā)生在180nm、90nm工藝節(jié)點(diǎn)，而不是22nm，這似乎有點(diǎn)出人意料，但事實(shí)證明，在那些非常小的制程節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)會(huì)帶來一系列挑戰(zhàn)，需要大量額外的工作才能使某些功能在這些節(jié)點(diǎn)上發(fā)揮作用，還需要大量的額外費(fèi)用。事實(shí)證明，這樣多得不償失，所以，去跟隨finFET節(jié)點(diǎn)的唯一原因是他們必須進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)字集成。在某些情況下，這是必要的，如應(yīng)用處理器上的PLL，但在大多數(shù)情況下，都是不需要的，設(shè)計(jì)師專注于做模擬節(jié)點(diǎn)，這些是更大的特征尺寸，還可以節(jié)省成本。

對(duì)于模擬設(shè)計(jì)，在那些具有極高的功耗要求情況下，工程團(tuán)隊(duì)采用極端制程節(jié)點(diǎn)，但即使是在這種情況下，一些較大的制程節(jié)點(diǎn)仍然能夠很好地滿足要求。

基礎(chǔ)部隊(duì)

Sonics首席技術(shù)官Drew Wingard表示：“我們?cè)?0年前開始談?wù)摤F(xiàn)在稱為SoC的事情，從字面上看，這個(gè)名字表示要縮小整個(gè)系統(tǒng)的電子功能，把它放在一個(gè)芯片上。顯然，對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用，我們從來沒有真正到達(dá)那里，但集成還在繼續(xù)。這不像我們停止在芯片上集成更多的東西，我們只是發(fā)現(xiàn)了其他的方法，或者說發(fā)現(xiàn)更多的功能。我們可以在數(shù)字領(lǐng)域增加更多的功能到更大面積的數(shù)字芯片上，并繼續(xù)在不同的芯片上保持混合信號(hào)功能。由于在許多應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯透視，采用更多晶體管不再是顯而易見的需求，使得在成本控制等方面更難。終端應(yīng)用中，可通過使用具有長壽命的電池，并且花費(fèi)成本低至一美元的芯片來實(shí)現(xiàn)。一旦你這樣做，結(jié)果就是：“哦，我的天，我最好去整合，因?yàn)槊恳粋€(gè)額外的die與封裝都要花費(fèi)這筆錢，我必須看看系統(tǒng)的材料的總帳單，所以集成的壓力要高很多。”

這使得芯片制造商需要吸引那些已經(jīng)存在的混合信號(hào)內(nèi)容，但是這些內(nèi)容可能在單獨(dú)的芯片上，并且可能在單獨(dú)的封裝中，Wingard說：“即使我們?cè)谝粋€(gè)地方整合混合信號(hào)處理技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)上仍然不是明智之舉，我們將使用某種形式的堆疊來整合它。我們將采取一些實(shí)現(xiàn)成本目標(biāo)的方法，使它們更接近它們之間的連接，看起來不像是標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)互連的接線。”

結(jié)論

對(duì)所有應(yīng)用的模擬需求都在增長。性能和功率要求——無論是高功率在一端，低功率在另一端——都在繼續(xù)增長。無論是用于汽車的BCD，還是用于SoC的7nm工藝，都引入了需要在晶體管和仿真中處理的新效果。

“模擬仍然是一個(gè)藝術(shù)形式，而不是在數(shù)字方面的按鈕合成流程，”Tegethoff說：“這些非常依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，以及設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力和知識(shí)。”

所以，無論需要多少模擬和數(shù)字電路，總會(huì)有差異。但越來越多的，需要兩個(gè)工程團(tuán)隊(duì)來模糊這些差異，并實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)世界之間的無縫溝通。