該為物聯(lián)網(wǎng)SoC微縮制程了嗎?
近幾個月來,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?!?/p>
“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現(xiàn)。”
基于MCU的SoC不僅僅是數(shù)位元件的組合,同時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)隨機存取記憶體(SRAM)——其中沒有一項能夠像數(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,但并不是現(xiàn)在,”Starnes表示。
芯科實驗室(Silicon Labs)全球營運資深副總裁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)智財權(quán)(IP),種種因素都使得制程技術(shù)選擇更具關(guān)鍵?!盞umar還補充說:“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)?!?/p>
無線物聯(lián)網(wǎng)端點中的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)驗為例表示,該公司的設(shè)計瞄準(zhǔn)了消費性穿戴式裝置、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,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,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?!盞umar說:“這些SoC并非用于桌上型個人電腦(PC)、行動PC、平板電腦或甚至手機等功耗要求像物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點那么關(guān)鍵的應(yīng)用。
“物聯(lián)網(wǎng) SoC用于經(jīng)常以鈕扣電池運作5-10年壽命的無線應(yīng)用。在這項技術(shù)節(jié)點中選用的低漏電SRAM與高耐受性NVM IP,使其于設(shè)計這些SoC產(chǎn)品時難以遵循追蹤摩爾定律的最小制程?!?/p>
根據(jù)Kumar表不,在設(shè)計和制造這些SoC時,成本是另一項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)計時,必須使用NVM與混合訊號RF技術(shù)的選項導(dǎo)致了晶片層數(shù)增加。要利用一項更小的制程節(jié)點來制造額外增加這么多層數(shù)的SoC,使其成本變得更高昂,在一個以成本/性能最佳平衡作為成功關(guān)鍵的設(shè)計中,這的確是一項重要的顧慮。
“物聯(lián)網(wǎng)市場十分零散且范圍廣泛,”Kumar說?!捌鋺?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,不見得會因為市場量大而降低成本。”
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
(來源:飛思卡爾半導(dǎo)體)
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。一旦擁有所需要的各種功能與功耗組合時,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)點設(shè)計中,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個制程節(jié)點?!?/p>
“如今,其間的差距已經(jīng)縮小到1-2個節(jié)點了,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?!?/p>
事實上,物聯(lián)網(wǎng)的贏家并不會是具有最強大最先進(jìn)制程節(jié)點策略的公司,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)需求時機導(dǎo)入最合適制程的公司。
編譯:Susan Hong