MCU可10年不换电池?日本最大的半导体厂商瑞萨是如何做到的?

MCU可10年不换电池?日本最大的半导体厂商瑞萨是如何做到的?,第1张

在6月12日在日本京都召开的2019年度"VLSI和电路技术专题研讨会上,瑞萨展示了业界首款基于65nm SOTB技术的嵌入式2T-MONOS(双晶体管-金属氧化氮氧化硅)闪存的相关测试结果。基于SOTB的新技术已在瑞萨R7F0E嵌入式控制器中所采用,该控制器专门用于能量采集应用。

2003年由日立和三菱电机合并成立了瑞萨电子。

2010年4月1日,NEC电子和瑞萨电子合并,成为了全球第一的MCU供应商,也是SoC系统晶片与各式类比及电源装置等先进半导体解决方案的领导品牌之一。在成立之时一跃成为全球第三大半导体公司,仅次于英特尔和三星。

然而瑞萨电子合并后的几年路走的并不顺,从成立时的全球半导体老三的位置一路挣扎,在2014年跌出了全球前十。

2016年,瑞萨开始下注 汽车 行业,并以32亿美元收购Intersil,引入了模拟与混合信号芯片产品线,盈利才逐渐上来。2017年,瑞萨占据了全球20%的MCU市占率。

去年9月11日,瑞萨宣布以约67亿美元收购美国模拟芯片大厂IDT,这个收购被认为是为了应对 汽车 领域的老对手NXP的威胁。在智能手机市场增长下滑的今天,预计 汽车 市场将是未来半导体厂商最大的细分市场。然而在2018年,意法半导体(STMicroelectronics)、英飞凌(Infineon)和NXP的 汽车 业务收入均出现增长,而瑞萨(Renesas)的 汽车 业务收入却较2017年有所下降。

与最接近的竞争对手相比,瑞萨是唯一一家在2018年 汽车 业务营收出现下滑的供应商,这不仅让人感觉到一丝意外

瑞萨电子中国董事长真冈朋光认为,瑞萨在2018年已经预计到了市场需求疲软的现状,同时也根据需求下滑进行了相对应的措施,如调整工厂产能。此外这不仅仅是瑞萨电子一家企业的事情,还需要跟代理商和销售渠道不断的加强沟通。"我们的客户对市场的未来也比较谨慎。因为不由厂商控制的情况太多了,比如现在的中美贸易摩擦的问题,没有人能预计到,但就是发生了。"真冈朋光认为,中美贸易摩擦这种不可控的事情发生,对瑞萨的客户影响是很明显的,因此瑞萨需要不断调整自己去适应市场的变化。

目前对于瑞萨来说,最重要的事情是尽快适应与IDT的并购,以及实现"1+1大于2"的效果。

据IDT的财报,近些年其毛利率在60%以上,2014—2018年复合增长率更是高达14.8%,而且其技术和产品恰好符合瑞萨电子下注的 汽车 业务,其数据中心与通信基础设施也会为瑞萨开辟更大的市场。2019年瑞萨与IDT的收购案终于达成,瑞萨也一跃成为日本最大的半导体公司。

目前瑞萨全球销售额7600亿日元,全球19000员工。从财报来看,瑞萨电子收入7570亿日元。

"面向 汽车 电子的半导体产品是瑞萨的代表业务。从应用领域来看, 汽车 领域销售额约占总销售额的一半,很难找到一辆完全不使用瑞萨电子产品的 汽车 。"——这是瑞萨电子中国董事长真冈朋光在今年举行的CITE中国信息博览会上的发言。

汽车 市场当然是瑞萨最重要的市场之一。根据srategy Analytics2018提供的数据,瑞萨电子在2017年的 汽车 MCU/SOC市场份额众,包括动力总成、xEV、车身、底盘与安全、信息 娱乐 &仪表相关的车用芯片均排名第一。

此外,2017年瑞萨发布了一个ADAS及自动驾驶平台Renesas Autonomy,同时发布的还有R-CarV3M SoC,该芯片配有2颗ARM CortexA53、双CortexR7锁步内核和1个集成ISP,可满足符合ASIL-C级别功能安全的硬件要求,能够在智能摄像头、全景环视系统和雷达等多项ADAS应用中进行扩展。除了R-Car系列产品外,瑞萨也有针对雷达传感器的专业处理器芯片如RH850/V1R-M系列。

应该说R-Car系列是瑞萨进军自动驾驶的切入点。此前推出的第三代产品R-CarH3/M3已经具有L2等级的自动驾驶需求。只不过作为一家日系公司,瑞萨在自动驾驶领域的布局显得异常低调。

作为日本最大的半导体厂商,瑞萨的目标绝不仅仅是 汽车 市场,物联网市场也是瑞萨的布局重点。

5月28日,瑞萨电子2019产品及系统方案研讨会——厦门站正式召开。在此次活动上,瑞萨不仅展示了自己的多款嵌入式解决方案,还首次展示了IDT的多款物联网解决方案,以及融合了瑞萨与IDT双方技术的系统级解决方案。

瑞萨切入物联网领域,在今年重点推广的主要有两大技术:DRP技术和低功耗的SOTB技术。

提到瑞萨在物联网领域的布局,不得不提到瑞萨在今年重点推广的DRP技术和低功耗的SOTB技术。

DRP技术,简单来说就是本地的嵌入式AI解决方案,可以取代以往的云端AI计算能力。

在商汤、旷视等各大AI芯片厂商以及Nvidia、Intel、高通等传统半导体厂商纷纷布局嵌入式AI的今天,瑞萨的DRP有什么亮点呢?

据了解,瑞萨独有的DRP技术,是一种动态可编程的处理器,可以按照不同的时间把动态逻辑编程,这特别适合应用在图像处理等应用上。DRP中有AI -MAC,有大量的计算单元,可以来实现卷积运算。

此外,相比目前市场上的通用的嵌入式AI芯片,如MCU、DSP、FPGA,瑞萨DRP可以做到10~100倍的强大处理能力,而功耗则降低很多。据了解,这个DRP的主频只有60Mhz,而处理能力则比A9 MCU要快13倍。

SOTB技术,则是一种极低功耗技术,可以让MCU的电流消耗降低到传统电流的十分之一。简单来说,这种技术让不需要电池的模式成为可能。

由于采用了无掺杂的晶体管,对比传统的平面式晶体管的淤积特性变化,可以在超低电压下进行稳定的 *** 作,比如0.5伏左右。如果传统的MCU采用3V的纽扣电池供电,可能一个月后就没电了。

如果采用STB技术到MCU,由于本身需要的电流非常低,可能3μA就够了,这个功耗几乎可以忽略不计,可以实现无间断的工作。再配合低功耗的DRP嵌入式AI方案,整个系统就可以做到低时延、安全、低功耗。瑞萨电子也强调,其超低功耗的产品可保证设备10年左右不换电池,这是其技术优势所在。

陈建明部表示,SOTB技术的推广将分三步走,第一步主要是替换需要更换电池的各类MCU应用;第二步预计到2021年在蓝牙BLE中增加带SOTB功能的MCU。比如智能家电、智能楼宇等。第三步则将SOTB和E-AI技术共同加入进来,做成完整的解决方案,在农业、智能交通等领域都可以用到。

在6月12日在日本京都召开的2019年度"VLSI和电路技术专题研讨会上,瑞萨展示了业界首款基于65nm SOTB技术的嵌入式2T-MONOS(双晶体管-金属氧化氮氧化硅)闪存的相关测试结果。基于SOTB的新技术已在瑞萨R7F0E嵌入式控制器中所采用,该控制器专门用于能量采集应用。与非SOTB 2T-MONOS闪存(约需50μA/MHz读取电流)相比,新技术实现的读取电流仅6μA/MHz左右,等效于0.22 pJ/bit的读取能耗,达到MCU嵌入式闪存最低能耗级别。这项新技术还有助于在R7F0E上实现20μA/MHz的低有效读取电流,达到业界最佳。

值得一提的是,能量收集技术的迅猛发展,使智能穿戴设备的自我供能有望成为现实。比如手环、耳机等可穿戴设备目前受限最大的就是功耗问题,而瑞萨下一步将在蓝牙BLE中增加带SOTB功能的MCU,很明显穿戴产品将大大受益。

我们有理由展望不久的未来,采用瑞萨的SOTB技术的能量采集系统将在智能手表等穿戴类设备中大显神威。

受缺芯危机影响,“国产替代”成了芯片行业的热门关键词。以最为紧缺的MCU芯片为切入点,我们挑选了一些电子工程师最喜欢的MCU芯片,从它们的核心技术、应用领域、规格书型号等方面来进行分析。

一、兆易创新

主要产品:GD32F150系列

核心技术:基于Arm架构的 Cortex-M3处理器,其主频为108MHz。精简指令集架构配上百兆主频,提供出色的运算处理性能。

主要应用:消费电子、工业控制、电机控制、安防监控、智能家居家电及物联网等领域。

主要产品:GD32E230系列

核心技术:基于Arm Cortex-M和RISC-V 内核的通用MCU

主要应用:消费电子、工业控制、电机传动、家用电器、消费电子等领域

二、国民技术

主要产品:通用安全MCU N32G455系列

核心技术:采用高性能32位ARM Cortex -M4F内核,集成浮点运算单元(FPU)和数字信号处理(DSP),支持并行计算指令。

主要应用:工业控制、空调压缩机控制、无人飞行器、云台、工业及消费类机器人等先进电机控制应用场景,以及UPS、太阳能逆变器、数字电源等需要控制器有高效运算能力同时又集成丰富的模拟特性的数模混合应用的场景。

N32G455系列产品可稳定工作于-40 C至+105 C的温度范围,供电电压1.8V至3.6V,提供多种功耗模式供用户选择,符合低功耗应用的要求。该系列产品提供包括从48脚至100脚的4种不同封装形式,根据不同的封装形式,器件中的外设配置不尽相同。

三、东软载波

主要产品:HR7P/ES7P/7H系列8位MCU、HR8P/ES8P系列32位MCU、ES32F系列32位MCU

核心技术:8位/32位 MCU设计开发

主要应用:智慧家电、智能楼宇、智慧医疗、车载电子、无人机、工业控制、智能互联网等。

四、晟矽微

主要产品:无线连接MCU MC8015

核心技术:内置 2.4GHz 无线收发模块,具有高集成度、高灵敏度、低功耗、抗干扰能力强等优点

主要应用:无线遥控、无线键鼠、无线通讯、工业控制等领域

主要特性:

片上集成发射机,接收机,频率综合器,GFSK 调制解调器

片上集成 32 位 Cortex-M0 结构 MCU

工作电压:2.0V~3.6V

封装形式:QFN48、QFN32

五、中微半导体

主要产品:电机控制MCU CMS32M系列

核心技术:基于ARM-Cortex M0内核的高端电机控制专用芯片

主要应用:CMS32Mxx系列MCU是中微半导体电机控制产品线主力产品,被广泛应用于落地扇、正弦波吸尘器、油烟机、电动两轮车、变频空调、变频洗衣机等典型电机控制领域。

六、乐鑫 科技

主要产品:Wi-Fi MCU通信芯片、ESP32-S2(搭载单核32位处理器,并集成RISC-V协处理器)

核心技术:大功率Wi-Fi射频技术、Wi-Fi物联网异构实现

主要应用:智能家居、物联网、可穿戴设备

七、灵动微

主要产品:MM32F系列、MM32L系列、MM32W系列、MM32SPIN系列、MM32P系列等

核心技术:基于ARM Cortex-M0及Cortex-M3 内核,超低功耗、具备多种无线连接功能等

主要应用:工业控制、智能家电、智慧家庭、可穿戴式设备、 汽车 电子、仪器仪表等

除了以上提到的MCU厂商,还有华大半导体的电机控制MCU HC32M系列、 超低功耗应用HC32L系列、高性价比HC32F系列,还有航顺芯片的32位M3、M0的通用MCU,8位OTP、MTP、EEPROM、FLASH的通用MCU等国产热门MCU芯片

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或许是偶然与时运的巧妙结合,BLE(Bluetooth Low Energy)技术的发展在过去多年里成功为我们解决了一系列低功耗、无屏幕设备与智能手机端的连接与交互等问题。时至今日,随着蓝牙技术在各行各业的应用普及,BLE技术也逐渐从幕后转向台前,在各类应用场景中发挥着更强、更广、更大的作用。

这也使得BLE芯片从原来仅负责完成BLE功能,逐步发展为如今的向多核MCU内部进行集成的趋势,这为越来越多的MCU以及单片机厂商贡献了更多的市场机遇。作为全球连接技术领域多年以来的创新主导者和市场引领者,Dialog公司近年来在BLE市场也斩获颇丰,据记者获悉,公司目前对外公布的蓝牙低功耗SoC出货量已达到2.5亿套,年增长达到50%,并在全球市场份额占据第二名的高位。而今,为进一步巩固Dialog在全球BLE领域的市场地位,为客户提供更先进的蓝牙低功耗技术,Dialog于2月25日在北京正式举办了产品发布会,一并发布了DA1469X系列的四款产品,分别为DA14691、DA14695、DA14697和DA14699。

从2017到2021:IoT与 汽车 是BLE技术应用主场

众所周知,蓝牙低功耗技术专注于一些不同的拓扑,其中包括点对点,一对多和mesh结构,主要针对低功耗和低数据传输率应用。据Gartner 2018年的市场报告显示,2017到2021年间,IoT(包括联网消费类应用、联网医疗设备、智能家居家电)以及 汽车 市场BLE应用的CAGR(年复合增长率)达到17%的水平,市场增长潜力巨大。

蓝牙低功耗产品领域,Dialog公司的产品组合也非常广泛,Dialog半导体公司低功耗连接业务部总监Mark de clercq告诉记者:“Dialog的产品不仅支持最新的蓝牙5.1标准,同时也能够支持通过蓝牙低功耗技术来传输高保真的(Hi-Fi)音频。我们的产品组合不仅包括针对简单应用的小型前端低功耗产品,也提供针对高端产品的集成度更高且更高端的产品系列。”

从Dialog公司的产品路线图(如上)中可以看出,在2018年以前也就是BLE4.2的阶段,公司就已经拥有了分属于DA146xx和DA145xx系列的14680/1和14580/3两款支线产品2018年,也就是BLE5.0时代,DA14680/1的基础上发展出了DA14682/3,而DA14580/3的基础上则发展出了DA14584/6而今,在BLE5.1的赋能下,Dialog的全新多核系列DA1469x也得以正式发布,成为目前全球范围内最强大且最先进的无线MCU系列产品!

 从架构层剖析DA1469x 何以成全球最先进的无线MCU?

如今,消费者对联网设备的需求正随着每个新产品的周期不断提高。而对于芯片厂商来说,为此不仅要及时跟上节奏,而且需要尽可能的预测到下一步市场的需求方向,并提早做好技术布局,Dialog半导体公司高级副总裁兼连接技术业务部总经理Sean McGrath表示:“我们的SmartBond无线微控制器在市场上不仅可以满足当今用户的需求,还能预测市场的发展方向,并为我们的客户在其下一个产品周期提供发展机会。与之前的产品相比,DA1469x系列的处理能力提高了一倍,可用资源增加了四倍,电池续航能力增加了一倍,成为迄今为止我们开发的最先进,功能最丰富的蓝牙产品之一。”

更具体来讲,从芯片架构层面看,Dialog的设计在很多地方无疑都是独具匠心。Mark de clercq表示:“当看IoT产品基础的时候,我们发现客户在IoT相关产品上面主要寻求三项功能,分别是传感,处理和通信。为此我们选择了三颗处理器,每颗处理器能够分别以最优的方式来实现其相应的功能。”

比如传感方面,Mark进一步解释到:“我们选择了可编程的DSP来处理传感器之间的数据通信。而对于计算密集型的应用,我们选择了Arm Cortex M33应用处理器,它具备DSP扩展,浮点单元等,通过复杂的应用和算法处理应用。在通信方面,我们有软件可编程协议引擎,它是基于Arm Cortex M0+,并支持蓝牙5.1标准及专有协议。”

亮点1:集成Arm Cortex M33应用处理器

从M33的结构上来看,里面包括了浮点单元、内存保护单元以及DSP扩展。由图中可见,与之前的M4和M3相比,M33是Arm M系列里面最新的产品,具备更强的处理能力和更优的性能。

Mark告诉记者:“Arm Cortex M33的计算是在内存里执行,而且是内存可扩展的。这意味着客户如果想要更多内存的话,可以选择扩展。”而且,DA1469x是全球首款量产的基于Arm Cortex M33的无线微控制器,M33的特性和能力在该产品中能够得到充分的体现与发挥。

亮点2:高安全性

在IoT领域,安全性一直都是一个热点话题。在安全方面,芯片端首先就是要确保IP的安全,很重要的是外部数据要能够得到验证,以及安全的booting等。

Mark表示:“我们通过在QSPI闪存控制器当中增加安全选项,可以执行来自外部闪存的验证并加密的镜像。为了防止不想要的密钥访问,我们也有专用的分开的OTP安全密钥存储。密钥管理是在硬件中进行,同时还可以阻止从处理器或外部端口进行访问。所有安全功能都是在硬件中加速的,实现AES、哈希函数、真随机数生成器。这些功能是专用于处理器的,独立实现端到端的蓝牙数据加密,用蓝牙处理器自有的加密引擎来加密数据链路,这些功能是专属于处理器的。”

另外,对于物理层面的安全攻击,DA1469x也能够很好的做出应对,Mark表示:"我们将安全密钥保存在独立一次性可编程(OTP)Block中,即使有人发起物理攻击,尝试从串行电路板或处理器去访问密钥,密钥是被屏蔽保护的,加密内核与串行电路和处理器是完全隔离的。这个安全性能可以允许一些应用无需添加外部安全元件,但是像银行级应用还会再多加一层外部的安全元素,实现更高级的安全特性,避免更复杂的物理攻击,比如芯片去层。"

亮点3:独一无二的电源与功率管理

无论从电源管理还是功率管理方面看,DA1469x都是独一无二。记者获悉,DA1469x芯片是原生支持可充电电池,包括锂聚合物电池,锂离子电池,纽扣电池以及镍氢电池和碱性电池等,所有的内部电源管理都在芯片内部完成。

当然,对于一些复杂的系统而言,一些外部元件也是需要供电的,Mark表示:"所以我们通过DC/DC降压转换器,实现给外部器件进行供电。外部器件无论是外部传感器,显示器或是其他芯片,通过我们的芯片可以进行电源的供电和控制。对于可充电电池,我们也在一些型号上实现了硬件USB充电器,无论是锂离子还是锂聚合物电池,意味着都不需要外部充电器了。"

功率管理方面,这款芯片也十分优秀,Mark进一步解释道:"芯片内部我们有七个独立的电源域,独立的电源域可以在你需要的时候才提供电,比如说在你要用蓝牙的时候,只有蓝牙相关的电源域才会供电。而当你需要传感器的时候,只有传感器节点控制器会供电。根据每项不同的功能,可以保证用电量是最低的。"

客户为什么会选择Da1469x系列?

需要强调的是,DA1469x是一个产品系列,而不仅仅只是一个产品。其中一些型号有针对通用MCU领域的,比如14691和14695也有针对特定应用的,包括14697和14699。

该产品系列是真正的单芯片系统解决方案,Mark表示,“因为它是高度集成的,所以使终端应用开发变得非常简单。而且,它能够帮助客户减少系统成本和占板空间,同时因为元件数量少了,使得生产的可靠性也得到了提高。如果详细看节省的PCB占板空间和成本,DA1469x基本上可以节省超过1美元的成本,以及30到40平方毫米的占板空间。有些应用的空间受限比较严重,那么30到40平方毫米的占板空间的节省是非常可观的数量。”

当然,这款全球最先进的无线MCU的优势不止于此,除了上述以外,该产品还支持最新发布的蓝牙5.1标准,典型的应用比如5.1标准特性中的利用到达角度(AOA)和离开角度(AOD)进行寻向定位的重磅功能,像室内定位、物品追踪、门禁、以及无钥开锁等应用都将受益于这种新的5.1标准特性,创造出巨大的市场价值。

 蓝牙5.1新的能力:多天线测向技术

在过去的应用中,一般来说只有通过三角定位才能够估算方向、只有一个设备只能知道距离而无法知道方向。但现在,只有一台设备也可以通过天线阵列来测定方向了。据蓝牙5.1新规范中的描述,蓝牙测向功能支持两种确定方向的方法,两者都基于天线阵列的到达角(AoA)和出发角(AoD)。

AoA角度测量

该测量技术用在例如“蓝牙定位标签”的方式中,会使用单天线发射机(标签)传输特殊的测向信号。蓝牙接收设备(蓝牙基站)具有以阵列排列的多个天线。当传输的信号穿过阵列时,由于与天线中的每个天线的距离不同,每个天线接收的信号存在相位差。基于相位差和天线的位置,可以计算出蓝牙标签的方向,再结合信号强度即可得出蓝牙标签所在的位置。

AoD角度测量

用在"手机接收ibeacon信号"的方式中,蓝牙信标使用多个天线发送多组特殊信号,手机就是普通手机,只需要具有单个天线。当来自蓝牙信标的多个信号穿过接收设备中的天线时,手机收到多个不同的信号,根据不同的信号来计算相对方向。

为了给现场媒体更直观的展现DA1469X基于AoA和AoD的寻向定位功能,Dialog还专程带来了实际的Demo演示。从演示中可以很直观的看出,DA1469X的寻向定位真的是非常精准。

针对蓝牙5.1的应用,到达角和发射角的阵列天线设计是比较独特的,Mark表示:"我们提供非常清晰的应用笔记,以及天线的参考设计,使得客户可以模仿这些设计,确保设计出来的性能是最优的。在今天的演示当中也有配套的RF天线,我们也会公布该RF天线设计。"

至于本次发布的几款产品,Dialog公司也表示这几个型号的产品现在都已经开始量产供货了。样品和开发套件,也已经可以通过全球经销商伙伴获得。所有的软件工具,目前也都可以从官网上获得。欲购从速,您还等什么呢?


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