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MCU与MPU跨界,满足物联网与人机交互的需要
wangying | 2017-07-03 11:24:39    阅读:9989   发布文章

——NXP看好i.MX,投资FD-SOI,推出跨界处理器

 

近日,恩智浦(NXP)在京举办微控制器(MCU)与微处理器(MPU)媒体交流会,NXP资深副总裁兼MCU业务线总经理Geoff Lees、NXP MCU产品线全球资深产品经理曾劲涛先生主持了会议。

会上获悉,该公司十分重视i.MX系列。一半的投资在FD-SOI制程,未来三五年80%的产品出自FD-SOI。会上还发布了号称“跨界处理器”的芯片——i.MX RT,并推介了i.MX 6系列的新兵——i.MX 6SLL。另值得一提的是,i.MX RT和i.MX 6SLL都是在中国定义、设计和制造的,实现了该公司在中国定义、设计和制造的承诺。

          IoT与人机接口是增长亮点

据IHS的分析,从2015到2020年,中国的嵌入式应用市场将增长1.6倍,比全球市场的增长速度快2倍(如上图)。
 
原因之一是中国的家电、汽车、工业等市场的蓬勃发展,驱动因素当属物联网(IoT)。“中国正涌现越来越多的新应用,中国不只是像过去一样做简化版、低价格的产品,而且有很多新的创意、新的应用是在中国开始。”例如共享单车、共享充电宝等。基于此,NXP 50%的业务来自中国,如果加上其他海外公司在中国的制造和设计业务,NXP在华业务占70%。NXP也是中国最大的MCU供应商。


在物联网领域,NXP看好的一个新亮点是从2017年开始,人们对更好的人机界面需求越来越多。以前的许多产品是用于按钮控制,现在很多应用场合要有屏,而且最好是触控屏,这促使NXP i.MX产品的需求增长。未来人通过声音和手势就可以控制家电等很多产品,例如在家里一个喇叭可以成为控制所有东西的入口。在汽车应用中,车内麦克风和头上的摄像头可以根据你的声音或者脸部表情作为你跟外面沟通的接口。这些都是i.MX可以支持到的。NXP已花费很多投资在视频的编/解码(CODEC)方面,以使音视频产品成本降低。“从传统意义的控制到现在的娱乐系统(图像、声音、手势识别),预计明年会看到我们很低端的产品也具有声控和很高的计算能力,做到声音、图像和手势识别。”Geoff Lees指出。

                       

                             看好FD-SOI路线

众所周知,FD-SOI是新一代半导体制程工艺,较适合低功耗与成本敏感型应用,特点是特殊材料、普通工艺。与FD-SOI相对应的FinFET是普通材料、特殊工艺。


NXP不甘当吃瓜的群众,率先尝试FD-SOI技术生产i.MX 7和i.MX 8。过去几年里,NXP已投资在FD-SOI技术上,目前在MCU与MPU上的投资一半是基于FD-SOI,在接下来的三五年,80%的新产品都会采用FD-SOI工艺,其余20%的产品在FinFET。


之所以选择FD-SOI,有三个原因。1.成本和性能的平衡。2.FD-SOI有很强的集成能力,在这个技术上更容易实现模拟、RF、传感器等的集成。3.FD-SOI的很宽的工艺范围,使客户可以针对自己的应用对功耗和速度的要求,匹配相应的工艺设置,从而设计出多样化的产品。


如下图,左侧线是传统的平面bulk设计理念,客户会根据对功耗的要求选工艺节点(橙色和蓝色线点)及其设计库,如果用户想设计高性能/高速的产品,必须要跳到另外一个节点及选择另外的设计技术。

     


绿色斜线是FD-SOI的路线图,可见相比传统的Bulk技术(注:Bulk是平面体硅,此外还有3D体硅FinFET)有更宽的节点选择范围,给用户更多的设计节点选择。中间的绿斜线是i.MX 8X产品线用的技术,由于更节电,客户容易用较高的电压范围来设计。从另一个角度,相比体硅,采用同样的正向电压,可以把性能/速度往上推高,而且没有牺牲功耗。


Geoff Lees算了一笔账:成本是很复杂的公式。3D的FINFET技术是很难做的,比如10nm时,一个FINFET里面有将近80-100层,现在我们用的四五十层的。尽管以后8nm或者7nm时成本会下来,但生产的复杂度是非常高的。那些FinFET技术对手机芯片等来说2020年左右能够投产,对我们来说是5到7年之后才会到那个水平。


现在FD-SOI主流是28nm的,已经宣布有18nm的技术,前几天刚刚宣布12nm。因此,从生产成本、生产复杂度看,FD-SOI 12nm会比很多FinFET好很多,较容易实现。

      跨界处理器——i.MX RT

NXP此次推出的跨界处理器——i.MX RT,主要基于ARM Cortex-M7核,主频600MHz,做到了较低成本的3美元左右,Geoff Lees用颠覆性价格来形容它。


为何此次把新产品称为“跨界处理器“?Geoff Lees解释道,这种跨界发展方向,主要来自于物联网的需求。一方面传感端要求非常长的电池时间和非常低的漏电;另一方面,人们对物联网的连接性要求很高,以及对显示的要求也越来越高,再加上语音和图像等人机交互方式出现,因此催生低功耗和高性能的产品。


硬件上,当前的趋势是应用处理器(AP)的价格和功耗已经越来越接近以前传统的MCU,例如Cortex-A5、Cortex-A7内核的产品功耗和价格也非常低。另一个趋势是MCU的性能也在往上走,例如现在有三四百MHz主频、内置闪存的产品,从性能上已经越来越接近AP。二者最后会交汇在下图的圆点处。

图:MCU与AP衔接的圆点处


在软件开发和系统设计方面,过去二者在软件上也有区别,例如i.MX上运行的操作系统是Android和Linux等,MCU一般不运行操作系统。MCU现在主要是实时操作系统,使用IAR、Keil、MCUXpresso、RTOS(实时操作系统)等开发工具和操作系统。跨界处理器——i.MX RT运行实时操作系统,好处是完全可以利用以前MCU简单设计、快速量产、快速上市的特性,无需Linux、Android等复杂OS。而以前MPU+Android或Linux才有的性能,该产品也兼备。

图 跨界前MCU与MPU特点


图 跨界处理器的特点


具体地,以前500M到600MHz的应用往往需要散热,需要很多复杂的设计和高性能,但今天不能牺牲功耗,客户也不愿意多付钱,因此跨界处理器应运而生。


因此,i.MX RT增强实时性,其中一个是不需要等待的内存,可以很快对外面的命令进行反应。第二,市场对显示、连接性的要求非常高,NXP把以前处理器方面的模块拿到这个产品上来,使屏幕可以做好的人机控制界面。例如,i.MX RT上有摄像头接口、显示接口、音频接口等,有很强的DSP和多媒体功能。同时有很高的安全性。第三,RT采用了MCU的应用构架,它的开发工具、开发软件、生态环境都是MCU的。

最后,价格非常有竞争力,现在起价3美元。此次推出的是RT1050,NXP在未来几年里会相继推出其他的产品,有的是更高的性能,有的更便宜。


那么,是否所有基于M7内核的产品都可以称为跨界处理器?曾劲涛先生的回答是否定的。i.MX RT达到了600MHz,而通常Cortex-M7 MCU达不到如此高的MPU的性能。


为何i.MX RT能实现高速?实际上NXP做了很多改进,例如因为没有采用内置闪存,而更多依赖外部存储,这样不仅节约了成本,还把有限的资源用于提升处理速度。Geoff Lees称:内置闪存在现在市场上已经成为性能和功耗上的绊脚石,现在已经没有再开发更快的内置闪存技术。因为SRAM或外部的存储像eMMC闪存等非常便宜,存储量也非常大。


i.MX 6家族又添新丁——6SLL

由于NXP十分重视i.MX,此次又捎带介绍了i.MX6家族的最新成员——i.MX 6SLL,1GHz主频,亮点是堪称目前业界最低功耗的Cortex-A9通用MPU。另外多媒体功能丰富,可以做很好的显示,例如摄像头显示、电子书的界面。(注:NXP称,i.MX是全球出货量最大的电子书处理器。)第三是集成度高,有USB和eMMC接口等。最后,它与i.MX6系列中的其他产品有良好的兼容性。

i.MX 6SLL的目标应用场景之一是电子书,可以实现电子书的快速翻页。因为现今图形显示要实现流畅性,至少要达到600M、GHz级的处理速度,而且功耗还不能高。曾劲涛解释道。

                             为何不跨界到软件?

最近一些MCU公司在软件方面投入较大,例如对外部软件进行质量认证,并推荐给客户;或者干脆收购一些软件与RTOS公司,亲自给客户做软件工具,因为外部的软件也许不太可靠。NXP在硬件方面很投入,想跨界软件吗? 


底层软件应该开源。Geoff Lees称,以前他们曾购买过一家MQX实时操作系统公司,效果不太理想。因为开源是发展趋势,软件应该更多地投入在中间件和应用层,比如各种各样通讯的协议软件、应用软件、图形加速、声音等软件方面,而不是投资在底层软件。因此,NXP投资在高层软件和软件服务商,例如直接跟客户谈可以给客户做他们应用层的软件,帮助客户解决他们应用中的问题。

                                  小结

此次发布会留给笔者的印象如下:

1.重视i.MX系列发展,因为嵌入式控制的人机界面水平提升了。

2.为了降低功耗和成本,以及加入更多RF、模拟等功能,i.MX系列有必要采用FD-SOI工艺。

3.跨界处理器不仅性能提高,而且功耗和成本降下来了,因为没有采用闪存。笔者感慨,曾几何时,嵌入越来越大的存储是MCU的创新方向之一,今天NXP大幅削减存储,很有颠覆性。


实际上,每家MCU厂商由于服务的应用领域不同,都有自己的特点和发展道路,例如有的在无线连接集成度高,有的软件做的安全可靠,有的图形功能做得好;有的主打小家电,有的主打工业,各有千秋,不一而足。本文仅供大家交流参考。





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