Vid utvecklingen av IoT-produkter kan specialanpassade systemchip användas för att uppfylla krav för en specifik tillämpning eller för att skilja dem från konkurrensen. I den här artikeln från Socionext beskrivs några av möjligheterna och fördelarna.

Bland de tillgängliga kretsalternativen för utvecklingen av IoT-produkter är specialanpassade systemchip också kostnadseffektiva och högpresterande, erbjuder flexibilitet gällande design och kan hjälpa till att skapa pålitliga och säkra IoT-system.

En av de mest dynamiska marknaderna just nu är sakernas internet (från engelskans Internet of Things, IoT), där flertalet sensorer och inbyggda sensorer är sammankopplade – oftast med hjälp av trådlösa kommunikationsnätverk – för att kontrollera och övervaka omgivningen samt elektroniska system. I en konsumentmiljö kan IoT-enheter användas för att koppla ihop apparater eller belysning för att skapa ett smart och sammankopplat hem. I en industriell miljö kan IoT-nätverk övervaka produktionslinjer i den så kallade ”Industri 4.0” eller smarta fabriken.

För att kunna designa produkter för IoT eller industriell IoT (IIoT) måste utvecklare i allt högre grad använda specialanpassade systemchip som erbjuder optimal funktionalitet, låg strömförbrukning samt en hög grad av integrering. För utvecklandet av dessa – ofta väldigt komplicerade – systemchip (Systems-on-a-Chip, SoC), finns det ett antal högspecialiserade leverantörer för halvledare som stödjer kunden vid utveckling och produktion.

Varför anpassat systemchip?
IoT-, och IIoT-utveckling kräver kretsar som har en hög grad av integrering, har låg strömförbrukning samt är kostnadseffektiva. Dessa motstridiga kriterier kan endast tillgodoses på ett optimalt sätt med lösningar som är anpassade efter kundens specifika behov.

För att sänka enhetskostnaden på en IoT-produkt erbjuder specialanpassade systemchip möjligheten att ersätta många integrerade standardkretsar med ett enda systemchip tack vare deras höga integrationstäthet. Utöver kostnadsbesparingar minskar det också storleken på elektroniken vilket i sin tur gör det möjligt att ta fram IoT-lösningar som är mer kompakta. Dock måste kostnadsbesparingarna också jämföras med kostnaderna för utvecklingen av specialanpassade systemchip. På grund av detta måste enheterna som de specialanpassade systemchipen ska användas i tillverkas i hög till mellanhög nivå och/eller ha en lång livslängd för att kostnadsbesparingar ska uppnås.

När det gäller anslutningsmöjligheter behöver IoT-produkter ofta stödja trådlösa standarder (som ZigBee eller Bluetooth LE). Det är därför en fördel att specialanpassade systemchip kan integrera HF-enheter tillsammans med digitala kretsar. Genom att integrera både HF-sändare och HF-mottagare på samma systemchip minskar strömförbrukningen och storleken på IoT-produkterna.

Förutom HF-integrering ger specialanpassade systemchip möjligheten att integrera en analog front-end-krets som är optimerad för den specifika tillämpningen. Detta kan till exempel vara viktigt för ett sensorgränssnitt där en analog signal behöver genereras eller mottas.

Det är ofta viktigt för en tillverkare att skydda sin immateriella egendom. Om egenutvecklade algoritmer och metoder implementeras på ett specialanpassat systemchip har de ett visst skydd mot förfalskning samt baklängeskonstruktion. Självklart är det möjligt att kopiera ett specialanpassat systemchip men det är väldigt dyrt och innebär väldigt mycket arbete. Specialanpassade systemchip erbjuder därför ett visst mått av skydd mot förfalskning.

Engagemangsmodeller
Att utveckla ett specialanpassat systemchip är generellt sett en väldigt komplicerad process vilket kräver en hög grad av specialistkunskap som byggs upp under många år. På grund av det är det smart att ingå ett partnerskap med en leverantör för specialanpassade systemchip. De kan tillhandahålla flexibla svar på kundernas krav, samt erbjuder oftast flera sorters engagemangsmodeller, eller samarbetsformer. Dessa baseras på de designresurser som kunden har tillgång till för specialanpassade systemchip.

Det finns ungefär fyra olika engagemangsmodeller för utveckling av specialanpassade systemchip. Enligt den traditionella modellen ansvarar kunden för design av systemchipet och tillverkaren tar hand om utformning, produktion och testning. En variant av denna modell är kundägda verktyg-modellen där kunden har hand om allt utvecklingsarbete och systemchipspartnern ansvarar för tillverkning.

Med plattformsmodellen utför halvledartillverkaren en del av utvecklingen av systemchipet (t.ex. CPU-delsystemet eller den analoga kretsen) samtidigt som standarddelar som gränssnitt licensieras som immateriella egendom. Systemchiptillverkaren integrerar individuella kretsenheter.

Med spec-in-modellen tillhandahåller kunden en specifikation och systemchipleverantören slutför hela chipets design samt genomförandeprocessen.

Dessa alternativ ger kunderna en mängd olika sätt för att balansera deras interna designexpertis samt deras investeringar i utvecklingsverktyg samt andra utvecklingsresurser för att anpassa deras ASIC-utveckling enligt deras affärsmodell och den tillgängliga utvecklingstiden.

Halvledartekniker
Det finns en mängd olika halvledartekniker tillgängliga för ASIC-utveckling. CMOS är den absolut vanligaste tekniken. Den är särskilt lämpad för integrering av digitala kretsar, men RF-, samt analoga funktioner kan också integreras.

Systemchip som i första hand integrerar HF-/analoga kretsar med låg digital funktionalitet är ofta gjorda i SiGe (kisel-germanium), vilket tillhandahåller både CMOS samt bipolära transistorer. GaAS (galliumarsenid) lämpar sig för RF-kretsar med hög effekt, t.ex. effektförstärkare. Det finns också blandade former och specialprocesser som HV-CMOS (högspännings-CMOS).

I CMOS-enheter avgör processtorleken (för nuvarande 180 nm till 5 nm) integrationstätheten, dvs. antalet logiska grindar som får plats per chipenhetsområde. Mindre processer ger vanligtvis högre klockfrekvenser, vilket leder till högre datakraft, men den är också dyrare än en design som är baserad på en äldre processnod (dvs. större processorer). All utveckling av specialanpassade systemchip innebär därför en kompromiss mellan utvecklingskostnader och den prestanda och integrationstäthet som krävs. De icke-återkommande ingenjörskostnaderna för systemchiputveckling och de dolda kostnaderna ökar när datakraften samt antalet kretsar som integreras på ett systemchip ökar.

Slutsats
Specialanpassade systemchip tillhandahåller optimerade lösningar när det gäller prestanda, funktionalitet och strömförbrukning, vilket är särskilt viktigt för tillverkare och utvecklare av IoT-produkter. Att i ett tidigt skede involvera en systemchipleverantör i definitionsprocessen för chipet kan göra det möjligt för dem att hitta den optimala lösningen. Genom att använda den tekniska expertisen som utvecklingsteamet hos systemchipleverantören besitter kan ett företag definiera ett chip och använda tjänster som t.ex. design, utformning, paketering, testning och tillverkning efter behoven i deras affärsmodell.

Filed under: Embedded, Halvledarteknik