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Sensor Hub正夯 可編程晶片業者全力搶進
超低功耗優勢是否會成為M4 MCU痛處?

【作者: 姚嘉洋】   2013年12月16日 星期一

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智慧型手機的興起,連帶使得感測元件的重要性也跟著水漲船高,像是MEMS領域的三軸加速度計、陀螺儀與磁力計等,都可說是智慧型手機的標準配備。也因此,這兩年來,諸如ST(意法半導體)或是TI(德州儀器)都提出了以MCU(微控制器)來處理感測器元件所帶來的資訊,這種概念就被統稱為「Sensor Hub」。


這種作法其實類似於電源或是音訊處理器的獨立設計考量,讓許多不同的類比訊號先由外部的處理器先行處理,以減輕應用處理器不必要的處理負擔,除了達到有效分工之外,應用處理器本身也可以降低功耗。這過去一般是由應用處理器或是MCU(微控制器)來擔當大任,但這種獨大的局面,似乎將會被某些可編程晶片業者所打破。



圖一 : 近年來運動感測成了消費性電子的主流應用之一,Sensor Hub的存在有助於整體系統的運作能更有效率。(Source:英特爾)
圖一 : 近年來運動感測成了消費性電子的主流應用之一,Sensor Hub的存在有助於整體系統的運作能更有效率。(Source:英特爾)

我們都知道,Lattice併購Silicon Blue之後,就沒有太多的公開消息,唯一可以確認的是,Lattice過去一直以來特別強調通訊、工業與國防航太應用的形象,在併購Silicon Blue後,就大幅強化了消費性電子市場的戰力,而在今年,Lattice也借重了Silicon Blue的技術實力,推出一款Sensor Hub解決方案iCE40LM,不論是在功耗或是元件體積的表現上,都相當令人驚豔。無獨有偶的是,同樣屬於可編程晶片領域的QuickLogic也在十月中旬的時間,發表ArcticLinkR 3 S1,所鎖定的應用竟然也與iCE40LM相同。


FPGA的包袱太沉重?

翻開FPGA(可編程邏輯閘陣列)產業過去的歷史,其實QuickLogic與Lattice等,都是屬於FPGA產業的主要業者,只是由於大家所擁有的技術基礎不甚相同,業者們大多也就是處在井水不犯河水的情況。而為了能讓市場定位能更加清楚,QuickLogic也有意擺脫FPGA這個沉重的包袱,往消費性電子領域邁進,所以QuickLogic開始以CSSP(Customer Specific Standard Product;客製化規格標準產品)業者自居。但就技術本質上,仍然不脫「可編程」的概念。同樣的,Silicon Blue在還沒有被併購之前,也是聚焦在消費性電子市場。


如果是在五年前甚至是十年前,在可攜式或是消費性電子領域,FPGA大多都被認定有功耗或是成本過高的既定印象,大多OEM或是系統整合業者都會採用ASIC或是ASSP來進行系統設計,FPGA若要打進其供應鏈的確相當困難。也無怪乎,Lattice消費性/行動部門資深行銷經理Subra Chandramouli不諱言,消費性電子是Lattice相對陌生的市場。


QuickLogic亞太區業務暨市場總監Itsu Wang便直言:「要將QuickLogic定位成FPGA業者也不完全對,因為QuickLogic旗下亦有混合式架構(FPGA加硬體處理器)與獨立的ASIC產品線,為了要滿足廣大的市場需求,用CSSP作為QuickLogic的定位,會較為客觀。」


智慧型手機的設計考量首要:功耗

回到Sensor Hub的發展上,處理來自不同感測器的訊號,採用MCU或是ASSP來扮演Sensor Hub的角色,是屬於目前業界主流的作法。當然,若用應用處理器來處理這些訊號也不是不行,但考量到智慧型手機的電池壽命,恐怕不到一天,其電池電量就被消耗殆盡,檯面上諸多一線的高階智慧型手機的設計也大多摒棄了這樣的作法。


Lattice與QuickLogic所著眼的,是在感測元件與Sensor Hub隨時處在運作的情況下,如何降低整體系統的功耗,與此同時,又可以處理複雜的演算法與不同感測器的類比資料。像是三軸的加速度計、陀螺儀與磁力計等一般我們常見的感測器元件,它們就是處在運作的狀態,並不會進入睡眠模式。


QuickLogic系統架構顧問連文賢也談到,從OEM的需求來看,他們希望各類感測器加上Sensor Hub佔整體系統功耗的2%甚至更低。他更舉例指出,摩托羅拉在市面上就有一款手機,礙於感測器系統對整體系統功耗佔了相當大的比重,因此將電池的容量加以擴大,以解決電池壽命過短的問題。


兩者所提供的產品線,其功耗都可以壓低到1mW以下。而一般Sensor Hub的專用MCU在功耗上的表現大多是在10mW上下,從這一點來看,兩家業者的產品在功耗表現方面明顯居於上風。


SRAM FPGA也有機會打入智慧型手機應用?

有趣的是,觀察iCE40LM與ArcticLinkR 3 S1,就基本架構上,前者以全SRAM為基礎的FPGA,後者則是採取了混合式架構,除了擁有SRAM外,也具備了專用的處理引擎,來對應不同的類比或是溝通訊號。可以想見,SRAM不僅在Xilinx與Altera的產品線扮演絕對必要性的角色,就可攜式應用市場中的可編程領域上也具有不可或缺的份量。


而我們也知道,傳統上,Cortex-M4 MCU具備浮點運算功能可以處理複雜的演算法,這在ST或是TI早就有相關的規劃與佈局。所以iCE40LM與ArcticLinkR 3 S1,勢必也會面臨同樣的情形。一般來說,SRAM架構的FPGA,本來就具備平行運算的特色,因此相較於處理器用序列處理的方來來運算C語言架構的程式碼,FPGA的確有效能上的優勢,再加上FPGA本來就有可重覆燒錄的能力,因此在面臨演算法的處理,並不太會有運算負擔上的問題。



圖二 : 為了應付不同的系統設計需求,MCU搭配FPGA的作法,其實早已行之有年,兩者各自負責不同的工作。(Source:blog.ewaydirect.com)
圖二 : 為了應付不同的系統設計需求,MCU搭配FPGA的作法,其實早已行之有年,兩者各自負責不同的工作。(Source:blog.ewaydirect.com)

可編程晶片與MCU正面交鋒?

「不過,QuickLogic對ArcticLinkR 3 S1的作法,就會有些不同的地方,對於客製化要求相當高的客戶,可以將ArcticLinkR 3 S1當作是FPGA一樣,進行所需要的開發。」連文賢說。


但相對的,為了能讓一些「急於上市」的客戶,QuickLogic也與許多MCU業者相同,會與第三方業者合作,進行相關函式庫的研發,以讓客戶可以利用這些函式庫進行系統設計。演算法的處理就交由FFE(Flexible Fusion Engine;)來負責。當然,更為快速的作法,是跟應用處理器業者合作,以Turn-key的方式,讓業者可以更為快速地將產品推向市場,但這種作法的客製化程度就相對低了很多。


只不過,過往MCU業者們為了能妥善處理來自多元感測器元件的資料,不論是ST或是TI都同意,採用ARM的Cortex-M4架構,是相對合理的作法。但面臨了Lattice與QuickLogic各自推出其產品線,意欲積極搶攻Sensor Hub應用,這是否會正面與MCU業者產生直接競爭?


對此, Subra Chandramouli談到,不論是封裝大小或是在低功耗表現上,iCE40LM其實都比Cortex-M4 MCU都還來得出色,但這並不表示,Lattice就要與MCU業者們全面宣戰,Lattice還是希望用開放的態度,來滿足市場需求,從系統設計的角度來看,客戶也有可能採用MCU與iCE40LM 進行協同設計,當然,這也要取決於客戶的需求。Itsu Wang也贊同Subra Chandramouli的說法,與其說是競爭,倒不是說是把市場作大,考量到不同情境的系統需求,採用MCU搭配可編程晶片,的確也會是選項之一。


結論

智慧型手機的快速興起,某種程度上與感測器元件的導入有一定程度的關係,因為它的的確確地的改變了人們對於手機的使用習慣,而隨著感測器元件類別的增加與整合,的確也需要有對應的晶片來處理來自外界的多元訊號的變化量,同時也帶起了這類晶片的需求。如今可編程晶片或是FPGA業者挾自身技術的優勢,意圖搶攻這塊仍是快速成長的市場。


然而,從感測系統層級的角度來看,提供一站式的解決方案在某種程度上會受到不少客戶的青睞,只要系統設計上出現問題,直接找單一供應商詢問即可,這樣市場策略以ST與飛思卡爾為主要代表。但是同樣的,也有部份MCU業者表示,有些部份的客戶並不願意被單一供應商制約,進而失去議價的談判空間,從這個角度來看,Lattice與QuickLogic當然也有機會搶進。即便這些他們聲稱不會與MCU等業者們正面交鋒,但長期來看是否會對MCU與ASSP業者們造成負面影響,值得我們繼續觀察。


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