將低功耗藍牙IP整合進SoC中的好處

藍牙、WiFi、LTE和5G技術(shù)使得無線連接得到廣泛應用。雖然每種技術(shù)有其獨特的功能和優(yōu)勢，設計人員需要確定是要將它們集成在單個芯片內(nèi)，還是使用外部的無線芯片解決方案。對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用，集成無線功能的優(yōu)勢變得日益顯著，尤其是在更先進工藝上進行設計時，必須要考慮這點。目前，具有低功耗特性的藍牙技術(shù)正在變?yōu)榭纱┐骱臀锲纷匪?、或“近場”物?lián)網(wǎng)應用的標準選擇。藍牙5標準預期能夠進入智能家庭應用，具有更廣的范圍、更高的速度和超越點對點通信的能力。

Synopsys最近的用戶調(diào)查顯示，從2013到2015年，隨著新的可穿戴IC市場的貢獻，物聯(lián)網(wǎng)SoC設計大幅度增長。另外，根據(jù)Teardown.com的數(shù)據(jù)，在2012至2015年拆解的800多個移動和可穿戴產(chǎn)品中，無線芯片的數(shù)量超過了產(chǎn)品的實際數(shù)量，表明在一些設計中采用了多顆無線IC。根據(jù)這些報告，可穿戴和近場應用的增長，帶動外置無線解決方案的設計，這就為設計人員創(chuàng)造了機會，可以通過集成無線功能來降低物聯(lián)網(wǎng)SoC的成本和功耗。本文介紹了集成無線技術(shù)的好處，例如使用完整的低功耗藍牙PHY和鏈路層IP解決方案，將低功耗藍牙整合進SoC。

無線體系架構(gòu)

在過去的數(shù)年內(nèi)，出現(xiàn)了多種無線技術(shù)實施方案(圖1)：

? 獨立RF收發(fā)器：在該傳統(tǒng)實施方案中，收發(fā)器芯片包含一個控制器和PHY，或在藍牙情形下叫鏈路層和PHY。收發(fā)器芯片與主SoC相連，主SoC包含軟件堆棧和應用代碼。

? 無線網(wǎng)絡處理器：使用集成無線協(xié)議堆棧的專用處理器，這樣的無線套片帶來更多價值，因為主SoC可以把資源專注在應用層上。

? 全集成無線SoC：這是一種一體式、單芯片實施方案，對于特定的無線技術(shù)十分理想，尤其是用于物聯(lián)網(wǎng)應用的低功耗藍牙技術(shù)。鏈路層和PHY集成在SoC中，SoC運行所有軟件堆棧和應用代碼。

? 組合式無線芯片集解決方案：在這種用于移動應用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，將數(shù)種無線技術(shù)如WiFi和藍牙整合在單個收發(fā)器中，收發(fā)器與包含數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的SoC相連。所有軟件、無線堆棧和應用代碼均放在外部非易失存儲器中。

圖1：藍牙芯片實施選項。(來源：ti.com)

在確定哪種實施方案能為目標應用帶來最大好處時，工藝技術(shù)起著關鍵作用。獨立RF收發(fā)器采用了如180納米的傳統(tǒng)節(jié)點。對于無線網(wǎng)絡處理器，無線協(xié)議堆棧嵌入在RF收發(fā)器中，通常使用成熟的90納米節(jié)點 。在整體式無線解決方案中，采用40納米和55納米技術(shù)的節(jié)點正日漸流行，這歸因于可用的嵌入式閃存和混合信號IP包括無線IP的組合。這種類似的整體式無線SoC解決方案，在28納米節(jié)點上也是預期可行的的。其中，協(xié)議堆棧、RF收發(fā)器和應用代碼集成在單個SoC中。

對于移動應用處理器，組合式無線IC芯片集解決方案仍是很流行的結(jié)構(gòu)，它能夠使用最先進的工藝來優(yōu)化芯片面積和成本。這些系統(tǒng)可具有無限的片外存儲器，為程序員提供更多資源，但系統(tǒng)中的總芯片數(shù)將多達三個，而在其他三種實施方案中，芯片數(shù)為1或2。這清晰表明，當工藝節(jié)點和可用IP解決方案相符時，無線集成會帶來怎樣的好處，這也是全集成無線SoC體系結(jié)構(gòu)變得普遍的原因所在。

工業(yè)示例

對于當前的可穿戴設計，如僅用低功耗藍牙來做無線連接的的健身手環(huán)，它內(nèi)含一顆SoC,通過UART或I2C總線與外部低功耗藍牙IC相連。類似的，虛擬現(xiàn)實眼罩使用了標準的藍牙無線網(wǎng)絡處理器來與游戲控制器進行通信。在智能家居產(chǎn)品中也能發(fā)現(xiàn)外部低功耗藍牙套片，如門鎖、照明、和室內(nèi)定位信標等。這些示例顯示將無線功能集成在系統(tǒng)SoC的機會，可帶來額外的成本降低。

如果在設計中還包含具有較高帶寬的無線技術(shù)，如WiFi，可使用組合式芯片解決方案，包含多種無線技術(shù)、處理器和外部存儲器。例如，增強現(xiàn)實眼罩要求更高的處理能力，因此，設計人員需要參考移動平臺的設計。

無線功能正在替換傳統(tǒng)上的很多靠連線實現(xiàn)的功能。尤其是低功耗藍牙，它用于診斷和傳遞低帶寬信息，而之前傳統(tǒng)使用的是UART、I2C、SPI和USB。

在單個SoC中整合無線技術(shù)的好處

現(xiàn)在，我們已確定了將無線功能集成在單個SoC中所帶來的機會，下面來看下其優(yōu)缺點。
無線網(wǎng)絡處理器，如獨立的低功耗藍牙解決方案，它們已在認證系統(tǒng)中得到連續(xù)使用，簡化了設計人的模組認證過程。這些獨立的低功耗藍牙解決方案不僅能簡化認證過程，還提供了可靠的連接，以及與組件(如天線等)相關的常見系統(tǒng)設計方法。

整體式解決方案能夠提供更多益處，包括低功耗、低成本、低延遲、較少的管腳，推動市場開始采納和設計完全整體式無線SoC。按照預期，與SPI總線相比，通過AMBA? AHB?總線來發(fā)送數(shù)據(jù)能夠?qū)⒀舆t降低5~10個周期，延長空閑時間從而節(jié)省功耗。事實上，在最近發(fā)布的微軟無線功耗研究報告中指出，“在功耗方面起支配作用的參數(shù)不是工作電流或待機電流，而是在休眠周期結(jié)束后重新連接所需的時間，以及RF模塊休眠的程度”。

除了功耗和延遲方面的改善外，無線集成方案還能去除整體套片，降低封裝成本，減少所需的額外管腳和電源管理IP。這能將封裝成本降低$0.15以上，減少20~30個用于連接片外無線網(wǎng)絡處理器的管腳。這些節(jié)省加上消除了重復的電源管理部件，減少PCB面積，使得整個系統(tǒng)的成本降低，從而很有吸引力。

正如在teardown.com報告中提到的那樣，在虛擬現(xiàn)實眼罩等系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了多顆無線IC。藍牙和WiFi通常被結(jié)合在單個芯片中，但這些無線技術(shù)的要求很不相同。WiFi支持高帶寬，而低功耗藍牙需將功率降至最低。WiFi能夠支持高達300 Mbps的速度，使用遠超40~100微瓦的收發(fā)功率，對存儲器有相當要求。為了支持WiFi吞吐率，SoC必須工作在符合目標工藝的恰當電壓下。反過來，在藍牙5中，低功耗藍牙支持2 Mbps的速度，使用的收發(fā)功率低于10微瓦，對存儲器的要求更低，電壓也較低，如最新40納米和55納米超低功耗工藝中使用0.9V。

集成低功耗藍牙的優(yōu)點顯而易見，預計整體式無線SoC實施方案會在不遠的將來變得普遍。對于采用55納米和40納米技術(shù)、要求極低功耗的物聯(lián)網(wǎng)SoC，優(yōu)勢更加明顯。這類物聯(lián)網(wǎng)SoC還會利用功耗管理技術(shù)、DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，使用厚氧化層器件等技術(shù)，來進一步降低工作功耗和泄漏功耗。

完整的低功耗藍牙PHY和鏈路層IP

Synopsys提供了范圍廣泛的無線和模擬IP選擇，針對5G、用于移動的WiFi和LTE、無線802.15.4應用， 提供具有模擬前端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、以及包含PHY和鏈路層IP的完整低功耗藍牙IP解決方案 。

Synopsys的完整DesignWare藍牙IP解決方案配有PHY和鏈路層，它與最新的藍牙規(guī)范兼容，PHY支持藍牙5和IEEE 802.15.4標準，可在ZigBee和Thread網(wǎng)絡上實現(xiàn)連通。使用鏈路層，能夠建立與集成數(shù)據(jù)加密和隨機數(shù)發(fā)生的安全無線連接，在單個實例中可實現(xiàn)8個同時連接，并提供與第三方軟件堆棧和處理器的互操作性。PHY工作在低于1V的電壓下，獲得更長的電池壽命，包括集成匹配網(wǎng)絡的片上收發(fā)器，以及單個針-天線接口和電壓調(diào)節(jié)器，可降低BOM成本，并簡化系統(tǒng)設計和集成。藍牙PHY可在180納米、55納米和40納米節(jié)點上整合，幫助設計人員利用先進工藝在功率、面積和性能方面帶來的益處。對于物聯(lián)網(wǎng)SoC設計人員，55納米和40納米上的PHY優(yōu)勢更大，原因在于這些工藝上很大的功耗和面積優(yōu)勢。

DesignWare低功耗藍牙IP解決方案通過藍牙SIG組織的認證，這對設計人員取得成功至關重要。IP經(jīng)歷了嚴格的驗證過程，從完整的設計驗證流程，到對PVT角點的完全硅驗證，以及與生態(tài)系統(tǒng)的互操作性。

將無線功能集成到物聯(lián)網(wǎng)SoC中的優(yōu)點十分顯著，Synopsys在這方面擁有專業(yè)知識、硅驗證的IP和客戶記錄，可以幫助設計人員針對物聯(lián)網(wǎng)SoC實現(xiàn)高效的無線連接。

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