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基于生态平台实现物联网解决方案中ASIC设计

2016-01-14 09:41:32

物联网(IoT)现在的炒作正在逐步成为现实,这反过来给从现成的芯片设计转移到定制芯片创造了机会。为物联网制造高性价比可定制芯片的关键是使用平台的做法。

客观地说,物联网现在的炒作越来越火。物联网生态系统活动在过去几年有明显的增加,包括终端客户,硬件和软件供应商,系统集成商和初创社区。是的,毫无疑问,物联网正在一步步地实现。虽然没有达到原先预期的速度期,到2020年也肯定无法达到500亿设备或1万亿传感器。然而,对于ASIC设计公司来说,这是一个令人鼓舞的迹象,因为他们变成物联网供应链中一个重要的、差异化的一环。

多年以来,业界一直为物联网的云端大量生产定制芯片,特别是在网络、通信、存储和计算等方面。然而,到目前为止,在物联网网络边缘的设备,一直是用库存原件(stock components )而不是定制芯片设计的。使用平台方法来设计定制芯片能够显著地增强功能,并提供更大的设计灵活性。

一个物联网边缘设备通常具有以下三种功能:传感/驱动、处理和通信。根据各种不同的因素,如成本、进度和应用,在这些物联网边缘设备中的定制芯片实现可以是一个低端/低价位,中度或高度集成的解决方案。下图是不同类型的典型ASIC配置。在所有这些情况下,超低功率是默认的需求。

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ASIC配置案例

在物联网时代的初期,大多数设计师对使用标准的ICs/ASSPs来制作产品感到满意。为这些设备定制芯片也没有对这种情况造成影响,ASIC项目会因为NRE成本(尽管单位价格更便宜)或者产品计划的原因而中止。

然而,最近设计师们遇到像医疗保健、工业和智能公用事业这样的垂直市场,需要尽可能多地在定制芯片上形成差异化和实现面向未来的产品。在许多情况下,设计师都专注于他们的第二或第三代产品线,他们有充足的理由证明NRE的投资需要ASICs。在其他情况下,客户会觉得ASSPs没有提供他们想要的差异化,他们的IP、秘方(secret sauce),都需要通过硬件的形式来实现。

尽管如此,时间安排的问题仍然存在。这就是物联网ASIC平台变得非常重要的地方。做得好的平台可以加速定制设计,同时保持差异化的能力。一个基于ASIC平台的物联网的边缘设备,应满足以下目标:

  • 利用FPGA设置来提供:

    • 一个可以现成使用的开发设置以满足硬件开发人员和软件开发人员的需求;

    • 一个说明概念验证的载体,在某些情况下,包括网关和云后端;

    • 一个为了尝试不同硬件/软件分区和自定义硬件/软件IP的可扩展评估设置;

  • 提供一个允许电源基准测试和不同的电源管理方案评价的ASIC环境。

创建物联网ASIC平台需要把它想像成一个自成一体的公司,或者更像一个初创公司,它需要考虑最终用例中的各种物联网垂直市场。这需要用边缘设备建立一个端到端的系统,在某些情况下,包括一个网关和一个云后端。可以利用物联网边缘设备ASIC平台的一些方案包括:

  • 在工业环境中用通信协议来感测周围环境,例如像LoRa, W-HART和Zigbee。这个用例的系统视图如下所示。

  • 使用9轴传感器(加速度计、陀螺仪和磁力仪)和BLE通信的运动感应。

  • 用BLE通信检测脉搏血氧饱和度。

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用例:在工业物联网设置中的周边环境感测&通信

例如,创建用于工业用例的物联网ASIC平台,这需要两个阶段的方案。第一个阶段是用网关和云后端创建一个端到端的物联网设置,使用标准的ICs/ASSPs来设计边缘硬件设备。这种方法可以快速创建演示方案,在边缘设备,网关和云端中把硬件和软件设备整合在一起,如下图所示。

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第一阶段物联网系统的演示设置

第二阶段需要用基于FPGA的平台替换基于ASSP的边缘硬件设备,然后创建SoC参考设计,以及完整的软件堆栈和外围设备,以适应不同的用例场景。下图展示了一个用于开发参考设计的FPGA平台。

同时,处理低功率的需求,平台需要一个ASIC RTL来设计数据库(把同规格的SoC用在FPGA平台中)。这个想法的理念是创建一个电源基准设置,以评估不同的电源管理方案,如电源域,永远在线的子系统,定制的超低功耗内存,电池等。

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为物联网边缘ASIC设计的FPGA平台

在FPGA平台上实现的参考设计需要一个围绕硬件IP供应商的生态系统,包括合作伙伴关系,如下图所示。软件方面则包括开源社区的利用。

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物联网边缘设备ASIC生态系统

这样的平台将有助于物联网边缘设备设计团队能够快速创建针对半导体原件实现的差异化设计,同时也可以促进在日后的设计中对技术进行重用。对于ASIC设计公司,如Open Silicon,一个平台会带来额外的好处。它可以用于会议和商业展览中的演示,也可以使销售和技术解决方案团队与潜在客户进行的会谈更有意义。该平台也可作为工程师团队的学习工具来快速掌握安全和通信协议方面的新技术。

 

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