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该为物联网SoC微缩制程了吗?

2020-09-13

  近几个月来,一些主要的半导体业者与IC代工厂陆续宣布微缩IC的电晶体尺寸至14奈米(nm),从而为物联网(IoT)系统单晶片(SoC)降低尺寸与成本的下一步铺路。

  然而,Objecve Analysis半导体产业分析师Tom Starnes表示,从发展时程上看来并没有这么快。他指出,“目前所发布的消息大部份都与标准的微处理器架构有关,而与物联网装置的要求关系不大。”

  “这些主要都是数位系统,真的要微缩至这么小的几何尺寸并不容易,密切掌握基于微控制器的物联网装置需求才能轻松地实现。”

  基于MCU的SoC不仅仅是数位元件的组合,同时也包括了大量的类比功能、无线RF电路、快闪记忆体与静态随机存取记忆体(SRAM)——其中没有一项能够像数位电晶体一样轻松地微缩或具有可预测性。

  “最终将会针对物联网出现一个可行的MCU SoC市场,它将能够利用微缩至14nm~20nm或更小的制程节点,但并不是现在,”Starnes表示。

  芯科实验室(Silicon Labs)全球营运资深副总裁Sandeep Kumar对此表示认同。他并指出,相对于全数位化的SoC,终端节点的物联网SoC具有不同的要求与挑战。

  “无线连接性、整合型MPU、低功耗作业、低漏电SRAM与非挥发性记忆器(NVM)智财权(IP),种种因素都使得制程技术选择更具关键。”Kumar还补充说:“这些物联网SoC并不会采用与数位SoC普遍使用的相同方式来追逐摩尔定律(Moore’s law)。”

  

  无线物联网端点中的MCU SoC结合一系列的功能,包括非挥发性记忆体以及感测器、类比/混合讯号、窄频宽频RF等各种电路,以及天线、电池与电源管理等周边装置功能

  Kumar以Silicon Labs公司的经验为例表示,该公司的设计瞄准了消费性穿戴式装置、家庭自动化、智慧电表、智慧照明、健康与健身、工厂自动化、运输、物流与农业等市场的低功耗、低资料率无线连接应用。为了支援这一类的设计,Silicon Labs仍然采用90nm制程制造基于ARM的32位元无线SoC,Kumar表示,该公司并未看到短期内有进一步推动制程节点进展的迫切需要。

  “针对无线连接的复杂、高能效射频(RF)设计,以及用于感测或连接低压电流感测器的类比功能,都和物联网SoC的数位性能一样至关重要。”Kumar说:“这些SoC并非用于桌上型个人电脑(PC)、行动PC、平板电脑或甚至手机等功耗要求像物联网终端节点那么关键的应用。

  “物联网 SoC用于经常以钮扣电池运作5-10年寿命的无线应用。在这项技术节点中选用的低漏电SRAM与高耐受性NVM IP,使其于设计这些SoC产品时难以遵循追踪摩尔定律的最小制程。”

  根据Kumar表不,在设计和制造这些SoC时,成本是另一项非常重要的考虑因素。

  为物联网SoC的复杂类比连接功能进行设计时,必须使用NVM与混合讯号RF技术的选项导致了晶片层数增加。要利用一项更小的制程节点来制造额外增加这么多层数的SoC,使其成本变得更高昂,在一个以成本/性能最佳平衡作为成功关键的设计中,这的确是一项重要的顾虑。

  “物联网市场十分零散且范围广泛,”Kumar说。“其应用范围从穿戴式装置、医疗装置、汽车,一直到工业自动化和农业。在物联网中的每个应用领域都有特定的需求,对于一些特殊应用来说,不见得会因为市场量大而降低成本。”

  飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor)面临着类似的压力。虽然该公司仍保有为自家多款成熟产品进行制造的能力,但随着一些关键产品领域的制程微缩至90nm以下,飞思卡尔已经开始与几家关键的晶圆代工厂密切合作了。

  

  随着半导体制程进展到奈米级,IC制造将会由彼此冲突的两种需求所带动:高性能的数位IC,以及针对一系列连网应用的MCU SoC所需的混合讯号需求

  根据飞思卡尔半导体应用处理器业务与先进技术推广部副总裁Ronald Marno表示,该公司仍使用其内部晶圆厂开发基于代工厂基础制程的自家设计。一旦拥有所需要的各种功能与功耗组合时,才会将交由代工厂进行最后的生产。目前该公司正将其物联网MCU的Kenes系列转移至40nm——这是在其28nm全耗尽型绝缘上覆矽(FD-SOI) i.MX媒体处理器以及为其16nm FinFET实现QorIQ网路处理器的下一代技术。

  对于物联网市场的MCU供应商来说,尽管成本与处理器性能是重要的因素,在这种以电池或环境能量供电的终端节点设计中,更重要的是功率效率。

  “虽然表面上看来较小的制程节点会为你带来低功率作业,但由于各种不同元件的微缩情况不一,使得到达目标之路也十分崎岖,”IHS Global Inc.嵌入式处理器总分析师Tom Hackenberg说,“然而,其间的差距正迅速缩小中。五年前像一些类比或RF元件大约比数位元件落后3-4个制程节点。”

  “如今,其间的差距已经缩小到1-2个节点了,我们很快地就会看到采用32位元MCU的物联网装置供应商开始转向28nm~50nm,实际情况依据是否所有的元件(例如类比)适用而定,其中有许多仍取决于其目标市场的利润空间。”

  事实上,物联网的赢家并不会是具有最强大最先进制程节点策略的公司,而是那些懂得掌握各种相关技术、应用与市场需求以及拥有专业知识知道因应需求时机导入最合适制程的公司。

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