PDF《运用 降低消费性应用的成本与功耗》

运用 降低消费性应用的成本与功耗 莱迪思半导体白皮书 年月莱迪思半导体 简介 为了在紧缩的销售时间内支援持续演变的市场标准,业界逐渐广泛采用可编 程逻辑元件 来开发各式各样的消费性应用产品.

发展特殊应用 与特 定应用标准产品 往往须付出高昂的非重复性工程费用,而 则属市场上 流通的标准型零件,其可运用弹性的软体工具来针对各种不同应用自行客制化.不 同於 与 的是, 不需冗长的前置作业 它们的功能可针对产品需求 的改变而随时变更.在诸如掌上型装置在内的许多市场中, 因为能提供新的 产品架构而广获采纳,因客户将能藉此降低功耗、采用新的封装选项、以及获得更 低的单位成本. 消费性应用 趋势与挑战 降低成本 根械骰 预测,消费性电子产品在 年的销售营收达到 亿美元的规模,同时结束之前持续了好几年的市场衰退期.在这波走强的成长期 中,未来数年的营收将持续攀升, 年将成长 , 年则预计成长 .营收的成长力量来自於各种量产产品的销售,包括蓝光 播放机、液晶 电视、视讯转换器、数位相机、智慧型手机、以及 导航机等.有鉴於此,业 者著手研发新设备以满足新兴市场的各种需求,透过大幅降低的成本为消费者带来 更多的价值与功能.因此,设计人员亦面临持续不断的压力,他们被要求必须推出 更低成本的产品,同时达到更高的系统整合度. 持续降低的耗电预算 对於各种消费性产品的研发人员而言,不断降低静态功耗是一项长久持续的 挑战.对於各种使用电池供电的产品而言,如智慧型手机、 导航机、行动运 算、以及数位相机等,更长的电池续航力一直是最重要的差异化特色之一.即使是 使用插座供电的电子产品,由於设计人员必须遵循最新的能源之星 以 及欧盟的 电力消耗规,使得低功耗也逐渐成为一项重要因 素. 持续缩短的产品生命周期 消费性电子市场持续快速演进,最佳证明就是不断推陈出新的新标准,以提 升消费性电子产品的品质与平价化.目前市场的两大趋势 有线与无线装置的宽 频存取,以及媒体与资料的汇流 正驱动著业界发展这些新标准. 制造商们面临著沉重的竞争压力,因此竞相抢先推出与众不同的差异化产 品.然而,成功的产品很快就会吸引对手模仿,导致价格迅速滑落.为抢得市场先 机,消费性产品制造商被迫持续改良其产品或支援各项新技术.由於这些因素,使 得消费性产品的生命周期大幅缩短. 在消费产品的应用 改良式的架构协助降低功耗、新封装造就更小的产品尺寸、更低的单位成本 加上更高的产品差异化,这些因素都促使著 更广泛地用於消费性产品中.在 许多消费性产品中, 能提供先进的汇流排介面与桥接功能,因而延伸了现有 应用处理器或 的应用.这些汇流排介面与桥接功能通常不具极高效能的 要求.图 显示这类应用的例. 图 在手机中采用 亦经常用来建置人机介面控制器、萤幕控制器、外部记忆体介面控制 器、以及脉冲调变控制器.表 列举出消费产品市场中常见的 应用.有时业 者会结合两种或更多的功能来支援特殊的需求 图 显示其中一种应用. 功能 应用实例 人机介面控制器 键盘矩阵解码器、数位触控萤幕控制、岔断管理器 萤幕控制器 影像旋转、影像缩放、液晶萤幕控制、显示介面多工 解多工 外部记忆体介面控制器 、 、 等记忆卡以及 记忆体的控制 器 脉冲调变控制器 液晶萤幕背光控制、步进马达控制 汇流排介面连结与桥接 以及 等介面 表 消费应用中常见的 功能 图 在数位相机的应用实例 如同高阶 ,低密度 如今拥有许多先进的 介面,包括支援各种 标准、多重 插槽、以及多种电压.这些功能特性让 能用在 、记忆体、处理器、以及其它元件之间建置互连逻辑,这些元件通常 采用不同的电压与 标准. 如图 所示,绘图多工器适合用来说明低成本、低密度的 如何执行先进 的互连逻辑.笔记型电脑与可携式电源管理的最新趋势,是采用英特尔的 计画. 根τ眯枨,选择采用一款绘 图控制器.该公司选择低功耗整合式 来支援包括文书处理、收发电子邮件、 以及浏览网站等日常应用.高效能的独立 用来处理高效能应用,例如游戏、 编辑影片、以及播放 影片等.对於低摆幅差动 标准、以及内建齿轮箱与锁 相回路,让 能够连结绘图处理器,建置各种智慧型多工演算法,以尽量减少 或消除切换时的视觉瑕疵,并直接驱动液晶萤幕. 图 建构的绘图多工器 莱迪思的 系列元件适合支援上述消费应用所采用的功能.结 合最佳化的查表 架构及 奈米嵌入式快闪制程技术, 元件为各种 消费性产品设计提供了高度弹性的 多功能合一 解决方案. 运用 元件降低成本 受焊盘限制的设计 根肪,就对於价格敏感的量产型应用而言, 并不是成本最低的解 决方案.但随著 与 开始受到焊盘限制,这种情况也出现了变化.在受 焊盘限制的设计中,晶粒尺冀鲇伤璧 焊垫数量来决定,而不是由核心中逻 辑元件 的数量决定.价格最终取决於晶粒尺 当元件开始受焊盘限制时,客制 化与可编程产品设计之间的价差就会缩小. 元件一开始就设计成受焊盘 限制. 焊垫依照元件密度的高低,配置成两个或三个交错式 环路,在一定 的 数量下尽量缩小晶粒的尺. 低成本封装 元件提供各种无卤素的低成本封装.现有的封装选项包括低成本 与 ,还有各式先进晶圆级晶片封装及微型化晶片级封装. 封装包 括最少讯号绕线层的版本,其能降低整体封装成本.这些封装让所有 与电源供 应连结能置於两到三层的 线路中,如此一来便不需使用埋入式或盲孔与雷射 导孔等更高成本的制造技巧. 封装上的 配置,让业者能在同一种封 装进行密度移植.这使得业者可透过设计变更来利用相同的机板,藉此运用更大或 更小的 元件. 功能整合 设计人员经常面临的两难处境,是一方面要支援高阶功能,同时还得降低总 成本.独立式元件会增加成本、机板空间、以及系统的整体耗电预算.独立式元件 还会衍生机板可靠度降低的问题.这些因素,促使著消费性应用开始追求更高的功 能整合度. 元件支援高阶的系统整合,其包括单晶片解决方案,不需要外部组 态记忆体、外部使用者快闪记忆体、或是 与震荡器等元件,因此可进一 步降低机板空间、元件数量及整体系统成本. 图 所示为一款 元件,其於内部整合了独立逻辑元件,例如 扩充 器、电压值与汇流排桥接转译器、稳压器、时脉来源、以及组态元件,所有元件均 整合於单一晶片中. 图 功能整合 整合外部非挥发记忆体 元件最多内含 的嵌入式快闪记忆体.这个晶片内使用者 快闪记忆体 让 元件能整合外部非挥发记忆体,并能用在各种应 用,包括储存一部分的组态映像、储存 资料、或是作为通用型使用者快闪 记忆体. 减少振荡器数量 元件内含一内部振荡器,额定精准度达 ,其可作为设计的时 脉来源,因此不需外部振荡器. 硬型化 、 以及计时器 计数器 与 控制器与计时器 计数器是消费性产品最常见的功能.研发业者通 常会把 或 汇流排扩充功能建置在 内.计时器 计数器亦经常用来产生 状态讯号.所有 元件均将这些常用功能硬型化成内部搭载的硬体元件, 透过硬型化的 、 、以及计时器 计数器功能,研发业者可在其设计中节省最 高达 个 并建置额外的逻辑功能.表 显示针对各种常见控制功能采用硬 型化元件所省下的逻辑元件. 功能 使用 时需要的 数量 使用 元件时 需要的 数量 控制端 控制端 计时器 计数器 表 运用硬型化 、 、与计时器 计数器功能时所省下的逻辑元件 运用 元件降低耗电预算 静态与动态功耗 的整体功耗是两个主要元素的总和 亦即静态功耗与动态功耗.静态功耗 主要来自元件中电晶体的漏电流.漏电流是 漏出 的微小电流,包括源极 至汲极 ,或是闸极氧化层,即使当电晶体的逻辑运算功能处在关闭状态时, 仍可能会有漏电的情况.动态功耗是在核心或元件 进行切换时所消耗的电力, 因此与频率及使用者皆有关连. 静态功耗取决於 本身的设计,其无法透过设计来控制.经过特别设计 的 透过在制程、电路设计、以及架构层面运用许多创新的技巧, 而将静态功耗降至最低.其中包括采用低功耗 奈米制程、可变通道长度、选择 最佳化的电晶体、以及改进配置与演算法,让 的待机功耗降至 . 图为奈米 与 奈米 元件的静态功耗比较图. 图 比较 与 的静态功耗 由於动态功耗取决於切换时的节点数量,因此和设计的手法更密切相关.研 发人员可采用各种技巧来降低动态功耗.例如,选择在时脉树的来源启动时脉而不 是在每个端点,即可减少系统中的时脉切换. 亦对动态功耗有极大的影响.除 采用 等低电压标准与更低的 电压有助於降低功耗外,运用更 低摆幅的差动讯号亦有助於降低动态功耗. 元件提供许多架构功能来降 低动态功耗,例如功耗控制器、 插槽控制器、支援动态时脉、 闸控、以及可编程低振幅差动讯号等. 非挥发性达到更低的功耗 除了静态与动态功耗外,还有一项功耗元件与涌浪电流以及组态有关.亦即在 进入使用者模式之前,当启动电源与设定时的功耗.其消耗的电力和 进入使用者模式所耗费的时间成正比.机板设计人员在判断功耗需求时,必须考量 这个额外的功耗.许多消费性产品的设计造成 或 会经常启动 关闭.这 种系统行为由於经常进行启动 关闭导致耗电增加.基於本身的特性 像是内含晶片 内部组态记忆体的 , 元件可在数微秒内自行完成设定,因此可将 涌浪与设定时的功耗减至最低.图为与型两种元 件在进入使用者模式所需的时间比较图. 图 低功耗运作 运用免费设计工具加速创新 研发业者可运用 软体,立即著手采用 元件 进行设计,这款软体可至 网站免费下载.此外,他们也可运用免费的 软体,搭配从 网站下载的预先安装控制套 件. 针对消费应用进行最佳化的全方位参考设计套件,可至莱迪思网站免费下载. 其中收录了 请列出消费性参考设计 .参考设计方 案的原始码,包括 与韧体在内,可根τ玫男枨笞孕行薷.欲得知有关参 考设计方案的详细资讯,请参阅 结论 对於在消费产品中建置功能而言,PLD 是一种理想的选择,因为其能克服 ASIC 与ASSP 的各种限制,而提供一个低成本、低功耗、弹性化的解决方案. MachXO2 PLD 系列元件专为低成本、低功耗的消费应用量身打造,为研发业者提 供更低成本、更低功耗、更高的系统整合度、以及小巧的尺寸.此外,MachXO2 元件内含许多硬型化的常见功能,包括使用者快闪记忆体(UFM)、 、 、以及 计时器 计数器等,均是消费性应用常见的功能. ........