2020/3/28 8:47:58
AIoT芯片按照通用运算单元的分类，可以分为很多种，但因在物联网方面应用，成本与功耗是硬约束。AIoT的芯片依赖电池供电，虽然AP/DSP的芯片，可以满足edge端快速运算的要求，但对于更普遍的一些应用，物联网还是以MCU为运算单元。
AI的IP就是NPU这一类。NPU的电路也很有趣，其实主要是两类方法来实现功能，一类是数字方法，也得用模拟的方法来实现神经网络算法里面的加权，继而求和。2020年ISSCC国际会议里，会议主旨是“集成电路为人工智能时代赋能”，其中论文也提出了很多NPU电路的一些结构，也有一个很有趣的现象，就是NPU电路也更多从之前的数字方法实现慢慢变成了很多用模拟方法来实现NPU运算的方式。
跟AIoT芯片相关的一些常见应用，还包括比如说像语音唤醒，语音唤醒常用的IP就是VAD的IP，比如说生活中常用的天猫精灵，当我们跟天猫精灵聊天，他其实首先就会有一个VAD的IP去识别，你再跟他讲话，然后他会把这些声音记录下来，然后做一些运算去跟你对话。在语音识别方面，Audio Codec或DSP会把一些声音的信号采集进来，把模拟信号转化成数字信号，再在数字信号上用DSP再做一些对于语音的算法。最近比较火的，像支付宝的刷脸支付其实也会用到，在芯片层级，电路也会用到MIPI D-PHY CSI的IP，包括对应的Controller的IP。
MCU部分的IP
对于存储器类IP来说，其一是non-volaitile memory，里面包括了Embebded Flash Memory, 还有一些比较新型的，比如说用磁信号来存储1和0的MRAM、包括用电阻的一些特性，存储1和0信号的RRAM，这些都会在比较新型的应用中得到广泛的应用，因为他们的优势是相比于一般的EFlash的memory，不需增加额外的掩膜，从成本上及可用性上来说都会有比较大的优势。
其二是volatile memory，即掉电之后数据会丢失，这类的话包括SRAM还有Register File，对于整个MCU芯片来说，它面积占比并不小，所以其面积成本及可靠性都会对整个MCU造成决定性影响，所以非常重要。其三是比如像Arm的M0，M3或者M4的CPU以及RISC-V也有自己的一系列的CPU core。
除此之外，还有接口类的IP，MCU接口的IP非常丰富，比如说包括了SPI的接口，UART的接口，还有I2C的接口，PWM还有一些车载和工业控制里面的CAN接口，和USB的OTG的接口，整个这些的IP，我们都可以给客户提供一整套的IP选型技术的方案。很多MCU其实对安全类有一些特殊要求，所以里面会对一些关键数字模块，比如说存储器里的数据进行一些加解密，包括了DES，3DES包括SHA的一些算法，还有真随机数发生器叫做TRNG。
这个IP其实也非常有意思，目前是有两派，一是用模拟电路的方式在自然界里捕获一些随机特征产生随机数，用数字方法实现的IP，即数字的算法去生成随机数。第二类是跟主动安全相关的，比如说当芯片受到主动攻击时，IP会主动探测到芯片遭受了攻击，这时候它上面有一层可以探测的网格，当芯片遭到物理攻击，它可以把存储的关键数据清除掉，去保障整个芯片数据安全的策略。
MCU模拟类的IP
MCU里面的模拟类IP，对于MCU的应用，主要是12位的ADC，而且是以SAR ADC为主，因为SAR ADC的功耗很低，其次它面积很小，非常适合MCU这类的应用。采用频率一般是在2MSPS，或者是要求比较高的，可能在5MSPS左右，也有一些超过5兆的应用。如果对于超过5兆的话，一般会使用到Calibration这样的一些电路，就是说校准的一些电路，然后实现高速SAR ADC的功能。
然后现在随着像S3这样一些厂商，把SAR ADC的一些结构做了优化，也可以跑到12比特大概几百兆的一个采样频率，所以有很多通信类产品的ADC也从之前pipeline的结构，慢慢转化到SAR ADC的结构，从而带来低功耗、低成本的效果。技术指标这方面主要包括INL，DNL还有一些offset，这样的一些指标，然后在IP选型的时候，大家可能都会去关注。
还有一块比较特别的ADC里面有很多为了节省成本，就MCU里面的temperature sensor，也是用SAR ADC就整合在一起来实现的。这样可以实现低成本的MCU IP方案。除此以外，DAC部分的精度一般也是12比特，然后采用频率一般1M就足够使用了。在低功耗方面可以满足MCU的一些指标。接下来是PLL其实就是锁相环的电路，主要的话也是所谓的低成本，其实就是说PLL的面积要非常小，然后功能还要非常可靠。
低功耗即low power，低功耗对PLL的挑战也非常大，因为它还要同时满足低噪声low jitter的要求，在三个约束条件下，其实PLL要求也是很高的。接下来一块相关IP就是Oscillator，叫做震荡器。震荡器也分两类，一类是低功耗的，用电阻还有电容在片内实现的一个IP。OSC的好处是可以减少片外的crystal，就是晶振成本， 某些晶振的价格接近一颗MCU的成本，OSC会做出来一个比较低成本的MCU方案。但RC OSC的问题是随着工艺的一些偏差或者漂动，它里面的电阻还有电容的值也会随着工艺变化，所以这样的IP里面会内置一些trimming的技术方案，然后去调整由于工艺导致的RC偏离，最终在trimming之后，可以获得一个很高OSC的精度。
除了RC OSC以外，还有一类就是外接crystal，这类OSC是对clk信号要求比较高的一类应用，然后主要做到低功耗。在MCU未唤醒的模式下，它的功耗要求是非常严苛的。还有一类是LDO，LDO相当于是整颗MCU的电源，所以它需要有比较大的一个电流驱动能力。一般的LDO电路，它需要外面接一个比较大的电容，去优化LDO的AC特性。
目前比较先进的LDO也可以去用内部的方法去实现。外部capacitorless的意思是说外面不用接这一颗电容，也能够实现比较好的功能，这样会极大节省整个系统成本。还有一块的话，作为电源，他其实自己也需要有上电保护的机制。这是整个LDO这块IP的一个要求。对于POR，是整个电路上电的时候，满足时序方面的功能要求。
无线通信类IP
无线通信IP主要包括WIFI类IP，其中就有射频前端的电路，包括TX，RX，某些有低功耗要求，包括在一些极端情况下有很大工作电压的工作范围。接下来他会有自动增益控制的电路。结合RF的WiFi的IP，也还有一些基带的baseband的DSP的IP和它去配合。最近很火的WiFi6Extended的新标准，增加了6G赫兹的一个频段，然后带宽和速度都得到了大幅的提升。
对于蓝牙BT的IP，其实他一般会要求应用场景和要求它支持BLE还有BTDM的这两种模式。还是需要支持语音的蓝牙，因为最近TWS非常火，所以一般蓝牙应用都会有语音支持与这方面的要求。除此以外，他还会对低功耗有一些要求。还有因为大部分应用场景是电池驱动的，在电池电压非常低的时候，还要求整个芯片可以正常工作，所以有Low voltage operation for battery这样的一个功能。
同样是和RF IP匹配的，也有基带的DSP的IP，除了WiFi和蓝牙以外，还有一些比较小的像RF的Balun和switch这样的IP，主要也是做一些单端和差分的转换功能。摩尔精英与中国大陆、中国台湾以及欧美的很多团队都有紧密合作。我们可以帮客户在主要工艺节点上提供通信类的一些IP方案。
智能应用的IP选型
智能家电：需重点考虑EMC测试可靠性的问题，大家可以想象一下，比如说家用电磁炉，包括空调室外机或电磁场较强的环境下，这样的一些场景对整个电路的可靠性要求还是很高的。如果电路做的不够，可靠性不够高，会出现一些我们没有办法预测的状态。
常规的，比如说举个例子，像6个管子的SRAM在某些情况下不能够满足可靠性的一些要求。你就会尝试，比如说去采用一些12个管子的SRAM，这也是目前这几年在不管是学术圈还是在应用上比较流行的一种方法。除此以外，对于EMC这一块，我们也会对IP的一些在各个工艺脚下的IP裕度，去做仿真和测试，保证整个IP的鲁棒性，然后让整颗芯片的EMC测试可靠性得到保障。
除此以外，空调等家电有一个家电的标准，就是需要5伏的电压输入和输出。 但对于常用的AIoT的一个节点，比如说40纳米和55纳米的工艺来说，上面5V的MOS其实是LDMOS，即所谓的低掺杂MOS管。低掺杂MOS管结构比较复杂，会增加很多N-well还有一些STI，这样就会需要额外的掩膜，增加成本。对于MCU或者AIoT这样的一些应用其实是不太合适的，对于designer来说，它也有一些自由度，比如说在40LP或者5LP上，很多的时候就会用3.3V device，然后over drive 5V，来实现5V的输入输出功能。 对于40Eflash或者55Eflash，自由度更高一些，因为有高压器件，又可以选用12伏的Device去Under Drive 5V，整个设计可靠性其实会更高。
智能家电还要解决电网短时间掉电的应用问题。我们日常使用的电网，可能大家没有注意到，它其实是一个交流电，交流电不可避免会出现一个比如说20毫秒级别的瞬间掉电，但我们又不希望智能家电的用户感受到这类电源变化。
针对这种情况，我们的方法是：家电里面不需要内置一个电池，我们会去做一个内置的滤波电容，滤波电容在掉电时，会做一个滤波的动作，用5V的电压在电容上面存了很多电荷，把5V的电压会缓慢降到比如说到2V左右，之前存的电荷持续供电。对于芯片来说，当工作电压变成2V，对整个电路结构也提出了一些比较特殊的要求。比如说刚才提到的LDO的IP，包括ADC的IP，因为LDO相当于是电源，他在输入从5V变到2V的情况下，还能够正常工作，包括ADC也是，当ADC的电源从5V到2V，还要能够正常去做一些采样的工作，让内部电路正常去实现它的一些工作状态，这其中都需要很多考量。
智能穿戴设备：主要应用是身体的快速检测，比如说像一些体脂秤，还有现在有些先进的智能穿戴设备可以去测人的体脂率。对于一些健身达人，他会很关注身体的体脂率，测体脂是怎么实现的呢，其实人体的肌肉和脂肪，它的阻抗其实是不一样的，如果能够准确测量出身体的BIOZ即阻抗，就可以通过一些算法，去计算出身体的体脂比例，就可以反映出健身状态或身体的健康情况。
对于最近比较热门的PPG，PPG，大家如果注意看的话，会发现运动手表背面经常会发出绿色的光，绿光通透性非常好，当绿光打到人体皮肤上，可以监测到血管里红血球的浓度变化，基于这些数据能够检测到心率，包括血氧的一些数据。对于目前新冠疫情比较严重的情况下也可以有一些方法去测血氧。 对于BIOZ，PPG来说，他们都对身体测量的精度要求很高，所以需要很精确的模拟前端电路，叫做AFE。一般的话是用Σ-Δ，都是它的高精度ADC来实现的。
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