隨著越來越多的傳感器和致動器被添加到電子設(shè)備中，在模擬和數(shù)字電路之間來回?zé)o縫地移動數(shù)據(jù)之壓力日益增長。

模擬和數(shù)字電路集成在一起總是顯得格格不入，而且這種狀況隨著SoC使用更小的特征尺寸而愈加凸顯。 雖然數(shù)字晶體管可以繼續(xù)擴展到遠(yuǎn)低于28nm，但現(xiàn)在有關(guān)于數(shù)字路線圖能持續(xù)多遠(yuǎn)的爭論一直存在。而模擬技術(shù)正在按照自己的節(jié)奏發(fā)展。然而，在許多情況下，它根本沒有前進。

如果模擬和數(shù)字不以同樣的速度前進，至少它們要能較好的融合。這有助于解釋為什么在28nm和16/14nm工藝節(jié)點下，標(biāo)準(zhǔn)的“模擬”IP包括大量的數(shù)字內(nèi)容。隨著物聯(lián)網(wǎng)推動對模擬內(nèi)容的需求，添加傳感器以將物理世界與電子設(shè)備連接，對這兩個世界之間，甚至更大的互操作性和通信的需求將繼續(xù)增長。

ARM公司 CPU集團營銷總監(jiān)Ian Smythe表示：“對模擬硅產(chǎn)品的需求一直存在于嵌入式領(lǐng)域，但物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)正在增加對連接混合信號內(nèi)容的需求。傳感器正在改變一系列智能技術(shù)（智能設(shè)備，智能家居，智能建筑和智能城市）的深度嵌入式系統(tǒng)。”

為了能夠有效地處理和傳輸信息，需要在這些嵌入式系統(tǒng)中更有效地處理模擬數(shù)據(jù)，包括邊緣設(shè)備中部署的低功耗微控制器，家庭和建筑網(wǎng)關(guān)中使用的更復(fù)雜和更強大的處理器以及位于這些網(wǎng)關(guān)和云之間的所謂的霧化服務(wù)器。

通信需要改進的一個原因是：大多數(shù)IoT的有趣功能取決于整合來自多個傳感器數(shù)據(jù)的能力。

Mentor Graphics的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Jeff Miller表示：“傳感器通常是MEMS或硅光子學(xué)器件，或與您想要感知的物理世界中的任何物體。模擬是創(chuàng)建傳感器和數(shù)字系統(tǒng)之間接口的一部分，它將執(zhí)行傳感器融合等功能，以從多個傳感器獲取數(shù)據(jù)，將其與有用的信息相結(jié)合，然后傳送。”

連接模擬和數(shù)字世界

以上這些大多數(shù)都適合物聯(lián)網(wǎng)、連接設(shè)備或智能汽車等領(lǐng)域，基本的挑戰(zhàn)是相同的。智能車有傳感器負(fù)載，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也是如此，基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控也是一個橋梁，以告訴它是否高于其設(shè)計負(fù)載。在醫(yī)療領(lǐng)域還有很多范例，在消費級健康監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域，大量的新一代連接傳感器將會應(yīng)用到其中。

智能模擬的興起導(dǎo)致處理能力繼續(xù)被添加到模擬組件當(dāng)中，Smythe表示：“今天，許多傳感器設(shè)備內(nèi)部都有處理器，通常用于自動校準(zhǔn)模擬組件，以提高精度和性能。 這不僅在制造階段至關(guān)重要，而且連續(xù)校準(zhǔn)也可以提高、延長產(chǎn)品的使用壽命。”

以一個簡單的路燈傳感器為例。如果它被污垢覆蓋，它可以早些打開。此外，光透鏡本身變得模糊，并且有效光隨時間變暗。隨著數(shù)字和模擬之間更好的通信，燈光可以在鏡頭清晰時自動調(diào)低，并且隨著鏡頭變得更加不透明而變亮。

汽車工業(yè)對模擬/混合信號設(shè)計也有新的要求，Smythe指出。例如，一系列安全特征需要各種形式的傳感器，以提供關(guān)于車輛和環(huán)境的信息。“隨著汽車自動化程度提升，對傳感器和系統(tǒng)處理傳感器數(shù)據(jù)的要求越來越高。對于這些應(yīng)用，功能安全性和設(shè)計的可靠性至關(guān)重要。”

在這些車內(nèi)，ADAS（攝像機、傳感器、雷達、激光、聲納）和輸出（導(dǎo)航、斷開、安全氣囊觸發(fā)、碰撞避免）的輸入都是模擬/混合信號設(shè)計。

Synopsys營銷總監(jiān)Geoffrey Ying表示：“關(guān)鍵的驗證考慮因素是魯棒性和可靠性，以滿足ISO 26262的高標(biāo)準(zhǔn)要求。這種系統(tǒng)必須按照預(yù)期在各種情況下工作，這需要對PVT進行徹底的模擬和回歸，以及任何潛在的故障條件和恢復(fù)。”

模擬在云端

越來越強調(diào)混合信號也不止于此。 在數(shù)據(jù)中心中推動無限通信帶寬也包括模擬組件。

“為了支持這種需求，例如，具有4級脈沖幅度調(diào)制的新型光驅(qū)動器IC現(xiàn)在可用于支持高達400 Gbps的以太網(wǎng)，”Ying說：“這些芯片具有高水平的模擬和數(shù)字集成，工作在極高的數(shù)據(jù)速率，但必須保持低功耗以節(jié)省能耗。為了驗證這些芯片，設(shè)計人員需要一個具有高仿真吞吐量和高容量的精確混合信號驗證解決方案，以及對該架構(gòu)的準(zhǔn)確信號完整性分析的能力。”

Mentor Graphics公司AMS產(chǎn)品營銷總監(jiān)Mick Tegethoff說：“這些應(yīng)用的棘手之處在于所有的決策和所有的智能都在數(shù)字領(lǐng)域。在汽車應(yīng)用當(dāng)中，它是一個微控制器；在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備當(dāng)中，它是一個超級迷你微型微控制器，是數(shù)字的。”

因此，在從模擬到數(shù)字的快速和準(zhǔn)確地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中有很多事要做，反之亦然。

他還指出，在許多設(shè)計中，有更多的無線技術(shù)。“在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，都是無線的。在汽車當(dāng)中，有更多的無線技術(shù)。每當(dāng)你通過WiFi等進行通信時，就進入模擬RF域。傳統(tǒng)上，當(dāng)您遠(yuǎn)離數(shù)字，通過蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施或無線基礎(chǔ)設(shè)施互連時，蜂窩和WiFi的IC始終具有模擬RF內(nèi)容，并且這種內(nèi)容不斷增長。

回到聚光燈下

對于Cadence的混合信號解決方案工程總監(jiān)Mladen Nizic來說，這是一個模擬/混合信號的黃金時代，汽車和物聯(lián)網(wǎng)推動了在各個層面集成模擬的需求，以使系統(tǒng)正常工作。雖然向數(shù)字世界邁進的趨勢沒有真正改變，但卻存在著無數(shù)的新挑戰(zhàn)。

“一方面，有一個趨勢，即數(shù)字化盡可能多的模擬功能，但同時，有一些觸動點，”Nizic說： “這些系統(tǒng)與現(xiàn)實世界的互動已經(jīng)增加，所以，以前用一個或兩個傳感器的，現(xiàn)在有十幾個或更多，這需要更高的集成度。如果您采用收集數(shù)據(jù)的IoT邊緣節(jié)點設(shè)備，根據(jù)功能，它可能需要做一些量的處理。而需要做多少處理取決于正在收集的信息量，還有與網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器接口的帶寬效率，以及有多少信息對傳輸有意義。一些數(shù)量的處理必須移動到邊緣節(jié)點，并且在一些情況下它需要更高級的處理節(jié)點和計算能力。在其他情況下，它可能相當(dāng)簡單，但功率非常敏感。因此，這些IoT邊緣節(jié)點突然變成了非常多樣化和多功能的系統(tǒng)，必須在最小功率上可靠地工作多年。模擬成為確保這些功能正常工作的關(guān)鍵因素，因為它必須可靠地與安全標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，最小化功耗。”

和往常一樣，驗證是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。“數(shù)字方法已經(jīng)很好地建立起來了，但是現(xiàn)在更具挑戰(zhàn)性的是，模擬不能孤立地考慮，”Nizic說：“在驗證過程中必須將其視為該系統(tǒng)的一部分。而且，它必須提早開始，甚至必須與數(shù)字同時開始，此時模擬電路可能還沒有被設(shè)計，這就是為什么以前是數(shù)字驗證中的標(biāo)準(zhǔn)實踐，正變成對模擬/混合信號越來越強烈的需求。 這意味著從一開始就要有好的、強大的驗證計劃，開發(fā)正確的驗證和模擬策略。因此，模擬建模也迅速崛起。”

當(dāng)涉及物理實現(xiàn)時，還必須有一個緊密集成的解決方案，用于物理設(shè)計，從平面規(guī)劃、布局。“這是一個強勁上升的領(lǐng)域，在性能和時序的簽訂，例如， 電遷移和IR下降變得至關(guān)重要，必須融合模擬和數(shù)字，”Nizic說：“它們不能單獨完成。”

對設(shè)計師的影響

工程團隊還有其他考慮因素。 當(dāng)數(shù)字工程師需要與某種物理系統(tǒng)連接時，往往有不明顯的約束。

“很多時候，這種模擬工作是在制程節(jié)點完成的，這可能有點令人驚訝，”Miller說：“我們看到很多工作發(fā)生在180nm、90nm工藝節(jié)點，而不是22nm，這似乎有點出人意料，但事實證明，在那些非常小的制程節(jié)點上進行模擬設(shè)計會帶來一系列挑戰(zhàn)，需要大量額外的工作才能使某些功能在這些節(jié)點上發(fā)揮作用，還需要大量的額外費用。事實證明，這樣多得不償失，所以，去跟隨finFET節(jié)點的唯一原因是他們必須進行大規(guī)模的數(shù)字集成。在某些情況下，這是必要的，如應(yīng)用處理器上的PLL，但在大多數(shù)情況下，都是不需要的，設(shè)計師專注于做模擬節(jié)點，這些是更大的特征尺寸，還可以節(jié)省成本。

對于模擬設(shè)計，在那些具有極高的功耗要求情況下，工程團隊采用極端制程節(jié)點，但即使是在這種情況下，一些較大的制程節(jié)點仍然能夠很好地滿足要求。

基礎(chǔ)部隊

Sonics首席技術(shù)官Drew Wingard表示：“我們在20年前開始談?wù)摤F(xiàn)在稱為SoC的事情，從字面上看，這個名字表示要縮小整個系統(tǒng)的電子功能，把它放在一個芯片上。顯然，對于絕大多數(shù)應(yīng)用，我們從來沒有真正到達那里，但集成還在繼續(xù)。這不像我們停止在芯片上集成更多的東西，我們只是發(fā)現(xiàn)了其他的方法，或者說發(fā)現(xiàn)更多的功能。我們可以在數(shù)字領(lǐng)域增加更多的功能到更大面積的數(shù)字芯片上，并繼續(xù)在不同的芯片上保持混合信號功能。由于在許多應(yīng)用領(lǐng)域，對于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯透視，采用更多晶體管不再是顯而易見的需求，使得在成本控制等方面更難。終端應(yīng)用中，可通過使用具有長壽命的電池，并且花費成本低至一美元的芯片來實現(xiàn)。一旦你這樣做，結(jié)果就是：“哦，我的天，我最好去整合，因為每一個額外的die與封裝都要花費這筆錢，我必須看看系統(tǒng)的材料的總帳單，所以集成的壓力要高很多。”

這使得芯片制造商需要吸引那些已經(jīng)存在的混合信號內(nèi)容，但是這些內(nèi)容可能在單獨的芯片上，并且可能在單獨的封裝中，Wingard說：“即使我們在一個地方整合混合信號處理技術(shù)，在經(jīng)濟上仍然不是明智之舉，我們將使用某種形式的堆疊來整合它。我們將采取一些實現(xiàn)成本目標(biāo)的方法，使它們更接近它們之間的連接，看起來不像是標(biāo)準(zhǔn)板級互連的接線。”

結(jié)論

對所有應(yīng)用的模擬需求都在增長。性能和功率要求——無論是高功率在一端，低功率在另一端——都在繼續(xù)增長。無論是用于汽車的BCD，還是用于SoC的7nm工藝，都引入了需要在晶體管和仿真中處理的新效果。

“模擬仍然是一個藝術(shù)形式，而不是在數(shù)字方面的按鈕合成流程，”Tegethoff說：“這些非常依賴設(shè)計師的經(jīng)驗，以及設(shè)計師的創(chuàng)造力和知識。”

所以，無論需要多少模擬和數(shù)字電路，總會有差異。但越來越多的，需要兩個工程團隊來模糊這些差異，并實現(xiàn)這兩個世界之間的無縫溝通。