La progettazione analogica è indubbiamente una "magia nera" e la sua combinazione con la componente digitale rappresenta un processo molto complesso nei progetti a segnale misto avanzati. Tuttavia, è anche vero che negli ultimi tempi è diventata molto più semplice. Un fattore determinante che ha facilitato e accelerato il processo di sviluppo è la crescente sofisticazione del flusso di lavoro di progettazione a segnale misto grazie agli strumenti EDA (Electronic Design Automation). Questi strumenti consentono ora agli ingegneri di progettare e simulare sia circuiti analogici che digitali in progetti a segnale misto, eseguendo simultaneamente codice C. In precedenza, esisteva sempre un certo grado di separazione tra la progettazione e la simulazione di circuiti analogici e digitali; quando combinati su un singolo chip, il progetto poteva non funzionare perfettamente al primo tentativo. Ora, grazie a questi nuovi strumenti di progettazione avanzati, il processo è diventato quasi istantaneo, anziché richiedere diverse settimane per lo sviluppo. Se a tutto ciò si aggiunge la crescente disponibilità commerciale di IP analogici, insieme alle librerie digitali, il risultato è che per qualsiasi fornitore di chip analogici o a segnale misto è molto più semplice e agile ottenere progetti rapidi ed efficienti in un modo che solo pochi anni fa era semplicemente impossibile, e certamente non per chi non aveva una vasta esperienza in questo campo.
Capacità di elaborazione integrate:
queste funzionalità avanzate di flusso di progettazione rendono sempre più semplice integrare un processore digitale in un progetto analogico o a segnale misto. Ad esempio, l'integrazione di un core processore Cortex-M0 a 32 bit nel progetto non rappresenta un vero e proprio svantaggio. Il core implementa almeno 12.000 porte logiche e, pertanto, le sue dimensioni sono pressoché trascurabili rispetto all'elettronica analogica circostante (forse di un fattore 10:1), con conseguente basso costo aggiuntivo dovuto alla maggiore area del semiconduttore.
L'integrazione di un sottosistema digitale offre anche maggiori capacità di test dei dispositivi, rappresentando un vantaggio significativo che non era stato precedentemente individuato. Un processore digitale diventa un motore flessibile utilizzabile per eseguire tutti i tipi di test e calibrazione on-chip nei SoC (system-on-a-chip) a segnale misto, facilitando la validazione dell'elettronica analogica. Un altro vantaggio è una maggiore integrazione del sistema e, di conseguenza, un costo complessivo inferiore. Nella maggior parte dei casi, un microcontrollore standalone viene utilizzato in un progetto personalizzato insieme a un chip analogico o a segnale misto. Attualmente, un fornitore di chip analogici si trova in una posizione molto più forte per offrire un livello di integrazione più elevato. Naturalmente, questo non è sempre vero; ad esempio, alcuni fornitori potrebbero preferire utilizzare il processore digitale per i test on-chip piuttosto che metterlo a disposizione dei clienti per lo sviluppo di funzionalità. Tuttavia, nel complesso, questo rappresenta una proposta di valore molto chiara per un fornitore di chip analogici. Dall'altro lato, i principali fornitori di circuiti digitali stanno cercando di ampliare il loro catalogo di elaborazione digitale con componenti analogici.
Miglioramento dell'efficienza energetica del sistema:
sebbene questa nuova generazione di dispositivi a segnale misto sia in grado di soddisfare i requisiti dell'Internet delle cose, il punto chiave è che un processore digitale integrato migliora significativamente l'efficienza e le prestazioni dell'intero sistema, il che si traduce in un enorme risparmio in termini di consumo energetico.
Cosa può fare l'elettronica digitale per migliorare le prestazioni dei componenti analogici al fine di ridurre il consumo energetico del sistema? Un esempio concreto e molto importante è il controllo dei motori, dove è evidente che l'elettronica di potenza e l'elettronica analogica sono assolutamente cruciali. Un processore digitale può migliorare significativamente la gestione della velocità e/o della rotazione del motore, offrendo così un potenziale risparmio energetico di circa il 40%. E i motori in questo esempio sono motori di grandi dimensioni per applicazioni industriali, non necessariamente prodotti a basso costo come i giocattoli. La tecnologia digitale non sostituisce né elimina la parte analogica; semplicemente permette al controllo digitale di migliorare la qualità complessiva del sistema.
Pertanto, grazie a queste funzionalità avanzate, unite a maggiori possibilità di integrazione e a livelli più elevati di funzionalità on-chip, il ritorno sull'investimento può essere molto rapido con l'incorporazione di un piccolo e potente core di processore digitale. A conferma di ciò, sul mercato sono arrivati dispositivi analogici e a segnale misto con capacità di elaborazione digitale integrate. Un esempio è il processore a segnale misto ADSP-CMX40X di Analog Devices, che include un processore Cortex-M4 e consente agli sviluppatori di azionamenti per motori di aggiungere ulteriori funzioni al silicio. Il dispositivo è specificamente destinato ad applicazioni ad alta efficienza energetica nei mercati industriali ed è progettato per fornire un controllo del motore più preciso in azionamenti per motori, inverter fotovoltaici e controllo servo a circuito chiuso. Un secondo esempio è la famiglia XMC4000 di Infineon, anch'essa con un Cortex-M4 integrato. Anche questo dispositivo mira ad aumentare l'efficienza energetica nelle applicazioni industriali. Un terzo esempio è la licenza concessa a Dialog Semiconductor per il processore Cortex-M0, che l'azienda prevede di utilizzare come controller in una gamma di circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione, il controllo, l'alimentazione e la gestione della batteria in smartphone o tablet.
Guardando al futuro,
entro pochi anni, o anche prima, è probabile che la stragrande maggioranza, o almeno un'alta percentuale, dei progetti di chip analogici e a segnale misto integrerà un sottosistema di elaborazione digitale ad alte prestazioni per il controllo e la gestione, consentendo inoltre agli sviluppatori di aggiungere il proprio codice software. Le principali applicazioni previste saranno il controllo dei motori e l'elettronica di potenza, e attualmente la maggior parte di queste applicazioni è essenzialmente "semplice". L'aggiunta di intelligenza digitale potrebbe generare enormi risparmi energetici, soprattutto nel caso dei motori. Una stima recente indica che i motori elettrici consumano il 40% di tutta l'elettricità globale, e una parte considerevole di questa viene utilizzata per gli azionamenti di motori industriali. Pertanto, una minima elaborazione digitale del componente analogico potrebbe ridurre significativamente lo spazio necessario, con conseguenti vantaggi ambientali ed economici.
Nei prossimi anni, con la concretizzazione dell'Internet delle Cose e la crescente domanda di riduzione dei consumi energetici, si prevede che il modello per la prossima generazione di circuiti analogici e a segnale misto più sofisticati combinerà l'elettronica analogica periferica per il rilevamento e l'azione con l'elettronica digitale centrale per il controllo, il processo decisionale e la comunicazione. Un sistema su chip analogico (SO-chip) altamente integrato e controllato digitalmente, con il potenziale di ridurre fino al 40% il consumo energetico di un motore industriale, sia che venga fornito da un produttore di semiconduttori analogici o digitali, rappresenta una tecnologia estremamente interessante destinata a una forte domanda nel prossimo futuro.
Autore:
Richard York è stato nominato Direttore dei Prodotti per Processori Embedded nel dicembre 2007. Richard è responsabile del marketing dei prodotti embedded e delle CPU a microcontrollore di ARM, incluse le serie di processori Cortex-M e Cortex-R. È inoltre responsabile della roadmap per i prodotti embedded e altri prodotti correlati all'ecosistema.
Richard collabora anche a stretto contatto con i licenziatari e i loro clienti in qualità di consulente sullo sviluppo dei prodotti e sulle tendenze di mercato. Richard è entrato in ARM nel 1994 ed è stato fortemente coinvolto nella progettazione dei primi processori ARM prima di passare al marketing nel 2000.
