O projeto analógico é, sem dúvida, uma "magia negra", e a sua combinação com componentes digitais é um processo extremamente complexo em projetos avançados de sinais mistos. No entanto, também é verdade que se tornou muito mais simples nos últimos tempos. Um fator importante que facilitou e acelerou o processo de desenvolvimento foi a crescente sofisticação do fluxo de trabalho de projetos de sinais mistos através de ferramentas EDA. Estas ferramentas permitem agora aos engenheiros projetar e simular circuitos eletrónicos analógicos e digitais em projetos de sinais mistos, executando simultaneamente código C. Anteriormente, existiam sempre diferentes graus de separação entre o projeto e a simulação de circuitos analógicos e digitais; quando combinados num único chip, o projeto podia não funcionar perfeitamente à primeira tentativa. Agora, graças a estas novas ferramentas avançadas de projeto, o processo tornou-se quase instantâneo, em vez de um processo de desenvolvimento que demorava muitas semanas. E se a tudo isto juntarmos a crescente disponibilidade comercial de propriedade intelectual analógica, juntamente com as bibliotecas digitais, o resultado é que, para qualquer fornecedor de chips analógicos ou de sinal misto, é muito mais simples e ágil obter projetos rápidos e eficientes de uma forma que, há poucos anos, era simplesmente impossível, e certamente não para aqueles que não tinham uma vasta experiência nesta área.
Capacidades de Processamento Embarcado:
Estas capacidades avançadas de fluxo de design tornam cada vez mais fácil a incorporação de um processador digital num design analógico ou de sinal misto. Por exemplo, a incorporação de um núcleo de processador Cortex-M0 de 32 bits no projeto não representa uma penalização real. O núcleo implementa pelo menos 12.000 portas lógicas e, portanto, o seu tamanho é quase insignificante em comparação com a eletrónica analógica circundante — talvez por um fator de 10:1 — e, assim, o custo adicional devido à maior área do semicondutor é baixo.
A incorporação de um subsistema digital proporciona também maiores capacidades de teste de dispositivos, representando uma vantagem significativa que não tinha sido identificada anteriormente. Um processador digital torna-se um mecanismo flexível que pode ser utilizado para realizar todo o tipo de testes e calibrações em SoCs (sistemas num chip) de sinal misto, facilitando a validação de componentes eletrónicos analógicos. Outra vantagem é a maior integração do sistema e, portanto, um custo global mais baixo. Normalmente, um microcontrolador independente é utilizado num projeto personalizado juntamente com um chip analógico ou de sinal misto. Atualmente, um fornecedor de chips analógicos está numa posição muito mais forte para oferecer um nível mais elevado de integração. Claro que nem sempre será assim; por exemplo, alguns fornecedores podem preferir utilizar o processador digital para testes em chip em vez de o disponibilizar aos clientes para o desenvolvimento de funcionalidades. No entanto, no geral, isto representa uma proposta de valor muito clara para um fornecedor de chips analógicos. Por outro lado, os principais fornecedores de circuitos digitais estão a tentar expandir o seu catálogo de processamento digital com componentes analógicos.
Melhoria da eficiência energética do sistema:
Embora esta nova geração de dispositivos de sinal misto seja capaz de satisfazer os requisitos da Internet das Coisas, o ponto crucial é que um processador digital integrado melhora significativamente a eficiência e o desempenho do sistema como um todo, o que representa uma enorme poupança no consumo de energia.
O que pode a eletrónica digital fazer para melhorar o desempenho dos componentes analógicos, de forma a reduzir o consumo de energia do sistema? Um exemplo concreto e muito importante é o controlo de motores, onde é claro que a eletrónica de potência e a eletrónica analógica são absolutamente cruciais. Um processador digital pode melhorar significativamente a gestão da velocidade e/ou rotação do motor, oferecendo assim uma poupança potencial de energia de cerca de 40%. E os motores neste exemplo são motores de grande porte em aplicações industriais, não necessariamente produtos de baixo custo como brinquedos. A tecnologia digital não substitui nem elimina a parte analógica; simplesmente permite que o controlo digital melhore a qualidade geral do sistema.
Portanto, com estas características avançadas, juntamente com maiores possibilidades de integração e níveis mais elevados de funcionalidade no chip, o retorno do investimento pode ser muito rápido com a incorporação de um núcleo de processador digital pequeno e potente. A confirmação disso é a chegada ao mercado de dispositivos analógicos e de sinal misto com capacidades de processamento digital integradas. Um exemplo é o processador de sinal misto ADSP-CMX40X da Analog Devices, que inclui um processador Cortex-M4 e permite aos desenvolvedores de acionamentos de motores adicionar mais funções ao silício. O dispositivo é especificamente orientado para aplicações de eficiência energética em mercados industriais e foi concebido para fornecer um controlo de motor mais preciso em acionamentos de motores, inversores fotovoltaicos e controlo servo de malha fechada. Um segundo exemplo é a família XMC4000 da Infineon, também com um Cortex-M4 integrado. Este dispositivo visa também aumentar a eficiência energética em aplicações industriais. Um terceiro exemplo é a licença concedida à Dialog Semiconductor para o processador Cortex-M0, que a empresa planeia utilizar como controlador numa gama de circuitos integrados de gestão de energia para controlo, energia e gestão de baterias em smartphones ou tablets.
Olhando para o futuro,
dentro de alguns anos, ou mesmo antes, é provável que a grande maioria, ou pelo menos uma elevada percentagem, dos projetos de chips analógicos e de sinal misto integrem um subsistema de processamento digital de alto desempenho para controlo e gestão, permitindo também aos programadores adicionar o seu próprio código de software. As principais aplicações previstas são o controlo de motores e a electrónica de potência, sendo que actualmente, a grande maioria destas aplicações é essencialmente "simples". Ao adicionar inteligência digital, existe um enorme potencial para a poupança de energia no caso dos motores. Uma estimativa recente indica que os motores elétricos consomem 40% de toda a eletricidade global, e grande parte desta é utilizada para acionamentos de motores industriais. Portanto, o processamento digital mínimo da componente analógica poderia reduzir significativamente o espaço necessário, com os consequentes benefícios ambientais e de custo.
Nos próximos anos, à medida que a Internet das Coisas se torna realidade e a procura por um menor consumo de energia aumenta, espera-se que o modelo para a próxima geração de circuitos analógicos e de sinal misto sofisticados combine a eletrónica analógica na borda para a deteção e atuação com a eletrónica digital no núcleo para controlo, tomada de decisões e comunicação. Um sistema num chip (SoC) analógico altamente integrado e controlado digitalmente, com potencial para poupar até 40% do consumo de energia de um motor industrial, seja fornecido por um fornecedor de semicondutores analógicos ou digitais, é uma tecnologia extremamente atraente, com uma forte procura prevista para um futuro próximo.
Autor:
Richard York foi nomeado Diretor de Produtos de Processadores Embarcados em dezembro de 2007. Richard é responsável pelo marketing dos produtos embebidos e CPUs de microcontroladores da ARM, incluindo as séries de processadores Cortex-M e Cortex-R. É também responsável pelo planeamento estratégico de produtos embarcados e outros produtos relacionados com o ecossistema.
Richard também trabalha em estreita colaboração com os licenciados e os seus clientes como consultor em desenvolvimento de produtos e tendências de mercado. Richard juntou-se à ARM em 1994 e esteve fortemente envolvido no design dos primeiros processadores ARM antes de migrar para o marketing em 2000.
