Производители чипов и модулей, или что внутри у IoT-девайса

Развитие микроэлектроники и схемотехники тесно связано с тенденциями, возникающими в мире высоких технологий. Несколько лет назад внимание производителей чипов было направлено, в основном, на мобильные устройства, ноутбуки и ПК. Сейчас этот интерес постепенно спадает и возникает потребность в новых микросхемах, предназначенных для IoT-устройств. В этом году Gartner прогнозирует рост рынка полупроводников до 7,2% по сравнению с прошлогодним ростом в 1,5%. В 2017 он составит 364 млрд долларов. Наибольший спрос будет наблюдаться в отраслях хранения данных и производства автомобилей. По прогнозу компании Cisco, к 2020 году общее количество «умных» девайсов составит 50 млрд штук. А по мнению аналитиков J’son & Partners Consulting, в России эта цифра достигнет 49 млн, причем подавляющее большинство «умных» вещей будет подключено к IIoT (Industrial Internet of Things). По данным GE, промышленный Интернет вещей будет расти не только в России, но и во всем мире: через 3 года рыночный оборот IIoT будет составлять 225 млрд долларов, в то время как потребительский рынок достигнет 170 млрд.

В целом, умные устройства могут работать и с обычным микроконтроллером или SoC (system on chip). SoC представляет собой микросхему, способную выполнять функции целого устройства, поэтому на интегральной схеме SoC размещаются DSP или микроконтроллеры, устройство ввода-вывода, ПЗУ, ОЗУ, интерфейсы для USB, Ethernet, кварцевые резонаторы, блоки ЦАП и АЦП и многие другие элементы. Тесная интеграция элементов имеет ряд преимуществ перед системами, состоящими из нескольких микросхем. Близкое расположение компонентов увеличивает скорость передачи сигналов между ними, соответственно, увеличивается скорость обработки данных. Компактность элементов схемы обеспечивает легкость и компактность самих устройств, в состав которых они входят. А цена SoC может быть снижена за счет тестирования всех элементов схемы одновременно. Таким образом, SoC надежнее, дешевле и энергоэффективнее, чем такая же система, распределенная на несколько кристаллов. Но у нее есть один серьезный недостаток. Дело в том, что system on chip производятся на крупных технологических платформах, выпускающих сотни миллионов чипов в месяц. Проблема в парадигме SoC заключается в том, что компоновка элементов в чипе представляет собой единый производственный процесс, который невозможно изменить или модернизировать для какого-то отдельного компонента. Для смартфонов и многих других приложений, преимущества SoC, в целом, перевешивают этот недостаток. А для IoT-устройств он имеет значение, так как область их применения слишком широка и условия эксплуатации чипов значительно разнятся. В результате появляются другие модели чипов, без полной интеграции, например, SiP (System in a Package) – система из двух и более кристаллов, помещенных в один корпус.

И все-таки есть ряд общих требований, предъявляемых к чипам для IoT-устройств:

• компактность;

• низкое энергопотребление;

• поддержка беспроводных сетей;

• безопасность;

• низкая цена.

Многие производители предлагают решения для Internet of Thing.

Компания Sumsung выпустила семейство аппаратных модулей ARTIK. Самые компактные из них, Samsung ARTIK 020, размером 15х13 мм, имеют встроенную антенну и поддерживают беспроводной стандарт Bluetooth 4.2. 32-разрядный RISC процессор ARM Cortex-M4 производства компании ARM обладает возможностью DSP-вычислений с плавающей точкой (FPU). Флеш-память ARTIK 020 составляет 256 Кб, а оперативная память - 32 кБ. Дальность действия чипа достигает 200 м. Модуль имеет очень гибкие аппаратные интерфейсы для подключения к различным периферийным устройствам или датчикам. ARTIK 020 может использоваться в сенсорах, IoT-устройствах в сфере здоровья, спорта, в домашней и промышленной автоматизации зданий, осветительных приборах и других приборах, поддерживающих технологию Bluetooth LE и рассчитанных на малый или средний радиус действия.

Схема модуля Samsung ARTIK 020. Источник: artik.io

Модули наиболее технологичной линейки Samsung ARTIK 1020 имеют максимальную производительность и предназначены для мультимедийных приложений с интенсивной 3D-графикой или большими, иммерсивными дисплеями, подходит для обработки изображений и управления дронами. Размер платы модуля – 29х39х1.3 мм. На ней размещается 8-ядерная архитектура, состоящая из процессоров Quad Cortex-A15 + Quad Cortex-A7 с поддержкой ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth LE, а также графический процессор MALI GPU от ARM, 2 Гб оперативной памяти, 16 Гб флеш-памяти, полный набор цифровых выходов и входов для камер, дисплеев и аудио. В связи с приостановкой производства этой линейки Sumsung рекомендует новым разработчикам воспользоваться линейкой ARTIK 710. Чипы ARTIK 1020 доступны только для небольших проектов или экспериментирования. Разработки компании в сфере микроэлектроники продолжаются. В прошлом году IT-гигант запустил производство чипов Exynos 7 Quad 7570, увеличив производительность на 70% и начал разработку новых ядер для микроконтроллеров.

Американская компания Texas Instruments имеет широкий модельный ряд микроконтроллеров, процессоров, датчиков, микросхем и трансиверов с низким энергопотреблением, поддерживающих различные беспроводные технологии: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN, субгигагерцовый диапазон и т.д. TI производит чипы для оборудования IoT (конечных устройств, шлюзов), предназначенного для самых разных целей – от носимых устройств и домашней автоматизации до «умных» городов. Своим клиентам для разработки собственных приложений Texas Instruments также предлагает приобрести макетные платы, например, LaunchPad. В качестве среды разработки для них производитель предлагает использовать IAR Embedded Workbench или Code Composer Studio.

Макетная плата  MSP-EXP430FR5994 LaunchPad™ Development Kit. Источник: ti.com

Типовой SoC от TI (например, CC2650) выпускается в квадратных корпусах 4x4, 5x5 и 7x7 мм. Кроме размера, корпуса отличаются друг от друга количеством низкоуровневых интерфейсов прямого управления портами ввода-вывода (GPIO). Их может быть 10, 15 или 31.Чип имеет 3 процессорных ядра: 32-разрядный основной процессор ARM Cortex-M3, Cortex-M0 и Sensor Controller, встроенный DC/DC-преобразователь, 128 Кб флеш-памяти и 8 Кб оперативной памяти. Модель поддерживает стандарты Bluetooth, ZigBee, в том числе ZigBee RF4CE, и 6LoWPAN. CC2650 может быть встроен в бытовую электронику, медицинские приборы, промышленные IoT-устройства.

Компания Intel предлагает процессоры, облачные инфраструктуры, а также комплексные решения, предназначенные для Интернета вещей. Кроме этого, на официальном сайте компании представлены отладочные платы для разработчиков, преподавателей и любителей электроники. Плата Intel 2nd Generation Galileo - это аппаратный модуль, сертифицированный для Arduino и программируемый на основе открытого исходного кода. Он имеет разъемы USB, RJ45 и разъем питания, и множество других коннекторов и работает на процессоре Intel Quark- SOC X1000 с частотой 400 МГц.

Плата Intel 2nd Generation Galileo. Источник: makezine.com

Для Интернета вещей Intel разработала линейки микроконтроллеров - Intel Quark SE C1000, Intel Quark D2000, серию Intel Atom для IoT и др. Первые 2 разработки можно приобрести вместе с оценочным комплектом, куда входят плата с датчиками и интерфейсные шины, встроенные коммуникационные модули, программное обеспечение среды для разработки и пакет поддержки платы на основе открытого исходного кода. Осенью 2016 года на IoT Solutions World Congress Intel представила линейку новых процессоров Intel Atom E3900. Компактные габариты, безопасность, повышенная скорость обработки графики новых процессоров позволит создавать новые решения для производства, автомобилестроения, видео-индустрии, ритейла, и других областей. Новинка с успехом может найти свое применение в области «туманных» сетей, так как благодаря новым процессорам конечные устройства смогут сами обрабатывать данные. В Intel Atom E3900 увеличена скорость работы оперативной памяти и пропускная способность шин, добавлены обновленная графическая подсистема, подсистемы для обработки графики и новая технология для синхронизации устройств. На данный момент в линейке представлены 3 модели с базовой тактовой частотой от 1,3 до 1,6 ГГЦ, кэш-памятью 2 МВ L2 и расчетной мощностью от 6,5 до 12 Вт.

Это далеко не все достижения микроэлектроники, связанные с Интернетом вещей. Многие крупные компании по производству полупроводниковых компонентов и микросхем уже приступили к разработке чипов для IoT . Qualcomm Technologies в 2016 году объявила о создании новых процессоров Snapdragon 600E и 410Е, предназначенных для «умных» устройств. Microhip и Amazon Web Services совместно занялись разработкой IoT-платформы, а Huawei  вместе с оператором связи LG Uplus начали работу по разработке чипов для NB-IoT. В числе крупнейших производителей микросхем для «умных» вещей можно также назвать Atmel, NXP, Nordic Semiconductor, Cypress Semiconductor Corp., Silicon Labs, STMicroelectronics, Dialog Semiconductor, Renesas, ARM Holdings, Freescale, ST Microelectronics, Gainspan, Redpine Signals, Lantronix, Dialog Semiconductor, Semtech, CEVA, Espressif Systems, U-Blox.