Заказные аналоговые микросхемы для промышленного Интернета вещей

Введение

Рынок промышленного управления и автоматизации вступает в эру, когда потребности промышленности могут быть легко удовлетворены доступом к практичным и высокопроизводительным интегрированным решениям от полупроводниковой промышленности. Общие затраты на производство можно ощутимо сократить, если использовать заказную схему.

Зачем платить немалые деньги за готовые дискретные аналоговые компоненты, когда интегрированная однокристальная схема сможет сэкономить до 90% затрат на материалы? Кроме того, при интеграции в проект заказчика разработчик может внести изменения, которые позволят выделить конечную продукцию, сделать её более конкурентоспособной и, возможно, подходящей для других прибыльных сфер. Среди преимуществ – гарантия прав собственности на всё решение, отказ от работы с дистрибьюторами и отсутствие длинной цепочки поставки и связанных с этим проблем.

Обзор рынка

Рынок в цифрах

Промышленность 4.0 (или четвертая промышленная революция) – это ёмкий термин. Он подразумевает ряд технологий современной автоматизации, обмен данными и производство. Эти технологии облегчают создание модульного «умного завода», в котором компьютеризованные системы наблюдают за физическими процессами, создают виртуальную копию физического мира и принимают децентрализованные решения. Системы связываются друг с другом через промышленный Интернет вещей и взаимодействуют как между собой, так и с людьми в режиме реального времени, а также через Интернет служб.

В 2014 г. решения на рынке промышленного Интернета вещей обеспечили доход в $3,77 млрд. По некоторым оценкам в 2021 г. он возрастёт до $11,23 млрд, со среднегодовым темпом роста в 16,8% (прогноз 2015 г. консалтинговой компании Frost & Sullivan). В этом сегменте рынка большое значение имеют решения для промышленного управления (до 38%), за ними следуют датчики температуры, давления, потока и обнаружения газа. Достаточно сказать, что рынок промышленного Интернета вещей находится в самом начале своего жизненного цикла – хорошее время, чтобы обратить на него внимание.

Двигатели рынка

Промышленная автоматика требует данных в реальном времени. Мониторинг процесса сокращает объём отходов и повышает эффективность производства. Возможность получить доступ к этой информации удалённо и в режиме реального времени позволяет оптимизировать ресурсы, энергию и труд рабочих. В случае изменения производительности система заранее предупреждает оператора и нивелирует потери производственного времени. Плюсы подобных решений – низкая стоимость их реализации, низкое энергопотребление, безопасность и надёжность связи. Кроме того, существует растущая потребность в точности, которую такие системы вполне могут удовлетворить.

Заказные аналоговые микросхемы

Учитывая относительно раннюю стадию развития рынка промышленного Интернета вещей, на сегодняшний день большинство используемых сенсорных решений состоят из крупных, перегруженных печатных плат, напичканных дискретными преобразователями данных, усилителями и микроконтроллерами. К сожалению, эти решения не оптимальны с точки зрения стоимости, мощности, надёжности и соотношения площади к объёму.

Десятилетний опыт полупроводниковой индустрии в разработке однокристальных систем для связанных сегментов потребительской электроники позволяет получить оптимизированные, более дешёвые и менее энергозатратные системы. Комбинированные заказные интегральные схемы теперь доступны и для средних (и низких) сегментов рынка в силу того, что появились более дешёвые полупроводниковые пластины толщиной от 0,18 мкм до 65 нм, в дополнение к большому количеству технологий обработки кремния. В настоящее время локомотивом рынка полупроводниковой промышленности становится Интернет вещей (по мере того как рынок потребительской электроники насыщается). Современные технологии производства полупроводниковых материалов внедряются на многих фабриках, что даёт возможность разрабатывать системы со сверхнизким энергопотреблением и поддержкой высоких напряжений. Это как нельзя лучше подходит для развития промышленного Интернета вещей, находящегося, в отличие от рынка потребительского Интернета вещей, на подъёме.

Пример разработки

Компания S3 Group разработала и продолжает разрабатывать многочисленные однокристальные системы для использования во многих приложениях. Приведём пример одной такой разработки, которая в действительности представляет собой настраиваемую однокристальную систему, предназначенную для использования в различных промышленных применениях, где важны низкое энергопотребление, удалённое развёртывание, снижение издержек производства и короткое время выхода на рынок. Решение включает в себя реализацию ARM Cortex-M4 и PIC микроконтроллера с низким энергопотреблением, интерфейс датчика AFE (аналоговый входной блок), память и промышленные интерфейсы связи, такие как Foundation Fieldbus, Profibus и HART (см. рисунок).

Использование рентабельного 180 нм смешанного КМОП-процесса от TSMC позволяет создать полностью интегрированную цифровую систему с аналоговым входным блоком, состоящим из:

Система предназначена для работы от 2,7 В через интерфейс «токовой петли» 4–20 мА с низкой расчётной мощностью 160 мкВт/МГц.

Заключение

Таким образом, затраты на материалы уменьшаются до 90% в связи с высоким уровнем интеграции дискретных компонентов в однокристальную систему. Помимо этого, подобное решение позволяет внедрить дополнительные функции, которые не так-то просто воплотить в системах, построенных на готовых компонентах. Производительность повышается за счёт лучшей целостности сигнала на уровне кристалла, без особого ущерба для энергозатрат продукта. И всё это при стоимости, сопоставимой со стоимостью продукта на основе готовых компонентов. Кроме того, так как используется меньше компонентов, возрастает надёжность и производительность системы. Помимо этого, благодаря тому, что заказчик является владельцем решения, цепочка поставок сокращается до минимума, следовательно упрощается производство и снижаются затраты.