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滿足消費應用需求 GaN快充市場潛力不容小覷

手機/平板/筆電的螢幕尺寸、應用程式等功能快速成長,每人擁有的電子設備與穿戴裝置增加,導致電源需求同步提升,多接孔且充電快速的充電器順勢成為市場熱門的應用之一。同時面對矽材料在能量密度等方面的理論極限,為提升電源的轉換效率與功率密度,氮化鎵(GaN)逐漸成為受到製造商關注的功率半導體應用。投入GaN產品研發的廠商中,部分製造商專攻200V以下的消費電子市場,而GaN快充便是消費電子產品中商品化最為快速的應用。本文將整理GaN在消費性電子市場的應用分析與發展挑戰,探究GaN在消費電子市場的潛能,以及未來應用方向。 GaN快充應用看漲 今年GaN快充應用的熱潮,從1月CES 2020的參展狀況可略知一二。GaN System台灣區業務總經理林志彥(圖1)描述,CES 2020中,約有50-60家的台灣及中國的消費電子配件品牌參展,並推出超過100件採用GaN的產品。納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖2)認為,2020年即是GaN在智慧型手機/平板/筆電快充產品的應用快速發展的一年。過去幾年間,從統計數據中可以發現,螢幕與電池的尺寸持續增加(圖3),同時Oppo、Vivo、聯想(Lenovo)、小米已推出手機搭載65W以上的充電器,代表使用者需要快充滿足逐漸增加的電源需求。除了先前主攻售後市場的AUKEY、Anker、RAVpower及Belkin,其他製造商如聯想、三星(Samsung)、Oppo與小米採用GaN快充作為售後的手機配件,甚至可能將其提升為原廠標配(圖4)。 圖1 GaN Systems台灣區業務總經理林志彥 圖2 納微半導體銷售和市場副總裁Stephen Oliver 圖3 2017-2020年智慧型手機及電池尺寸變化   資料來源:Navitas 圖4 2020年Q2 OEM廠商充電器分布   資料來源:Navitas 除了GaN快充產品在消費端需求顯著,製造商同時看好GaN高效率、低導通損耗、外型小巧且適用於高頻率的材料特性。Yole化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋(圖5),技術上,GaN在系統整合方面有兩大主要趨勢:系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)。針對技術平台,有兩種為了GaN部署的半導體基板:採用藍寶石基板的GaN-on-sapphire、使用矽基板的GaN-on-Silicon。兩種技術都發展良好,可望在明年成為熱門應用。整體而言,GaN快充系統的成本、尺寸及效能,將會創造比其他充電產品更大的市占率。 圖5 Yole développement化合物半導體技術與市場分析師Ahmed Ben Slimane(左)、Yole  développement化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus(右) 廠商競爭刺激產量 面對新應用如GaN快充,產品成功最重要的關鍵在於開創市場,讓技術被市場接受並且獲利。Stephen Oliver提到,相較於使用矽,採用納微GaNFast功率晶片的充電器,在整合GaNFET/驅動器/邏輯與數位電路的前提下,可以達到充電速度加快三倍,同時體積減少一半,兼顧性能與價格的優勢。例如廠商AUKEY使用GaNFast晶片製造61W的快充,其體積比蘋果充電器小65%。 如果著重觀察消費市場對新技術/產品的接受度,價格便是驅動需求的主因。林志彥舉例,小米已推出的GaN快充電源售價約台幣700元,成為市場高度接受的產品之一。此外,長期而言,小體積的GaN所需材料少於矽充電器,因此若產量提高甚至進入自動化生產階段,價格將更有明顯的競爭優勢。 生產方面,消費電子產品通常由製造商設定價格、效能與外型規格標準,快充也是如此。Yole分析師說明,GaN作為一項新技術,主要的挑戰在於價格與採用率,而這些又都受限於OEM廠商的嚴格要求與市場布局。截至2020年第二季的GaN市場持續波動(圖6),GaN仍具突破與成長動能。Yole分析師預估,接下來的18個月內,市場會維持相似的浮動狀態,因此國際大廠如三星、華為在產品標配中採用GaN快充的規畫中激烈競爭,蘋果(Apple)可能也會加入戰局,廠商間的競爭將會大力刺激市場銷量,同時導致GaN快充產量上升且價格快速下降。 圖6 功率GaN裝置市場營收趨勢  資料來源:Yole 現階段的GaN快充功率以65W為主流,Stephen Oliver表示,接下來三至五年間,GaN快充的研發必然朝著功率密度更高、充電更快的方向前進,例如聯想預計在今年九至十月左右推出搭載90W電池的手機。新型態的消費者更依賴電子設備提供的工作與娛樂功能,但生活節奏加快、設備的電池容量增加,無法等待漫長時間的來完成充電,因此不斷增長的充電速度即是因應市場需求,Stephen Oliver認為未來功率GaN晶片的市場規模可達10億美元。此外,多接孔的USB-C充電器也會在產業中掀起風潮,滿足現在常見同時持有多個電子設備的消費者的充電需求。 2025年GaN市場上看七億 隨著三星、華為、小米等手機製造商規畫將GaN快充放入標配,Yole分析師觀察到GaN快充高度的市場潛力。GaN已經開始部署在超過45W的快充中,仰賴其小尺寸且高度整合的電源系統,形成高功率密度的應用。接下來三年內趨勢將指向系統單晶片及系統級封裝技術,驅動GaN在消費市場的進展,且GaN充電器的尺寸會持續縮小並伴隨成本下降。 整體而言,Yole分析師預測GaN市場在2025年會超過七億美元,2019~2025年的年均複合成長率(CAGR)則為76%,代表2025年在GaN的整體市場中,將有超過80%的占比來自消費市場(圖7)。林志彥進一步說明,GaN System在市場布局上關注的消費電子、儲能系統、資料中心、工業控制與電動車五大領域中,其中進展最快的即是消費電子市場,能在成本降低次激需求提升的前提下,快速達到量產。2021年下半年,各家廠商高階的手機/筆電型號,極有可能會將GaN充電器/變壓器納入標配規格。 圖7 功率GaN裝置市場規模分析(按應用區分)  資料來源:Yole 除了手機配件,GaN還有其他具有商機的應用場景。Yole分析師表示,GaN的性能表現與外型尺寸帶來優勢可應用在以下幾個領域: ‧ LED驅動器:GaN架構的成本才是受到採用的主因,其裝置GaN有機會用在大於50W的高階、高功率LED驅動器中。 ‧ D類音效功率放大器:國際廠商如EPC、英飛凌、GaN...
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貿澤供貨芯科新節能安全效能無線SoC

貿澤電子(Mouser)即日起供貨芯科(Silicon Labs)最新的Wireless Gecko系統單晶片(SoC)系列。新款SoC具有很高的能源效率,能使各種物聯網 (IoT) 應用達到出色的電池續航力。 Silicon Labs EFR32BG22 (BG22) SoC為支援Bluetooth 5.2連線功能的單晶片解決方案,可用於包括藍牙網狀網路、藍牙低功耗,以及具有次米級準確度的尋向功能。多功能SoC能將鈕扣型電池使用壽命延長到最長十年,是消費性、商用和工業IoT等應用的節能搭配選擇。EFR32BG22 SoC搭載高效能Arm Cortex-M33核心,具有較低的發射與接收功率。 EFR32MG22 (MG22) 系列裝置是Zigbee Green Power應用最佳化裝置中尺寸最小巧、功率最低的SoC。MG22 SoC結合76.8 MHz Arm Cortex-M33核心與高效能2.4 GHz無線電,支援多種IoT通訊協定。SoC擁有高節能效率,是採用鈕扣型電池或能源收集來源的Zigbee裝置的理想選擇,適用於包括智慧家庭感測器、照明控制,以及大樓和工業自動化等應用。 EFR32FG22 (FG22) SoC適用於功耗及尺寸受限的IoT裝置的節能專有通訊協定網路。此單晶片裝置搭載38.4 MHz...
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戴樂格新低功耗Wi-Fi SoC擴展IoT聯網產品陣容

英商戴樂格半導體(Dialog)日前宣布推出高度整合的低功耗Wi-Fi聯網SoC─DA16200,以及兩個運用Dialog VirtualZero技術為Wi-Fi聯網,電池供電的IoT設備實現電池壽命突破的模組。 Dialog連結及音訊產品部門資深副總裁Sean McGrath表示,這些新的Wi-Fi產品進一步鞏固了我們的地位。透過電池提供Wi-Fi並不僅僅是延長電池壽命,更在於透過提供低功耗功能和隨時連線的連接性,使IoT開發人員徹底釋放智慧型設備的可能性。這是物聯網市場迫切需要的突破,該公司所推出的新SoC和模組將能協助推動這些創新。 隨著聯網門鎖,恆溫器,監控攝影機和其他需要隨時運作且持續保持Wi-Fi連接的物聯網產品方興未艾,對於工程師形成在不犧牲電池壽命下開發創新方案的嚴苛挑戰。有別於競爭對手的Wi-Fi SoC,DA16200針對電池供電IoT設備進行最佳化。 DA16200的VirtualZero技術可將低功耗的實際表現,做到即使持續聯網的設備通常也可以達到至少一年的電池壽命。 事實上,三到五年的電池壽命表現也很普遍。 SoC利用演算法驅動的設計來提供較低功耗的解決方案,以延長電池壽命,同時保持持續的Wi-Fi連接,以確保最終用戶始終保持對設備的控制。 高度整合的DA16200可運作整個Wi-Fi系統、安全性和網路協定堆棧,無需外部網路處理器、CPU或微控制器。 它包含一個802.11b/g/n射頻(PHY),基頻處理器,MAC,內建記憶體,專屬加密引擎和ARM Cortex-M4F主機網路應用處理器,所有這些均整合於單一矽晶片上。 為了在不影響電池壽命的情況下擴展範圍,DA16200還具有整合的功率放大器(PA)和低噪音放大器(LNA),為用戶提供良好的輸出功率和接收器靈敏度。 除了SoC外,Dialog同時推出了兩個內建DA16200的模組,提供靈活性和設計選項,可輕鬆地實現Wi-Fi聯網,確保所有客戶都能從DA 16200 SoC的高整合度和可編程易用性中受益。 這兩個模組均包含4MB快閃記憶體和所有必需的RF組件,包括晶體振盪器,RF集總濾波器以及晶片天線或用於外部天線的u.FL連接器。 兩個模組均已通過全球操作認證,包括FCC,IC,CE,Telec,Korea和SRRC認證。 此外,SoC和模組同時也是Wi-Fi CERTIFIED ,以實現互通性。
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Ansys電源雜訊簽核平台獲台積電先進製程技術認證

Ansys新一代系統單晶片(system-on-chip, SoC)電源雜訊簽核(signoff)平台獲得台積電(TSMC)所有先進製程技術的認證,將協助共同客戶驗證全球晶片的電源需求及可靠性,並應用於人工智慧(AI)、機器學習、5G行動網路和高效能運算(high-performance computing, HPC)等領域。 圖 Ansys電源雜訊簽核平台獲台積電先進製程技術認證。來源:台積電 Ansys副總裁暨總經理John Lee表示:「我們和TSMC合作所展現的深度和廣度,顯現多重物理場簽核技術在 AI、5G、HPC、機器學習、網路、汽車與更多其他應用領域的價值和需求。由於電晶體技術的進展,RedHawk-SC能滿足不斷成長的平行處理及強大運算容量的需求,支援更多 3D 積體電路(IC)封裝技術應用。」 若能讓採用先進製程的晶片在有熱點存在,且電晶體切換行為高度多樣化的情況下,仍能可靠地運作,晶片設計者就無須對配電網路(Power Distribution Network)進行過度設計(Overdesign)。但由於先進製程遇到的技術限制增加,配電網路的規模也隨之顯著成長,加上使用先進製程的晶片往往內含上百億個點子節點,使得與先進製程搭配的設計工具必須支援大規模平行化,並具備非常高的容量。 為促進TSMC領先業界的製程節點發展(包含 N16、N12、N7、N6 及 N5 製程技術),Ansys 與TSMC共同合作,完成Ansys RedHawk-SC的認證。認證項目包含擷取、電源完整性與可靠性、訊號電子遷移(electromigration, EM)、熱可靠性分析以及統計電子遷移預算(statistical EM budgeting)分析。RedHawk-SC能夠在基於大數據機器學習架構的高度平行化資料庫,以最佳化電子設計的Ansys RedHawk-SC中,執行簽核演算法來分析大量設計資訊,提供快效能並擴充容量。
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瑞薩推賽靈思FPGA/SoC用新PMIC參考設計

瑞薩電子(Renesas)日前宣布推出三款使用方便的電源管理IC(Power Management IC, PMIC)參考設計,可以選配DDR記憶體配置,為賽靈思(Xilinx)Artix-7 FPGA、Spartan-7 FPGA、以及Zynq-7000 SoC的多電源軌供電。瑞薩並與Xilinx密切合作,提供低風險且易於設計的電源解決方案,以加快FPGA和SoC的設計。同時,這些參考設計也加速了包括馬達控制、機器視覺攝影機(Machine Vision Camera)、可編程邏輯控制器(PLC)、家庭閘道器(Gateway)和電器、以及可攜式醫療和無線設備等各種工業和電腦(Computing)應用的電源開發。 瑞薩行動與基礎設施暨IoT電源事業部副總裁Andrew Cowell表示,藉由提供經過測試且完整的解決方案,該公司的PMIC參考設計可隨時連接Xilinx的Artix-7、Spartan-7和Zynq-7000裝置並為其供電,而大幅加快客戶的開發進度。且兩款多相位PMIC都採用瑞薩的R5調變技術,能實現較快的暫態響應,同時允許設計者動態調整功率來提高整體系統效能。 瑞薩的高效能PMIC參考設計提供方便好用的完整解決方案,使單一設計能夠支援不同的Xilinx速度等級和DDR3、DDR3L、DDR4、LPDr2、以及LPDDR3等不同的DDR記憶體類型。這些參考設計分別以四相位—三個輸出的ISL91211AIK PMIC,以及四個輸出的ISL91211BIK PMIC為基礎,兩款PMIC都能提供高達20A的總輸出電流和獨立的動態電壓調節(Dynamic Voltage Scaling)。其控制迴路經過調整,能以較佳方式支援Xilinx FPGA的負載設定檔(Load Profile)。並且,無需外部定序控制器(Sequencing Controllers),即可在內部管理電源軌的通電和關機(Power up and Shutdown)順序。此外,採用2MHz切換頻率(Switching Frequency)和快速負載暫態響應,使每片PMIC板能夠使用22uF的輸出電容(Output)和一個小型電感器(Inductor),來縮小解決方案的尺寸。兩款PMIC皆為尺寸4.7mm×6.3mm,間距0.8mm的35焊球(35-ball)BGA封裝。
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網路攻擊指數級成長 硬體安全機制保障IoT應用

話雖如此,幾乎每週都有主流媒體不斷提起有關數位安全性的漏洞,通常是涉及消費者信用卡資訊被盜或不當使用的損失。不幸的是,此類新聞僅是每天發生在網路安全遭受攻擊的成千上萬案例之一。安全威脅可用來竊取有價值的資料,造成大範圍的破壞,甚至更令人擔憂的是掌控關鍵的系統。 從消費者的角度來看,分散式阻斷服務(DDoS)攻擊可能是最常見的威脅。2016年,Mirai殭屍網路(它造成了整個網際網路的中斷)是第一個讓組織意識到這類威脅的重要警訊。此後,Mirai的後繼者,如Aidra、Wifatch和Gafgyt,以及BCMUPnP、Hunter52和Torii53等新加入的殭屍網路,已經擁有數百萬個IoT設備的侵入許可權,以傳播他們的DDoS惡意攻擊軟體、加密貨幣挖礦軟體以及垃圾郵件的中繼代理。 物聯網安全威脅綿延而生 隨著部署和連接更多社會和工作的場所,造成安全威脅無處不在,而且規模越來越大。以智慧城市為例,在無所不在的無線通訊和機器/深度學習的基礎下,智慧城市背後的基本理念包括依需求調適的交通控制、跨電網的自動負載平衡管理和智慧街道照明。假設城市中智慧交通控制被一個假想敵攻擊,惡意控制交通流量的感測器、交通號誌燈、協調管控車輛的汽車網狀網路和控制設備等基礎設施的情境。利用無線網狀網路在重要的交通要道上控制交通號誌燈或車輛之間的通訊,已經不再是好萊塢大片中才會出現的場景,而是一項嚴肅的現實議題。 另一方面,關注聯網醫療設備的興起,商店裡智慧標籤幫助零售購物的體驗,以及家庭和電器連接手機。如果可以用智慧型手機打開爐子、解鎖前門、解除警報系統,其他人的裝置可以嗎? 上面的例子都與生活相關,但對於那些消費者看不到的案例呢?針對自動化製造環境部署的工業物聯網(IIoT)─一個安全性的漏洞會導致什麼樣的混亂,以及生產停機和設備損壞可能造成什麼樣的財務後果?隨著潛在攻擊面數量的指數級成長,物聯網的安全必須能夠全面普及、穩健以及快速恢復(圖1)。 圖1 物聯網設備和威脅的指數成長 為什麼物聯網安全不能只依靠軟體? 試圖竊聽或非法獲取資訊並不是什麼新鮮事。最早記錄的事件包括1985年荷蘭電腦研究員威姆.凡.艾克(Wim van Eck)的努力投入。他透過截獲和解碼的電磁場顯示器竊取(讀取)資訊。他的開創性作為強調了一個事實:利用少量廉價的元件,仍可以繞過昂貴的安全措施達到目的。 如今,這種非侵入和被動式的電磁側通道攻擊變得更加複雜,並且成為攻擊者眾多武器的其中之一。其他側通道攻擊方法包括微分功率分析(Differential Power Analysis, DPA),通常與電磁側通道攻擊一起進行。透過這種攻擊方式,加密金鑰、密碼和個人身份等敏感資訊,可以在執行加密處理指示時,經由物聯網設備微控制器的電磁訊號被「洩露」。如今,寬頻接收器作為軟體定義的無線電應用已可以廉價取得,可用於檢測和儲存作業時間線上的電磁訊號模式。 DPA是一種稍微複雜的竊取方式。簡單的功率分析用於測量設備在操作過程中處理器的功耗。由於處理設備消耗的功率因執行的功能而異,因此可以透過放大功耗時間表識別離散功能。基於AES、ECC和RSA的加密演算法功能需要大量運算,並且可以透過功耗量測分析來識別。檢查功耗可以發現以微秒為間隔的密碼學經常使用各個數位運算,例如平方和乘法。DPA在簡單的功率分析中增加了統計和糾錯技術,以達成祕密資訊的高精度解碼。 攔截透過有線或無線通訊方式傳輸的資料也可能會洩露機密資訊。隱蔽通道和「中間人攻擊」是利用監聽IoT設備與主機系統間的通訊,用來收集資料的有效方法。但對這些資料進行分析可能須放棄控制設備的協定棧,也可能洩漏操控遠端連接設備所需的私密金鑰。 駭客使用的另一種攻擊技術是針對未受保護的微控制器(MCU)和無線系統晶片(SoC)設備植入故障碼。就最簡單的方式而言,該技術可能降低或干擾微控制器的供電電壓,並呈現不穩定的錯誤情況。隨後,這些錯誤可能會觸發受保護的其他設備打開保存機密資訊的寄存器,進而受到侵入。竄改系統的時脈訊號,例如更改頻率,植入錯誤的觸發訊號或更改訊號電平,也可能導致設備產生異常狀況,並傳播至周圍的IoT設備,造成私密資訊暴露或控制功能被操控的潛在威脅。這兩種情況都需要實質造訪設備上的印刷電路板(PCB),而且是非侵入性的。 由於許多IoT設備的保護措施都是基於軟體的安全技術,因此資訊安全容易受到入侵。標準密碼加密演算法,諸如AES、ECC和RSA之類的軟體堆疊,都運作在微控制器和嵌入式處理器上。如今使用價格低於100美元的設備和軟體,不但可以觀察功耗,也可使用DPA技術取得私人金鑰和其他敏感資訊。甚至不必成為這些分析方法的專家,就能利用現成的DPA軟體工具自動完成整個過程。諸如此類型的攻擊已不限於理論領域,現在已被全球的駭客廣泛使用。 隨著各種攻擊面向的不斷增加,物聯網設備和系統的開發人員需要重新考慮其執行和整合安全防護功能的方法,如此才能具備更加穩健和快速回復安全的能力。 OTA更新確保硬體安全 如果設計新的IoT設備,必須徹底檢查該設備可能面對的攻擊以及必須加以防範的威脅模式。嵌入式系統的設計規範通常始於產品要求的功能及其工作方式,從源頭審查安全需求並將其納入產品規格是謹慎的第一步。大多數IoT設備預計可以使用很多年,在這種情況下,必須透過空中更新(Over the Air, OTA)進行韌體更新,而僅此功能就需要考慮進一步的攻擊面。要防護所有攻擊面向,需要從晶片到雲端確實執行硬體安全的設計模式。 IoT硬體安全建置要素分析 本節將探討一些硬體的安全技術,這些技術可為IoT設備提供可靠的安全機制。從晶圓廠開始即在硬體中實現安全性,並創建一個無法更改的固定識別證,這樣做的目的是嘗試破壞此類IC或設備的代價將遠高於攻擊軟體安全性漏洞的成本。在選擇微控制器或無線SoC時,嵌入式設計工程師應認知到,基於硬體設備安全的功能審查標準與其他設備,諸如時鐘速度、功耗、記憶體和週邊設備同樣重要。 信任根 對於任何基於處理器的設備,建立信任根(Root of Trust, RoT)是硬體驗證啟動過程的第一步。在晶圓廠製造IC晶圓的過程中,RoT通常作為根源的金鑰或映射嵌入到唯讀記憶體(ROM)中,RoT不可變,並在設備啟動過程時形成錨點以建立信任鏈。RoT還可以包含初始啟動映射,以確保從第一個指令執行開始,設備運作的是真正且經過授權的代碼。這種RoT可保護設備免受外來軟體的攻擊危害。 安全啟動過程 創建信任鏈的下一步是確保啟動設備使用安全的啟動過程。使用經過身分驗證和授權的RoT映射完成第一階段的啟動後,啟動的第二階段就開始了。隨後,安全載入程式驗證並執行主應用程式碼。圖2展示使用雙核心設備的方法,而且這個過程也可以使用單核設備進行。如果需要,安全載入器可以在代碼執行之前啟動更新過程。 圖2 信任根和安全啟動過程 另一種大幅提高基於硬體安全性的技術是使用無法複製的物理特性功能(Physically Unclonable Functions, PUF)。PUF是在晶圓製造過程中,於矽晶片內創建的物理特性。由於無法預測的原子結構變化及其對固有柵極或記憶體電子性能的影響,PUF為半導體元件提供了唯一的身分標誌。 從本質上來說,不可預測/混亂的差異為每個IC創建了一個獨特的「指紋」,實質上是一個數位出生證明。它們不可複製,即使試圖使用相同的製程和材料重新創建一個相同的IC,所生成的PUF也會不同。利用PUF技術,包括單向轉換函數(利用空間可變性)或反覆運算的挑戰─回應機制(利用時間可變性),從中提取可重複的加密金鑰。 PUF非常安全,並且具有防竄改能力。PUF可將安全金鑰儲存區中的所有金鑰進行加密,金鑰在啟動時會重新生成而不儲存在快閃記憶體中,而且必須對單一設備發起全面攻擊才能提取金鑰。 PUF包裝的金鑰也可經由應用程式處理,同時保持機密。這種技術和複雜性實質上需要侵入奈米等級的矽晶片,其目的是要進行反向工程或在執行PUF基礎下取得完全複製的分子變異,這對大多數(即使不是所有)入侵者來說都是難以做到的。也有晶片業者將硬體安全嵌入每個安全無線SoC和模組的核心。安全整合涵蓋整個產品生命週期,從晶片到雲端以及從最初的設計到整個生命週期結束(圖3)。 圖3 設備在整個生命週期中,硬體安全應注意的事項 安全元素 藉由在硬體中提供安全功能,對手在嘗試入侵或攔截機密資訊時將面臨艱鉅、昂貴且徒勞無功的困境。具有全面硬體安全功能的安全性群組件,可將安全性與主機隔離。通常安全元素的屬性是經由獨立的晶片提供。 安全元素具有四個關鍵功能以增強設備安全性:RTSL的安全啟動,專用的安全內核,真正的亂數產生器(TRNG)和鎖定/解鎖的安全調試。使用RTSL的安全啟動可提供可靠的韌體執行並保護免受遠端攻擊。 專用的安全核心結合了DPA對策,其中包括使用隨機遮罩來保護內部計算過程,並將矽晶中執行的這些計算時序隨機化。TRNG使用不確定的高熵隨機值來幫助創建強大的加密金鑰,並且符合NIST SP800-90和AIS-31標準。安全調試鎖定調試介面,以防止晶片在現場作業時受到入侵,並允許經過認證的調試介面解鎖,以增強故障分析能力。 Silicon Labs提供了Simplicity Studio作為上述硬體安全功能的補充,Simplicity Studio為一整合的開發環境(IDE),由一系列軟體工具組成,可簡化開發過程。Simplicity Studio的其他功能還包括查看設計的能耗設定檔和分析無線網路通訊的功能。Silicon Labs是安全物聯網聯盟(ioXt)的成員。ioXt使用國際公認的安全標準定義的認證過程,透過該過程對設備進行評估和評等以確保其安全運作。 維持硬體安全可降低功耗 除了實現強大的安全性並降低成本外,使用基於硬體的IoT安全還提供了降低功耗的優點。在軟體中執行加密演算法會為微控制器帶來巨大的運算負擔,增加功耗並縮短電池壽命。將加密處理分流到專用安全核心可實現更節能和更高性能的設計。所有連接設備的安全威脅無處不在,並且不斷變化。過去,基於軟體的安全技術運作良好,但已延伸為潛在的攻擊面。使用基於硬體的方法可實現安全性,現在並被認為是實踐整體和穩健安全機制的唯一可行方法。 (本文作者為Silicon Labs全球資安長)
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三大應用領域需求看漲 半導體異質整合勢不可擋

觀察這些應用領域需求可發現,若將晶片需求分為小體積、低延遲、低成本、高效能、低功耗等五大需求,對於半導體晶片的功能與規格皆不相同,如穿戴裝置主要著重在小體積、低功耗、低成本等需求,對於效能及延遲性要求相對較低;資料中心則為了因應高速運算的需求,因此較著重在高效能、低延遲的快速反應能力。 資策會MIC產業分析師黃馨 手機/醫材/自駕車 晶片需求大不同 針對上述所提到的五大晶片需求,以下將以手機、智慧醫療器材及自駕車等三個應用領域產品作為舉例,透過這三大應用領域的需求剖析,可發現未來晶片的發展不僅將朝向更多元件的整合,且隨著產業需求的不同,未來晶片將朝向客製化的走向發展。 手機著重RF模組整合 為因應不同通訊階段的頻譜要求,手機內整合的元件也有所不同,特別是在RF射頻模組的整合。RF前端模組主要包含功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、濾波器、開關和被動元件等,讓訊號能夠在不同頻率下進行收發。隨著未來頻段的要求變多,RF模組除了需要有更高的整合度外,未來面對5G毫米波的興起,為了滿足高頻寬、低延遲及大量連線等需求,天線和RF模組必須整合,也因此未來通訊相關模組的元件整合將變得更加多元且大量。 醫療影像器材體積減小/元件增加 以腸胃鏡為例,過去腸胃鏡長度達200公分,對於彎曲的小腸檢視無法輕易達成,且易造成病患不適,膠囊內視鏡應運而生。相較傳統腸胃鏡,膠囊內視鏡大小僅有長2.6公分、寬1.1公分,膠囊內包含微型照相鏡頭、光感測器、影像傳輸器、迷你相機等元件。 未來,生物學家更提出微生物組療法,透過在細胞中植入感測器及記憶體組件方式進行疾病診斷,因此可發現,醫療影像器材體積逐漸減小的同時,整合元件數卻將持續增加。 自駕車整合感測元件/處理器/記憶體 為了賦予自駕車具備感知外界環境的能力,現階段自駕車的發展著重於搭載各種感測器做為感知媒介,包含光達、雷達、相機等。隨著未來自駕車等級的進步,對於自駕車中的電腦系統要求,將從現在的駕駛輔助到未來的完全自動化駕駛,效能要求的遞進不僅使得未來自駕車元件模組增加,同時配合自動化回應的趨勢,感測元件必須將感測內容,快速傳遞至處理器並迅速做出反應,因此感測元件與處理器及記憶體的整合,將成為未來的發展重點。 未來晶片趨向異質整合/客製化  從上述的三大應用領域需求可發現,未來晶片的發展不僅將朝向更多元件的整合,且隨著產業需求的不同,未來晶片將朝向客製化的走向。 隨著市場需求的發展,產品複雜度的提高使得整合元件數目隨之增加,若將處理器元件比作人類大腦,現階段產品需求,主要著重在創造更大容量且更快速運算的大腦。然而隨著通訊需求的提升,未來更重視提升大腦與外界聯繫的速度,以及透過加入眼、耳、口、鼻、手等感測元件進行感知,甚至增加大腦在感知後自動判別並執行反應等功能,因此處理器加上各式元件的做法,將成為未來產品發展趨勢。 終端產品逐漸走向多晶片且客製化的方向前進,晶片製程因為摩爾定律趨緩,開始走向透過封裝方式進行異質晶片的整合。 過去,半導體產業以摩爾定律作為主要依循的準則。根據摩爾定律定義,每隔18個月,積體電路上的電晶體數量將成長一倍,受惠於摩爾定律持續的發展,2018年,整體半導體產值達到4,800億美元的收益。 儘管台積電等晶圓代工龍頭持續挺進5nm、3nm的製程,但仔細觀察近年來摩爾定律節點成本的改變,在14/16nm之後,晶圓生產成本持續變高,摩爾定律將無法達到過去規模經濟的效益。此外,終端需求對於成本、效能、體積以及整合程度的要求日漸提高,在面對成本日益增加、終端產品走向高複雜化的情況下,晶片的整合成為半導體產業界越趨重視的方法。 晶片功能整合方式主要可分為系統單晶片(SoC)以及系統級封裝(SiP)兩種。 SoC整合度與成本皆高 系統單晶片是透過電路設計的方式,將數個功能不同的晶片整合在同一個晶片上,這樣的晶片整合程度相當高,效能表現也很好。然而由於SoC的功能整合僅限於使用同一製程技術的晶片,對於整合元件中,因考量製程成本而採用較低階製程的感測元件或MEMS等功能元件,將無法與採用先進製程的處理器、記憶體進行SoC晶片整合。 此外,SoC的開發成本卻也相當高,如台積電7nm的系統單晶片開發成本已接近3億美元,未來進入5nm世代後,更上看5億美元,也因此SoC主要用於生產量大且生命周期較長的產品,目前全球能夠投入先進製程的IC設計業者,也只剩下少數龍頭與系統大廠。 SiP異質整合超越摩爾定律 為因應SoC所面臨的製程瓶頸及開發成本過高的挑戰,系統級封裝的概念開始被半導體業界廣泛採用,更被定義為是超越摩爾定律的重要方式。SiP突破SoC的整合限制,將數個功能不同、製程不同、來源不同的晶片,透過封裝整合在同一個基板上,成為一個具備多元功能的晶片,這類的整合概念就是現在所指的「異質整合」。 隨著近年來系統級封裝技術的演進,晶片堆疊封裝使得晶片面積有效縮小,開發成本也較SoC來得低,晶片整合上更具彈性,也因此近期被廣泛應用在上市時間較短的消費性電子產品上。 3D封裝提升晶片傳輸速度/效能 異質整合的晶片模組發展越趨複雜且多樣化,技術難度也越來越高。從傳統的2D平面封裝逐漸朝2.5D封裝邁進,2.5D的封裝方式是讓晶片並排,並採用中介層(Interposer)和重分部層(Redistribution Layer, RDL)的設計進行晶片整合,透過晶片與基板間的中介層連接,大幅提高封裝接腳的訊號密度,提高傳輸速度及效能。 近年來,將多晶片垂直堆疊的3D封裝更逐漸成為業界發展重點,透過晶片間矽穿孔(Through-Silicon Via, TSV)的互聯技術傳遞訊號,TSV的串接使得晶片間的距離更短,晶片傳輸速度更快、效能更佳,整體的晶片整合度也更好,目前最廣泛的應用在多顆高頻記憶體與處理器的堆疊上。 隨著製程難度的提高,異質整合面對的挑戰也將趨於複雜。首先,異質整合使得晶片在同樣面積下,堆疊多個晶片形成多層3D架構,當晶片堆疊的緊密程度提高,晶片間散熱面積也將隨之減少。此外,晶片距離的縮短及單一晶片中越來越多的運算單元,將使電磁干擾的問題越趨嚴重,異質晶片整合度也將面臨巨大挑戰。 過去半導體產業鏈各自分工,現今隨著製程發展,面對日益增加的異質整合技術挑戰,未來半導體上中下游的價值鏈將須緊密合作,以通力解決異質整合問題(圖1)。 圖1 異質整合挑戰與半導體產業鏈關係改變 異質整合的立體堆疊架構下,多維度雜訊將比過往的訊號干擾更加難以處理,因此除了EDA廠商須提供IC設計廠更多樣化的模擬工具進行多類型訊號模擬外,在產品設計之初,整體產業鏈也需有更多的上下游溝通,包含訊號完整度、電源完整度等技術,未來皆需以產業鏈偕同模擬的方式進行。 與此同時,多層的3D架構使晶片散熱面積減少,不只須仰賴材料及設備廠提供更多創新的材料來克服發熱問題,產業鏈也需透過熱模擬的方式,找出功耗較低、散熱效能較高的晶片及導熱效果較佳的封裝架構。 產業鏈緊密串連必不可缺 異質整合晶片來源、製程的不同,使得整合難度上升,晶片必須透過系統級的完整分析及3D模擬,避免系統分割時區塊不夠精確的問題。另外,晶片的厚薄與晶片的精準堆疊也是異質整合相當關鍵的成功要素,也因此,未來上下游協同設計將成為產業發展的趨勢。 面臨異質整合的技術挑戰,未來半導體產業鏈關係將需要透過更緊密地協同設計、協同模擬等方式進行合作。 然而由於看好異質整合的發展效益,產業鏈中的IC製造廠及EMS廠紛紛依循自身優勢投入IC封測產業,面對這樣的產業鏈分工重組,未來IC封測廠將會有部分產品及技術與IC製造廠或是EMS廠重疊的情形,因此產業鏈競合關係將有所改變,面對封測業務市佔將被瓜分的IC封測廠而言,在未來垂直應用領域的客製化市場中找尋快速商用化的模式將是IC封測廠未來的利基。 (本文作者為資策會MIC產業分析師)  
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晶片設計內銷轉出口 客製化成Cisco首要挑戰

Cisco在網路晶片設計上深耕多年,過去從未採用晶片獨立銷售策略;而今面對市場變化,愈來愈多的企業放棄自行搭建私有網路,轉而使用雲端服務,考慮市場空間萎縮,加上大型資料中心技術架構的改變,對交換器與路由器網路設備市場皆造成衝擊,直接影響Cisco的核心業務收益,此次Cisco決定單獨出售交換器晶片,而這也是Cisco近年來最具突破性的銷售策略。 上述市場變化也促進大型資料中心與雲端服務提供商的發展機會,然而大型雲端服務提供商常有白牌交換器採購搭配自家開發的軟體方案的部署策略,因此交換器品牌業者近年來也陸續提出開放式解決方案,與白牌代工業者共同競爭,市場版圖挪移也逐漸侵蝕Cisco的市占率。此次Cisco決定單獨出售交換器晶片即是回應市場變化,亦為Cisco近年來最具突破性的銷售策略。 新的銷售策略包含客戶得以因應不同的商業模式採購所需技術,對Cisco來說,Silicon One不僅會為Cisco自家產品所採用,還可以直接對各大服務提供商及其潛在合作夥伴進行出售,新品發布的同時,Cisco也表明目前主要出貨客戶為Microsoft與Facebook。 帶領Cisco進入交換器晶片市場的產品主要是網路矽晶片架構Cisco Silicon One,以及建基於全新矽晶片的Cisco 8000系列電信等級的路由器產品。 Silicon One的最大亮點是提供統一的可編程矽晶片架構,其將助力營運商降低營運成本,並在更短的時間內推出新的業務服務;而單晶片系列也允許針對不同應用程序執行各種網路相關的功能,如回程、核心、邊緣與交換等,在性能上確然有其優越之處。Silicon One也是第一款設計用於電信營運商、大型雲端服務供應商、在網路規模市場中通用的網路晶片,未來將成為Cisco路由器產品系列的基礎,在性能上,網路傳輸效能高達每秒25Tbps。 首款Silicon One「Q100」型號可在不影響可編程性、緩衝、能源效益且保持功能彈性的情況下,提供超過10Tbps的網路頻寬,新產品在定位上標榜大容量、低成本的優勢,彰顯Cisco切入市場的發展利基,希望藉此滿足大型雲端服務業者對容量及性價比的需求。 交換器晶片大廠動態與新品盤點 Marvell自2018年起陸續進行多個併購案,首先是2018年收購伺服器處理器知名廠商Cavium,取得ARM處理器架構開發的ThunderX系列產品;2019年後再分別買下特定應用積體電路(Application-specific integrated circuit, ASIC)業者Avera與乙太網路IC設計業者Aquantia,希望在ASIC領域再下一城。 原本Marvell在伺服器、交換器、儲存裝置就已經有對應產品,其看重Cavium在系統單晶片(System on a Chip, SoC)處理器、網路通訊、安全晶片等領域的優勢,希望能夠增加產品完整性,為客戶打造更完整的平台,在技術實力提升的同時,進一步往雲端、邊緣互連、全覆蓋等面向轉型,並深耕基礎設施、雲端控制、物聯網層級領域,最終切入資料中心市場。 得益於對Cavium的收購,2019年3月,Marvell發布了將會應用於邊緣運算市場的交換器晶片Prestera CX 8500(以下簡稱CX 8500),最高可支援12.8Tbps頻寬,除頻寬表現亮眼外,更大的特點是模組化晶片設計給CX 8500充分的靈活性,多核封裝下的晶片可支援業界最高的一千個Port,將原有的資料中心四層架構精簡為兩層,對成本的降低和維運管理性都有很大的幫助。 為邊緣運算處理而生的CX 8500可根據不同需求增減模組中的晶片數量,進一步為客戶打造客製化解決方案,尤其邊緣運算數據量不比雲端運算規模,不見得需要到12.8Tbps的傳輸需求(一般會出現1~4T不等的頻寬需求),此種應用就較適合選用Marvell的解決方案。 作為一款模組化的晶片,CX 8500在可擴展性、散熱性以及I/O連接埠方面更具優勢,除了彈性支援2~12.8Tbps傳輸需求外,其在功耗上的表現,以數據流量增加一倍的情況下計算,系統功耗只增加20%;此外CX 8500還提供25Gbps和50Gbps兩種輸出入(Input/Output, I/O)選擇,最多支援1,000個連接埠,遠高於傳統交換器IC所支援的128個連接埠數目,進而在系統層級降低35%以上能耗,並多出25%的總暫存空間,性能表現相當良好。 收購Barefoot Networks...
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匯頂獲CEVA低功耗藍牙IP授權部署於智慧應用SoC

CEVA日前宣布匯頂科技(Goodix Technology)已經獲得CEVA RivieraWaves低功耗藍牙IP的授權許可,可將它部署在其GR551x系列低功耗藍牙系統單晶片(SoC)中。GR551x系列可協助使用者開發建基於低功耗藍牙的產品,包括智慧行動設備、穿戴式設備及物聯網應用產品。 CEVA副總裁兼無線物聯網業務部門總經理Ange Aznar表示,很高興宣布匯頂科技成為該公司低功耗藍牙IP的被授權廠商。匯頂科技是行動產業中家喻戶曉的著名品牌,很榮幸成為其藍牙IP的合作夥伴,推動匯頂科技繼續在廣泛的物聯網市場進行策略性擴展。 充分利用到CEVA低功耗藍牙IP性能的GR551x系列,具有匯頂科技的高標準產品性能和品質,並在RF、整合度和安全性方面達到了業界領先的綜合性能,從而為IoT應用的發展注入新的創新動力。
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廣覆蓋範圍/低延遲 低功耗藍牙滿足車用通訊

如今幾乎所有事物皆與智慧手機息息相關,而延伸至汽車及其吸睛的功能—電話正迅速成為汽車系統的一員,表示汽車必須採用標準的無線方案,例如低功耗藍牙(圖1)。 圖1 低功耗藍牙和智慧手機聯接在汽車中正日益普及。 儘管使用無線技術的選擇產生轉變,但針對應用如胎壓監測系統(TPMS)及金鑰卡(Key Fobs)或手機即鑰匙(Phone-as-a-Key)等技術要求仍然存在: .可靠溝通 .低延遲 .運作期間超低功耗 .持續運作但不耗盡電池電量 低功耗藍牙滿足上述技術要求,以金鑰卡應用為例,可證明其於汽車領域的優勢。金鑰卡體積小、便於攜帶,且需較長的電池使用壽命—通常為數年;金鑰卡看似大部分的時間都沒有在運作,但其實是處於睡眠模式,隨時可在需要時和於範圍內與車輛通訊,因此低功率無線工作至關重要。當按下按鈕解鎖車門時,金鑰卡必須立即回應,不讓使用者察覺任何延遲。因此,低延遲和可靠的通訊也是先決條件。同時,藍牙的普及也為使用手機代替傳統鑰匙扣提供更強的吸引力。 低功耗藍牙覆蓋範圍廣/即時回應實現可靠通訊 當今金鑰卡不僅用於鎖定、解鎖車輛,還可用於大型停車場中定位車輛,甚至可遠端啟動車輛,以便在冬季進行預熱。駕駛員並不總是離車輛很近,因此,鑰匙扣和車輛之間的通訊須在一定範圍內—包括當傳輸線被人、車輛或其他障礙物部分阻擋時。低功耗藍牙的視線範圍無障礙,可達幾十公尺,如對於典型停車場提供綽綽有餘的覆蓋範圍。 可靠性另一方面則透過回應性衡量。現在的消費者大多期望即時回應,低功耗藍牙通訊必須以非常低的延遲運作。按下解鎖按鈕和車門解鎖之間的時間差必須使駕駛察覺不到。低功耗藍牙以低延遲運作,可歸因於在低功耗藍牙系統中,聯接的設備始終處於主動開啟。當未使用時可能會進入低功耗狀態(睡眠模式),與從關閉狀態通電相比,其可更快喚醒並開始工作。但是,持續開啟的好處必不能以功耗作為代價(圖2)。 圖2 低功耗藍牙聯接提供可靠的通訊。 低功耗延長金鑰卡電池壽命 藍牙低功耗為極低功耗模式的無線通訊,由於其於電源受限的電池供電消費設備中成功應用,自然朝汽車領域拓展。金鑰卡平均每天可能會經歷20次按鍵,每次持續約6.2毫秒(ms),因此每日總執行時間僅為124毫秒,其餘時間則處於被動低功耗模式。在這段時間內,金鑰卡必須最小化功耗,以免將電池耗盡,並於運作時延長其3V紐扣電池的使用壽命。儘管汽車電池更大、功能更強,但於汽車未啟動時仍可使用金鑰卡來鎖定和解鎖汽車。由於發動機未運作,因此該操作會於電池無法充電時消耗空轉電流。其他系統如時鐘、發動機電腦的內部記憶體及無線電預設等於汽車不發動時亦會消耗電池電流,車內金鑰卡收發器也須節省功率需求。 元件尺寸輕小卻兼顧安全 低功耗藍牙無線電系統單晶片(SoC)元件已於市面流通,由眾多全球供應商製造。多個供應商供貨以及隨之而來的價格競爭,代表低功耗藍牙無線電如今是比短距離無線通訊專有元件成本更低的標準產品方案。此外,低功耗藍牙元件尺寸小、重量輕,不會增加體積或重量,皆為汽車中重要的考量因素。 促使汽車產業採用低功耗藍牙的另一個重要因素為安全性。從配對及生成金鑰至交換資料,低功耗藍牙自起初便被設計為提供安全的無線通訊方式,畢竟人們不希望他人的金鑰卡或手機解鎖自己的汽車。綜合以上優勢,使低功耗藍牙成為汽車應用中短距離無線通訊的理想選擇。 符合汽車應用要求的例子,像是安森美半導體(ON Semiconductor)的NCV-RSL10,為藍牙5認證的無線電SoC。其於峰值接收及深度睡眠模式下可提供較低功耗;於使用3V電源時,深度睡眠(I/O喚醒)僅消耗25奈安培(nA)。該產品具低功耗,由於電池較小(於Fob中)且可採集能源用於汽車TPMS,使主車輛電池耗電量少、延長電池使用壽命(用於車輛或Fob),同時使產品尺寸更小。 (本文作者為安森美半導體產品行銷專員)
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