迅杰科技採用Arm Cortex-M核心 實現筆電EC晶片功能升級 智慧應用 影音
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迅杰科技採用Arm Cortex-M核心 實現筆電EC晶片功能升級

  • 李佳玲台北

AFA計畫的目的在於協助業者降低進入門檻,加速創新和SoC設計。Arm
AFA計畫的目的在於協助業者降低進入門檻,加速創新和SoC設計。Arm

對筆記型電腦來說,Embedded Controller(嵌入式控制器,簡稱EC)扮演著好比隱形管家的重要角色,舉凡電源管理、溫度管理、人機介面等各種功能,都是藉由這顆晶片完成,使筆電能在提供強大的運算能力之餘,亦能以更好的使用體驗來滿足消費者需求,同時EC也是為筆電帶來特性差異化的重要關鍵。

迅杰科技(ENE Technology)已在EC晶片領域耕耘了超過20年,是全球主要的EC晶片供應商之一。隨著筆電功能的持續演進,推升了對具備更高處理能力EC的需求,以支援各種創新應用。在本文中,將介紹EC的主要功能與發展趨勢,以及迅杰為因應市場需求,採用Arm Cortex-M3核心,開發出適用於高階消費性筆電的最新EC產品,並採用Arm Cortex-M4核心,開發支援Chromebook的新款EC產品。

迅杰KB106x晶片主要特性。Arm

迅杰KB106x晶片主要特性。Arm

迅杰KB106x能以單一EC晶片支援NKRO與動態光源功能。Arm

迅杰KB106x能以單一EC晶片支援NKRO與動態光源功能。Arm

迅杰針對二合一翻轉筆電特別開發的G-Sensor Fusion解決方案。Arm</g-感應器融合(g-sensor>

迅杰針對二合一翻轉筆電特別開發的G-Sensor Fusion解決方案。Arm

一、筆電用嵌入式控制器(EC)概要

EC主要功能

在筆記型電腦中,EC最早是由鍵盤控制器逐步演進而來的,主要功能是用來負責筆電系統中的慢速I/O控制,而高速運算都是由CPU來處理。這些慢速I/O所負責處理的主要功能包括了電源管理、溫度監控管理、以及人機介面控制等。在實際的消費者體驗中,包括充電指示燈及各種功能鍵燈的亮起、CPU溫度太高時啟動風扇運轉,以及近年來在電競筆電上支援的動態光源效果,使鍵盤與週邊裝置能隨著電玩情境同步亮燈等,都是透過EC實現。

EC晶片的主要功能包括:

1.電源管理:EC晶片可以監測和管理筆電的電源供應,包括電池的充電和放電,以延長電池的使用壽命和最佳效能。其中,需要用很多GPIO接腳來產生電源序列生成(power sequence generation),以便在系統不同的狀態下進行轉換,並利用GPIO,根據系統狀態,來開關不同的裝置。最後,使用I2C/SMBUS來控制充電器或讀取電池電量資訊,以控制電池的充放電,延長電池壽命。

2.溫度監測:EC晶片可以監測筆電的溫度,並在需要時調整風扇的運轉速度,使筆電適當散熱,讓筆電發揮最大的效能。這是透過電源管理的工作週期來控制風扇轉速,以及FANFB讀取風扇轉速,並搭配ADC/SMBUS/PECI讀取熱源,一起執行溫度管理來完成的。通常,不同筆電都會有其自有的溫度表,EC可參考這些資訊,以決定多少溫度該用多少轉速來降溫。

3.人機介面控制:EC晶片負責處理筆電的鍵盤和觸控板輸入,並將它們轉換為電腦可以理解的訊號。其中包括,內建執行鍵盤功能所需

的鍵盤掃描器、以及觸控板的PS/2介面。此外,還內建了LED控制所需的PWM/GPIO,以以控制筆電上的LED指示燈,如電源狀態、電池狀態等。在週邊方面,則有感測器存取用的I2C/SMBUS、SPI。

4. 硬體設備控制:它還可以管理其他硬體設備,如USB埠、音訊設備等。其他功能,還包括系統除錯、EC除錯、自動載入程式碼等。總之,EC晶片在筆電中扮演著控制和管理硬體設備的重要角色,使筆電能夠全面性地正確運作,並提供令人滿意的使用者體驗。

EC發展趨勢

儘管筆電是發展較為成熟的市場,但隨著各種新功能、新應用的導入,例如Type-C Power Delivery功能、電玩應用需求的興起,以及筆電新產品推出,例如二合一翻轉觸控筆電、電競筆電、Chromebook等,使得EC控制器需要支援的任務越來越多。因此,EC的發展趨勢為需要具備更強的處理功能,以及內建較多的SRAM/eFlash資源。

以電競筆電為例,除了在硬體效能、顯示技術、散熱系統和設計方面有更高的要求之外,為了滿足玩家的使用體驗,近來也日益強調RGB燈效等,以與遊戲設備結合。對此,微軟和品牌業者都開發相關的動態光源技術。為了簡化系統設計,EC晶片與LED控制器必須作更緊密的結合。

此外,隨著資訊安全的重要性日益提升,也帶動了商用以及消費性筆電所使用的EC,開始需要導入安全性驗證的相關功能,這亦使得EC供應商必須提升其產品效能。

至於Google力推的Chromebook,也是業界矚目的新焦點。與傳統的Wintel架構筆電不同,Chromebook EC須具備執行即時作業系統(RTOS)的能力,不僅設計方式與一般NB不同,並且需求較高的運算資源。對既有EC業者來說,是新產品與新市場的拓展。

二、Arm Flexible Access (AFA)計畫協助迅杰開發EC

Arm Flexible Access(AFA)是由Arm推出的設計授權計畫,目的是讓各種規模的公司和設計團隊更容易獲得使用Arm架構的處理器核心和相關技術的授權,是降低SoC開發門檻,提供更靈活的設計授權選項,進而促進更廣泛的創新和開發。

Arm Flexible Access計畫的主要特點包括:

1. 靈活的授權模式: Arm Flexible Access計畫允許設計團隊選擇授權核心和技術,以滿足其特定的項目需求,以助於業者選擇最適合其產品的設計元件。
2. 設計授權和工具: 計劃提供了使用Arm處理器核心的設計授權,以及相關的開發工具、模型和資源,以助於加速產品開發過程。
3. 逐步升級: 設計團隊可以從較小的專案開始,並在需要時逐步升級到更高階的設計授權,以支援不同階段的產品發展。
4. 技術支援: 計劃包括Arm的技術支援,以協助設計團隊解決在開發過程中可能遇到的技術挑戰。
由於Arm Flexible Access是以預付、免成本或低成本的方式,提供客戶取得各種 Arm IP、工具及訓練課程。客戶能以完整的產品組合進行實驗與設計,直到客戶確認設計,才需在生產製造時支付授權費,並且僅有最終系統單晶片設計中包含的IP才需支付權利金。

對於迅杰而言,AFA的開發工具能協助ENE做無縫的平台轉換,AFA包含的廣泛的IP能協助客戶針對子系統進行完整的探查與評估,了解其客戶實際工作負載適用何種MCU,此外,由於AFA內含的Corstone子系統是已經預先整合與驗證過的IP子系統,使得迅杰能縮短產品上市時間。
 
三、因應市場需求,採用Arm Cortex-M核心實現產品升級

迅杰科技(ENE)簡介

成立於1998年的迅杰科技(ENE Technology),是一間總部位於新竹的晶片設計業者,早期是以開發鍵盤控制晶片、讀卡機晶片起家,在2007年股票上市。近年來,該公司產品是以筆電用EC(嵌入式控制器)為主,並逐步擴展至觸控MCU、以及電競PC/NB用的LED MCU等,致力成為可攜式資訊產品應用IC的領導廠商。

迅杰雖是一家小型的晶片設計公司,但憑藉著在鍵盤控制器、EC等領域超過20年的長期耕耘,目前已是全球主要的NB EC供應商。迅杰亦由最早透過提供相容EC晶片的方式進入市場後,轉換為透過提供客製化設計,以最適切的規格滿足客戶需求,並同時整合客戶的外部週邊線路,達到降低整體使用成本的目標。

就EC市場來看,目前市場應用主要分為商用筆電和消費性筆電兩大塊,前者較重視安全性、妥善率、電池續航力等,後者較重視性價比。目前迅杰的主要市場是以在消費性筆電為主,因為消費性筆電價格競爭激烈,所以主要的設計考量是提供具成本效益、且能滿足客戶需求的產品。

NB領域,幾乎所有的晶片都是標準化,不同品牌業者的NB產品功能差異並不大。但EC卻不是標準化產品。在消費性NB市場,EC的韌體程式碼都是客戶自行設計的。透過自行設計,實現差異化特性。多年來,迅杰的韌體與硬體研發人員均致力於協助客戶開發差異化產品。透過與客戶的密切合作並提供深化服務,目前幾乎NB產業中主要的品牌廠商均曾與迅杰合作,累積了深厚的支援客戶解決問題的經驗,成為客戶信賴的合作夥伴。

此外,在其他產品線的擴展方面,雖然從2005年起,迅杰的營收是以EC產品為主要來源。但隨著市場演進,近年來,迅杰積極在PC系統或週邊找尋其他MCU的應用商機,陸續佈局了觸控、LED及PD等應用。

LED MCU主要是鎖定電競市場的動態光源應用,例如機殼、顯示卡等週邊的燈光與電玩情境同步;觸控MCU是針對小家電面板的應用;PD則包括Type-C適配器/轉接器等。

目前LED MCU已有內建Arm Cortex-M0的產品上市,主要應用在主機板、螢幕及機殼。從既有的8051程式基礎升級到採用Arm Cortex-M0,主要是因為需要更大的32位元程式碼空間,提升產品效能。

在觸控產品方面,雖然8051足以支援單純觸控及簡單顯示功能(如家電操作面板),但為了滿足客戶更多的應用處理需求,迅杰規劃未來也會把觸控MCU升級至Arm Cortex-M0解決方案。

為何選用Arm-Cortex-M核心升級EC產品?

長久以來,EC都是採用傳統的8051架構,便足以滿足筆電的應用需求。然而,8051在執行數學運算時效率較差,無法充分支援感測器相關應用。由於近來筆電日益重視人機介面設計,以使用者體驗作為主要的差異化特性,因此需要EC具備處理感測器原始數據的能力。

隨著AI應用興起,迅杰希望能提升EC的運算效能,除了支援一般EC需要處理的事務,還能有餘力處理感測器的原始數據,使筆電能藉由這些感測器實現AI功能。

例如,透過ToF(Time of Flight,飛時測距)、近接感測器的資訊讀取,用來偵測是否有人或物品在筆電前方,並運用這些偵測機制來整合系統功能,使系統可以自動調整電源管理,達到節能省電目標。

對消費性筆電用EC來說,在兼顧升級運算能力與成本效益的考量下,加上Arm的AFA計畫,可降低產品開發的門檻,加上Arm堅強的生態系統支援,因此迅杰決定採用Arm Cortex-M3核心來開發鎖定高階消費性筆電,特別是電競筆電的EC新產品。

最新EC產品– KB106x介紹

內建Arm Cortex-M3核心的新款KB106x,是迅杰EC產品的重大升級,在執行速度、規格、效能等各方面,都較先前產品有顯著的提升,鎖定要求更高運算能力的EC應用,能夠快速處理更多的EC事務。此外,延續迅杰重視客戶服務的精神,新產品亦提供了完備的除錯介面、除錯器、工具鏈等支援,以加速產品開發時程。

<整合NKRO與LED控制器在單一EC晶片中>

在KB106x提供的特性中,值得一提的是針對近來興起的電競筆電市場,迅杰開發了防鬼鍵(Anti-Ghosting)功能,及內建較多的電源管理控制器,可以支援更多的LED控制以及微軟最新的動態光源(Dynamic Lighting)功能,使電玩應用程式能夠直接控制LED燈效,與電玩的使用情境同步。

所謂NKRO(N-Key Rollover),亦即防鬼鍵功能,是指一種特殊類型的電腦鍵盤,能夠支援多個按鍵的同時輸入,不會出現按鍵衝突的情況。此功能在需要同時按下多個按鍵的情況下非常有用,特別是在玩電子遊戲或進行快速打字時,藉由提供更高的準確性和反應速度,可以減少玩家出錯的機會。

由上圖可看出,目前針對NKRO與LED驅動器的支援,常見的設計方案是在EC之外,再增加一顆或兩顆獨立式晶片。而迅杰在其KB106x晶片中,把這兩個功能整合在一起,僅需單一晶片就能實現電競筆電要求的最新應用,大幅減化設計。

此外,迅杰特別開發另一項功能 ─ G-感應器融合(G-Sensor Fusion)解決方案,則是專為二合一翻轉筆電(convertible NB)所設計。這是近年來一種受歡迎的筆電產品,透過中央的轉軸翻面,可靈活切換為筆電或平板的使用模式。

至於筆電或平板模式的判斷,需依賴EC計算出螢幕與鍵盤之間的角度來決定。迅杰之前基於8051的EC晶片,若要直接執行三角函數運算,非常費時。為克服此問題,迅杰特別開發出利用簡化數學運算及透過查表方式,使客戶僅需要一小段程式碼以及很短的處理時間,就能計算出夾角資訊。這是迅杰對此問題開發的特殊設計,但對大部分的感測器應用來說,並非都能透過這種特殊方法來解決。因此,透過採用Arm核心,迅杰將能進一步提升這些特殊運算的處理能力。

未來產品規劃

Chromebook是近年來Google力推的新產品。與傳統NB不同,Chromebook EC的韌體程式碼並不是由各家EC供應商自行設計,而是採用Google指定的即時作業系統Zephyr OS,作為EC內部的韌體程式碼。因此,需要的運算資源,包括嵌入式快閃記憶體、SRAM、MCU處理能力等更高。此外,若Chromebook亦需要支援感測器相關應用,便需要內建浮點運算功能。對此,迅杰決定採用Arm Cortex-M4核心來開發Chromebook用EC。

迅杰在開發Chromebook用EC產品KB1200時,除了最終決定採用的Arm架構,在初期曾針對不同的CPU核心架構進行評估。迅杰考慮到自己是此市場的新進者,再加上目前主要客戶所使用的解決方案也都是使用Arm Cortex-M4核心。所以,基於功能相容性的考量,以及剛跨入32位元市場的迅杰,已具備了先前採用M0/M3核心開發新產品的經驗,對於Arm相關的工具鏈較熟悉,因此決定採用Arm Cortex-M4。

此新產品可執行RTOS,將鎖定更高階的市場應用,未來有機會使用在商用筆電以及Chromebook 產品,以拓展新市場。

四、結論

台灣是筆記型電腦設計與開發的全球重鎮,無論在品牌製造或ODM領域都有傑出的表現,也孕育了像迅杰這樣美,專精於開發筆電用EC晶片的IC設計業者,並成為全球主要的EC晶片供應商。

隨著近來筆電產品導入了更多的新技術與應用,也推升EC晶片的功能升級需求。對於迅杰來說,為了維持市場優勢與競爭力,將既有8051架構EC晶片升級至32位元核心已是必然之舉。然而,在公司有限的資源下,Arm不僅提供了堅強的生態系統支援、優異的產品效能,更重要的是,結合Arm Flexible Access計畫,大幅降低了迅杰開發SoC的進入門檻,加速新產品開發。

除了EC產品,迅杰的另外兩條產品線,LED控制器及觸控IC,也都將採用Arm Cortex-M進行產品升級。對迅杰而言,不斷尋求與競爭者的差異化是推動公司成長與開拓新市場的重要契機,而Arm在其公司的轉型與業務拓展方面,發揮了重要作用。

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