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全新技術解決IoT晶片三大問題

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Marvell(邁威爾科技有限公司)SEEDS部門負責人Wei-Ning Gan(甘衛寧)

IoT晶片面臨成本、功耗、大小的三大問題,各廠商紛紛推出自己的省電方案,以進階及高度整合製程來減少面積,進而降低整體成本。然而這些都是以既有的技術來解決上述的問題。如今Marvell推出全新的獨家技術,帶領IC設計業迎接全新的設計觀念,從根本上來解決上述的三大問題。

IoT:改變人類生活的大事情

Marvell(邁威爾科技有限公司)SEEDS部門負責人Wei-Ning Gan(甘衛寧),以「Embracing IoT Revolution」(擁抱物聯網革新)為主題,來介紹該公司的最新技術。

首先甘衛寧以早期的工業革命,人類從手工生產轉變成以機器量產,帶來經濟爆發性的成長。接下來的網際網路革命,將電腦串連起來所建構各種資訊網路,提供人類的各種資訊需求,帶來了資訊爆發性的成長。而現在IoT革命,讓物與物能夠連結在一起,為人類提供更好的生活。因此IoT將成為改變人類生活的大事情。

導致IoT發生的三大因素來自於:科技不斷的創新、裝置不斷的微小化、障礙持續降低(例如IPv4將於2019年即將用罄,而IPv6標準出爐,可讓世界每一顆沙都能有自己的IP位置)。然而IoT實際的使用案例,大多會是在智慧工廠、智慧電網、智慧建築、智慧城市,提供連結的市場、車輛、醫療照護、教育等應用,以提升人類生活品質。

從架構分析  IoT晶片具備三大挑戰

IoT端點裝置的連線類別,可以分成M2M(機器與機器)、P2M/M2P(人與機器)、P2P(人與人)三大類。到了2022年,P2P、P2M、M2M的規模將分別佔31.4%、24.32%、44.28%的市占率,由此可見M2M將是IoT的最大宗應用。

再看IoT裝置數量,2010年平均每個人有1.84個端點裝置,2015年將成長為3.47個,直到2020年將有6.58個,可見IoT裝置數量的爆發性成長。其中非運算類的端點裝置中,又以通訊類的裝置為最多。

IoT架構可以分成端點裝置(感測裝置)、IoT閘道器、網際網路、應用等四層。因此IoT每個端點到每個端點之間,其實都有運算的需求。這個運算架構可以分成三大類,也就是感測裝置本身第一層的簡單運算(Swarm Computing),這層裝置大多以MCU(微控制器)來執行;到了第二層將資料推到IoT閘道器時,需要做到較為複雜的運算(Fog Computing),該層裝置使用到MPU(微處理器)來實做;到了第三層將資料推送到雲端的複雜運算(Cloud Computing),這些裝置就必須以最強大的MCPU(多核心處理器)來實做。

由於IoT端點裝置在某些當下需要有很多活動,且要在事件發生時就要馬上回應,不能等到將資料或狀況送到雲端分析後,再從雲端接收命令才回應,這樣的時間太久。因此IoT的運算工作,有些是分給端點來做,有些才是累積到雲端來做。所以IoT端點裝置的關鍵技術,包含感測端、連結端,以及最重要的嵌入式處理端。

如今IoT晶片都面臨了三個基本挑戰:成本、功耗與面積大小。針對這些因素,Marvell推出了突破性的IC設計技術,即FLC和MoChi。

兩大IC設計創新  解決IoT晶片問題

Marvell獨家的FLC(Final-Level Cache)技術,重新定義主記憶體的分級制度。從傳統的電腦架構來看,為了提升運算效能,CPU內部往往加了L1/L2/L3階的Cache,而記憶體容量也擴充到8~16GB甚至更多,這種盲目擴充記憶體到失控的階段,只是為了讓程式都能載入記憶體來就近運算,然而平常CPU使用率很低,這種架構既佔硬體資源又會增加成本。

FLC就是用來解決這樣的問題,將傳統需要裝上8~16GB DRAM的電腦架構,變成只需要128MB~1GB DRAM並搭配SSD來當主記憶體,將平時沒在用的程式放到SSD,不需全部載入記憶體。這種透過FLC技術的電腦架構,就能配置較少量、較快速、較低功耗的DRAM。未來FLC技術將發展成可以配置Stage 1的高速DRAM與Stage 2的DRAM或DDRAM。

採用FLC技術之後,可讓原先需要2~4GB記憶體的新世代作業系統,變成只要1GB的記憶體就可以勝任。由於記憶體減少之後,在待機模式就可以在供電上減少不必要的浪費,提升電池使用時間。而且記憶體容量減少之後,可減少元件成本。

IC設計積木化  向樂高看齊

再來是晶片的部份,由於穿戴式與物聯網裝置要求的體積越來越小,而晶片的功能則要求越來越強,使得許多IoT晶片整合了許多元件,並依照市場不同的需求,開出許多SKU讓客戶選擇。但是市場變化實在太快,需求一直在改變,因此功能整合得越多,設計就得越來越複雜,處理時間也跟著增加,使得量產上市時間也跟著拉長,更會增加研發成本,這幾乎是各家IC設計公司心中的痛!

Marvell的獨家MoChi(MOdular CHIp),就是用來解決這樣的問題。傳統Single-die的SoC,整合了GPU、CPU、Wi-Fi、USB、Modem、GE、G.hn等元件,而MoChi則是將這些元件打散成一個個獨立的小元件,並透過MCi(MoChi Interconnect)介面,將每個元件內部互連起來,這樣SoC開發者就能像堆積木一樣,將所需要的元件都堆起來,不需要的就去掉,非常具有彈性,且軟體也不需要更改。

此外,MCi也可以將兩個Die做內部互連,減少佈線面積,成為MCM(多晶片模組)。運用Marvell FLC與MoChi技術的晶片與開發板,預計於2015年底正式發布,屆時便可解決IoT晶片在大小、耗電與成本上的三大設計問題。