干货：开发可负担得起的物联网系统

图1、物联网的基本想法是通过互联网连接你可以想到的一切事物

由于半导体，传感器，软件和系统技术的结合，可穿戴设备，汽车，家庭，城市和工业等领域的物联网（IoT）市场机会都在增长。物联网边缘设备的新硬件设计每天都会出现，而这些新产品背后的公司通常可能是初创公司，或者是大公司中少数几个完全不同的人来完成的。当然，要成功地运营一个成功的企业，您必须管理现金流，因此在开始一个新的物联网（IoT）项目时，理想情况下需要在设计阶段仔细管理费用。也许你需要完成一个早期的物联网（IoT）产品原型作为概念验证，以获得生产产品的资金。

图2、物联网的关键部件

IC Insights于2017年6月发布了一份报告，报告显示2016年物联网（IoT）市场规模为746亿美元，而到2020年在上述五类应用的物联网（IoT）市场规模将达到1,241亿美元。并且物联网（IoT）边缘市场还不包括网关，服务器，电脑，智能手机或者平板电脑。

图3、IC Insights估计的物联网的市场规模

半导体产业走向何方？

五大物联网（IoT）细分市场以下列比例推动半导体收入的增长：智慧城市占59％或者108.2亿美元，其次是工业物联网40.2亿美元，联网汽车为21.4亿美元；

图4、物联网各个细分市场的收入规模

定制SoC是用于边缘设备的流行物联网（IoT）实施方法，以获得具有最长的电池寿命，性能，最轻的重量或者最小尺寸的产品。像在PCB上放置分立元件的替代方法可能不符合这些要求。与分立器件相比使用定制的SoC确实可以为物联网（IoT）应用系统提供多种优势，例如：

• 降低BOM成本

• 最小的尺寸

• 功率最低，电池寿命更长

• 更高的性能

• 更可靠

• 没有更多过时的组件

• 更大的知识产权保护，让竞争对手更难复制

• 竞争对手进入门槛较高

• 等等

在开始定制SoC的想法之前，需要明智地考虑您的成本，细分市场和市场规模，产品上市时间，竞争对手和适当的工艺节点。例如使用180nm工艺节点制作比选择使用28nm工艺节点要便宜得多，而在180nm的情况下，您仍然可以使用3.3V电源，可提供高动态范围和更好的噪声容限，这些性能指标对RF天线非常有用。

您将会听到像一次性工程费用（NRE， Non-recurring Engineering）这样的术语，其中包括EDA设计软件的价格，来自第三方的半导体IP模块以及首个获取样品的硅芯片流片的费用等。 Mentor是西门子的一个业务部门，可以为他们的定制SoC的设计和仿真提供30天的Tanner EDA工具的免费评估。

• 使用S-Edit对AMS设计进行原理图捕获

• 处理器IP - Arm Cortex-M0或Arm Cortex-M3

• 使用T-Spice进行模拟仿真

• 使用ModelSim进行数字模拟

一旦您的概念验证准备就绪，下一步就是开始实施使用软件工具和半导体IP。下图就是Mentor的SoC设计流程：

图5、Mentor的SoC设计流程

推入EDA工具箱具有四个不同的工程任务：

• IC设计

• 嵌入式软件

• 系统摸索（System Exploration）

• PCB设计

图6、EDA工具箱具有四个不同的工程任务

模拟混合信号（AMS，Analog Mixed-Signal）设计和MEMs设计均可以使用Tanner EDA工具完成，这也是您对所有物联网（IoT）传感器进行建模的地方。下图是关于AMS IC设计流程的更多细节：

图7、AMS IC的设计流程

如果您是物联网（IoT）设备需要测量诸如压力，旋转，加速度，速度或湿度之类的东西，那么可以对MEMS进行2D和3D建模，然后进行物理影响和效果分析。

图8、MEMS进行2D和3D的建模流程图

对于嵌入式软件开发的Mentor Embedded软件具有用于物联网（IoT）边缘设备的实时操作系统（RTOS，real-time operating system ）和其它工具。 Nucleus RTOS装备良好，适用于电池供电的物联网（IoT）设备，到目前为止已用于约30亿个物联网（IoT）设备中。在嵌入式软件开发期间，您可以使用Sourcery CodeBench：

图9、使用Sourcery CodeBench的软件开发

使用Sourcery CodeBench，您的团队可以使用微控制器或者微处理器，然后了解您的系统执行情况，衡量性能，甚至调试您的应用程序。

对于系统级设计和文档，Mentor拥有SystemVision云工具，可以对电子和机电一体化系统进行建模，然后对其进行模拟，以便您可以探索最佳的设计方法。

为了最终将您的SoC和传感器放置到PCB上，应该使用名为PADS Standard的软件，该软件以合理的价格提供原理图捕获和电路板布局功能。

图10、PADS Standard软件的设计示意图

目前世界上最流行的处理器架构来自Arm，他们已经制定了一个名为DesignStart Eval的程序，允许您免费进行设计和原型设计，然后在准备好生产产品时升级到DesignStart Pro。

图11、设计示意图

使用多项目晶圆（MPW，multi-project wafers ）可以实现以低成本生产IC样品，您可以在其中与其他公司共享同一个硅晶圆上的IC掩模成本。诸如MOSIS，eSilicon和EUROPRACTICE等代工厂商和公司可以协助您完成MPW物流。根据EUROPRACTICE的数据，在180纳米工艺上获得45个IC样品的成本约为16000美元，而45个样品的第二个订单的价格更低，约为2000美元。

您针对物联网（IoT）应用的特定SoC可能具有独特的要求，例如增加更多IP模块的成本，包括设计咨询，需要更小的几何工艺，需要更多EDA工具，PCB制造或者更多的MEMS分析。

图12、升级到DesignStart Pro设计示意图

全面生产是您的概念证明已被接受并能筹集到足够的资金的最后一步，因此您选择代工合作伙伴并获得掩模成本和生产报价。在180nm节点上，你可以预期的掩模成本约为15万美元，而更先进的工艺节点如90纳米，你可以期望的掩模成本约为50万美元。

总结

物联网（IoT）市场非常有前途，采用正确的方法，您可以将概念验证和使用Mentor和Arm等供应商的工程成本降至最低。

（完）