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Previsiones para 2014: proceso digital embebido en diseños analógicos y de señal mixta

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El mercado de semiconductores analógicos y de señal mixta está preparado para evolucionar de forma muy destacable a lo largo de los próximos años. El Internet de las Cosas – en el cual miles de millones de objetos (inteligentes o de otro tipo) dispondrán de una IP y estarán conectados – ofrece abundantes oportunidades para los dispositivos y sistemas que detectan, controlan, actúan y se comunican con el mundo físico y más decididamente analógico en el que vivimos. Otra tendencia importante que es fundamental en la mente colectiva de toda la industria electrónica es el suministro de soluciones que ofrezcan un consumo reducido de energía y una mayor eficiencia energética al nivel del sistema. ¿Es posible que la invasión de la tecnología de proceso digital en el esotérico campo del diseño de chips analógicos aporte una respuesta a estas tendencias estratégicas?

PrevisionesEl diseño analógico es desde luego una “magia negra” y combinarla con la parte digital supone un proceso muy complejo en diseños avanzados de señal mixta. Sin embargo, también es cierto que resulta mucho más sencillo desde hace algún tiempo. Un factor importante que ha facilitado y acelerado el proceso de desarrollo es la creciente sofisticación del flujo de diseño de señal mixta mediante herramientas EDA que ahora permiten a los ingenieros diseñar y simular electrónica analógica y digital en diseños de señal mixta mientras se ejecuta código C de forma simultánea. Con anterioridad ha habido siempre varios grados de separación entre el diseño y la simulación de circuitería analógica y digital; cuando se unen en un solo chip, es posible que el diseño no funcione a la primera. Ahora bien, gracias a estas nuevas herramientas avanzadas de diseño, el proceso ha pasado a ser casi instantáneo, en lugar de un desarrollo que tardaba muchas semanas. Y si se añade a todo ello la creciente disponibilidad comercial de IP analógica, junto con bibliotecas digitales, el resultado es que para cualquier proveedor de chips analógicos o de señal mixta resulta mucho más sencillo y ágil obtener diseños rápidos y eficientes de una manera que hace tan solo unos años sencillamente no era posible, y desde luego no lo era para quienes no tuvieran una enorme experiencia en este campo.


Capacidad de proceso embebida
Estas capacidades avanzadas en el flujo de diseño consiguen que resulte cada vez más sencillo disponer de un procesador digital embebido en un diseño analógico o de señal mixta. Por ejemplo, no representa una penalización real la incorporación al diseño de un núcleo de procesador Cortex-M0 de 32 bit. El núcleo implementa como mínimo tan solo 12.000 puertas lógicas y de ahí que su tamaño sea casi insignificante si se compara con la electrónica analógica que lo rodea, quizás en un factor del orden 10:1, y por tanto el coste añadido por la mayor superficie del semiconductor es bajo.


La incorporación de un subsistema digital también aporta una mayor capacidad de comprobación del dispositivo, lo cual representa una ventaja extraordinaria que no se había identificado hasta ahora. Un procesador digital se convierte en un motor flexible que se puede utilizar para realizar todo tipo de pruebas y calibración en el propio chip en CI SoC (sistemas en chip) de señal mixta, lo cual facilita la validación de la electrónica analógica. Otra ventaja es la mayor integración del sistema y por tanto el menor coste total del sistema final. Lo más frecuente es utilizar un microcontrolador autónomo en un diseño personalizado junto con un chip analógico o de señal mixta. En la actualidad un suministrador de chips analógicos ocupa una posición mucho más favorable para ofrecer un mayor nivel de integración. Desde luego es posible que esto no se cumpla; por ejemplo, es posible que algunos suministradores deseen utilizar el procesador digital para realizar pruebas en el chip y no necesariamente que lo abran a los clientes para el desarrollo de funciones. Sin  embargo, en términos generales se trata de una propuesta de valor muy clara para un suministrador de chips analógicos. En el otro lado de la ecuación, los principales suministradores de circuitos digitales tratan de ampliar su catálogo de proceso digital con componentes analógicos.


Mejora de la eficiencia energética del sistema
Si bien esta nueva y emergente generación de dispositivos de señal mixta está en condiciones de cumplir los requisitos del Internet de las Cosas, el punto clave consiste en que un procesador digital embebido mejore notablemente la eficiencia y las prestaciones del sistema en su conjunto, lo cual representa un enorme ahorro en el consumo de energía.


¿Qué puede hacer la electrónica digital para mejorar las prestaciones de los componentes analógicos con el objetivo de mejorar el consumo de energía del sistema? Un ejemplo concreto y muy importante es el control de motores, en el cual es evidente que la electrónica de potencia y la electrónica analógica son absolutamente cruciales. Un procesador digital puede mejorar notablemente la gestión de la velocidad y/o la rotación del motor, ofreciendo así un ahorro potencial en el consumo de energía del orden del 40%. Y los motores en este ejemplo son motores grandes en aplicaciones industriales, y no necesariamente productos de bajo coste como juguetes. La tecnología digital no sustituye o elimina la parte analógica; simplemente permite que el control digital mejore la calidad del sistema en su conjunto.


Por tanto con estas prestaciones avanzadas, junto con las mayores posibilidades de integración y los niveles más elevados de funcionalidad en el chip, el rendimiento de la inversión puede ser muy rápido con la incorporación de un núcleo procesador digital pequeño y potente. La confirmación de todo esto es que están llegando al mercado dispositivos analógicos y de señal mixta con capacidades de proceso digital embebidas. Un ejemplo es un procesador de señal mixta de Analog Devices, el ADSP-CMX40X, que incluye un procesador Cortex-M4 y permite a los desarrolladores de accionamientos de motores añadir más funciones al silicio. El dispositivo se dirige especialmente a aplicaciones con un consumo eficiente de energía en mercados industriales y está diseñado para proporcionar un control más preciso del motor en accionamientos de motores, inversores fotovoltaicos y servocontrol en lazo cerrado. Un segundo ejemplo es la familia XMC4000 de Infineon, también con un Cortex-M4 embebido. Este dispositivo también tiene como objetivo aumentar la eficiencia energética en aplicaciones industriales. Un tercer ejemplo es la licencia para Dialog Semiconductor del procesador Cortex-M0, que la compañía tiene previsto utilizar como controlador en una gama de CI de gestión de potencia para control, de potencia y gestión de la batería en smartphones o tabletas.


Futuro
Dentro de unos pocos años, o incluso antes, es posible que la inmensa mayoría o al menos un elevado porcentaje de diseños de chips analógicos y de señal mixta integre un subsistema de proceso digital de altas prestaciones para su control y gestión, y también para permitir que los desarrolladores añadan su propio código de software por encima. Es de esperar que las principales aplicaciones sean el control de motores y electrónica de potencia, y en la actualidad la inmensa mayoría de estas aplicaciones son básicamente “tontas”. Al dotarles de inteligencia digital, en el caso de los motores existe un ahorro potencial de enormes cantidades de energía. Una estimación realizada recientemente indica que los motores eléctricos consumen un 40% de toda la energía eléctrica mundial y gran parte de ella corresponde a los accionamientos de motores industriales. Por tanto, un reducido tratamiento digital de la parte analógica podría reducir enormemente el espacio ocupado con los consiguientes efectos beneficiosos para el medio ambiente y en cuanto a coste.


Durante los próximos años, a medida que el Internet de las Cosas se vaya haciendo realidad y aumente la demanda de un consume reducido de energía, es de prever que el modelo para la próxima generación de circuitos sofisticados analógicos y de señal mixta combine electrónica analógica “en el borde” para detectar y actuar y electrónica digital “en el núcleo” para controlar, tomar decisiones y comunicar. Un sistema en chip analógico de alta integración y con control digital que tiene el potencial de ahorrar un 40% del consumo de energía de un motor industrial, tanto si se trata de un suministrador de semiconductores analógicos o digitales, es una tecnología extremadamente persuasiva que cumple todos los requisitos para registrar una fuerte demanda en el futuro cercano.

Autor:

Richard York fue nombrado director de productos procesadores embebidos en diciembre de 2007. Richard es responsable de marketing en ARM de productos embebidos y CPU de microcontrolador, incluyendo las series de procesadores Cortex-M y Cortex-R. También es el responsable de la hoja de ruta para productos embebidos y otros productos relacionados del ecosistema.
Richard también trabaja estrechamente con los licenciatarios y sus clientes como asesor en el desarrollo de productos y del mercado. Richard entró a formar parte de ARM en 1994 y se implicó intensamente en el diseño de los primeros procesadores ARM antes de pasar a marketing en 2000.

 

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