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“加量不加价”!0.5美元国产BLE芯片FR8016HA可以给我们带来什么?

时间:2019-12-31 作者:黄烨锋 阅读:
在近两年的贸易摩擦中,中美双方至少持续了二十几个回合的你来我往。到今年5月份BIS(美国商务部产业及安全局)将华为及其附属68家公司纳入实体清单(Entity List),以及其后还在持续中的争端续写。中国计划在2020年将半导体产品自给率由16%提升至40%,2025年则要达到70%。
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在近两年的贸易摩擦中,中美双方至少持续了二十几个回合的你来我往。到今年5月份BIS(美国商务部产业及安全局)将华为及其附属68家公司纳入实体清单(Entity List),以及其后还在持续中的争端续写。中国计划在2020年将半导体产品自给率由16%提升至40%,2025年则要达到70%。[1]

从媒体侧可观察的市场现状来看,国内越来越多的芯片制造商愿意和我们分享其芯片产品细节——以往这些厂商在持续数年的发展中都比较默默无闻,比如前不久我们报道的国产自研架构的车规级MCU产品。

国外芯片制造商在如今国际贸易大背景下,也明显感觉到了压力。比如在无线射频芯片领域,Dialog最新推出的DA14531就是一款将价格下调到了0.5美金的BLE(低功耗蓝牙)芯片,誓言要以此驱动下一个10亿IoT设备[2]。这显然是应对国产低价芯片的一款产品;不同领域的同类定位产品预计还会更多。在蓝牙芯片领域,国内厂商的应对策略,大概可以从上海富芮坤微电子有限公司的产品规划中管中一窥。

富芮坤这次和我们分享的,是旗下产品FR8016H低功耗蓝牙SoC的一些细节信息。这颗芯片的价格与上述DA14531相当,用富芮坤微电子副总裁牛钊的话来说,FR8016H是“加量不加价”的,在保持相同价位(甚至略低)的基础上加入了集成的PMU(电源管理单元)和Audio CODEC,主要定位于智能家居、穿戴类设备、电网智能电表等应用。

借此机会,我们也可进一步了解,在这个相对特殊的国际环境下,国产蓝牙芯片制造商现如今的技术发展水平,以及应对国外大厂时他们有着怎样的应对策略和思路。

换一个竞争思路

在正式开聊FR8016H之前,首先还是来看一看这款产品在富芮坤现有产品布局中的定位。从富芮坤的官方资料看来,这家公司现如今主推的两个系列产品[3],分别是“经典蓝牙音频SoC”与“超低功耗蓝牙BLE”。除此之外,富芮坤CEO黎传礼告诉我们,除了这两个系列之外,公司也考虑了更多可能性,比如“我们在WiFi这块其实也有积累,2017年WiFi芯片就有个流片版本出来了。后续我们打算让蓝牙和WiFi实现互补。”同时,富芮坤计划推出“跨界”产品,即一颗芯片同时定位经典蓝牙和BLE——这还将在后文中提到。

FR8016H就属于两者中的“超低功耗蓝牙BLE”。这颗芯片的官方手册提及:FR8016H是针对BLE相关产品的快速开发,推出的一款SoC,其中包括对蓝牙5.0的完整支持,以及富芮坤自己设计的固件和软件栈。“基于这款嵌入式32位高性能MCU,用户可以开发出各种应用。”

富芮坤更早实际就已经量产了FR8016系列,在售的具体型号有FR8016A、FR8016B。而这次推出的FR8016H则是前序FR8016系列的更新版本,FR8016支持的是蓝牙4.2,FR8016H则实现了对蓝牙5.0的支持(软件栈似已支持到5.1版本)。FR8016H同样包括FR8016HA和FR8016HB两个具体型号,区别主要是Flash容量前者为4Mbits,后者为2Mbits。

其主要配置信息包括了:

⚫ 支持蓝牙 5.0 LE,支持 2M, 1M, 500K, 125K 数据速率;

⚫ 嵌入式32位处理器,12-48MHz;

⚫ 集成150KB MASK ROM,最高48KB SRAM;

⚫ 集成4M Flash ROM,用于用户空间软件与数据;

⚫ 集成电池充电Battery Charger;

⚫ 集成LDO可以对外供电;

⚫ 单声道音频Audio CODEC。

外设接口支持包括GPIO、UART、SPI、I2C、PWM、I2S、LED(硬件LED控制器)、看门狗等。不难发现,其间特色主要就是Audio CODEC的集成,以及PMU(锂电池充电Li-battery charger+LDO)。

软件栈部分,包括L2CAP服务层协议、SM(Security Manager)、ATT(Attritube Protocol)、GATT(Generic Attribute Profile)、GAP(Generic Access Profile)。应用配置如接近感应(Proximity)、健康温度计(Health Thermometer)、心率(Heart Rate)、血压(Blood Pressure)、血糖(Glucose)、HID(Human Interface Device)都是支持的。SDK包括了驱动、OS API等,集成针对网络的SIG Mesh。

FR8016H SoC架构

更多配置详情这里不再一一列出,很多也都是此类芯片的常规标配。这里比较值得一提的是,其中提及FR8016H的主要优势在于功耗表现、连接稳定性、BOM成本。黎传礼则告诉我们,FR8016H的主要特色在:

“第一,定义比较全面;第二,连接性;第三,功耗低。”

我们尝试主要从这三个部分来做探讨,从有具体数值可寻的部分来看。第三点“功耗低”,从富芮坤给我们提供的资料来看,FR8016H的Tx peak电流8mA,Rx peak电流9.7mA,深度睡眠电流(48K保留RAM维持)平均功耗6.1μA,关断平均功耗2.7μA。前两个射频峰值电流成绩虽然尚可,但和国外厂商的竞品相比实际并不存在优势。

“BLE的产品功耗,更多强调的是整个系统,和整个系统的定义、集成的东西都有关。射频peak电流只是一部分,有些应用比如遥控器:遥控器大部分时间是处在待机状态的,所以待机的底电流就是一部分;另外整个系统是否能在更短时间内将任务完成,体现占空比,就会显得很重要。”黎传礼说。

“FR8016H芯片在射频peak电流部分,整体表现是中等偏上水平,我们还在其中集成了包括PMU、Audio CODEC这些部分,这样一来也就能够更快地将芯片唤醒,更快地将任务做完,就整个系统的角度就能降低占空比。从这个角度来说,实际使用中功耗是会比竞品更低的。”

从整个系统的角度,在划定FR8016H的应用场景之后,“定义更全面”或者说集成性,带来的其中一个优势就是在整个系统中体现更低的功耗,这是转换思路的一种竞争方式。另外黎传礼还告诉我们,下一代的8020系列产品将在射频peak电流的表现上达到一流水平。

那么上述第一点,富芮坤在FR8016H差异化竞争中,采用更全面的定义。这是怎么做的?这么做除了能够协同带来更低的功耗,还有哪些价值?

集成的Audio CODEC与PMU

这里值得一提的是,有关低功耗蓝牙相关IP部分,CEVA曾在2017年年中发布消息提及富芮坤获得RivieraWaves Bluetooth低功耗技术授权,将IP应用于FR801x系列[4],这其中应该是涵盖了FR8016H的。这里的RivieraWaves Bluetooth IP是针对BLE和经典蓝牙双模连接的一种解决方案[d]。其中包括硬件基带控制器+软件协议栈。不过FR8016H差异化竞争的核心的确在集成的Audio CODEC和PMU。

因为FR8016H在应用场景定位上,主要包括智能灯泡、智能门锁等智能家居产品,这些产品就现阶段来看一方面有提示音这类模拟音频输出的刚需,而且部分智能家居单品也有麦克风音频输入的需求——近两年离线语音识别就是相当具有指向性的趋势,尤其当智能语音助手整体仍然不是很智能,以及对操控实时性有更高要求的情况下,智能家居单品具备简单的语音指令识别特性成为一种选择。

所以FR8016H内置了16位Audio CODEC。对应DAC SNR(信噪比)96dB,THD(总谐波失真)-86dB;ADC SNR 84dB,THD -83dB。两者都支持8k/16k/44.1k/48kHz采样率,也就能够对低成本的麦克风音频输入与模拟音频输出做支持。更具体的参数如下图所示:

在PMU部分,FR8016H的Battery Charger采用可编程充电电流,对外部锂电池至多提供200mA的充电电流,内部LDO可对外提供60mA左右的电流;嵌入LVD(低电压检测电路)。

这两部分应该是富芮坤在宣传词中,“加量不加价”的主要体现。除了更高集成性能带来系统功耗更低这样的副产品,它给开发者带来的价值另外还体现在两点,其一是降低成本,其二是降低开发难度。

在降低成本这部分,最直观的体现是降低系统中外围的成本。“比如说可穿戴的手环或者儿童手表,我们将外围屏驱动、充电这些都加进来,针对能打电话的手环手表,Audio CODEC也省了。就客户在做的方案来看,外围这块整个PCB的成本能够节省将近30%。”

对需要语音识别的应用场景,市场上的某些同档竞品除了Audio CODEC,还需要外挂相对较大容量的Flash,当然还有PMU,这些外围成本的确是可以在设计中节省下来的。

对相对没那么直观的成本节省来看,“降低开发难度”实际也节约了开发时间,也是在节省开发的时间成本。而在降低开发难度的部分,“我们提供的SDK,已经把内部的充电管理、Audio CODEC,还有屏驱动这块都放进去了。如果采用独立的Audio CODEC、PMU或者屏驱动,客户还需要去把各种驱动集成到一起做开发。”

多连接与成本控制

在集成性和系统功耗的优势之外,还有一点就是“连接性”。连接性主要体现在这时颗主从一体的芯片,可在主机、从机模式间切换;在SIG Mesh之外,常规支持至多20个蓝牙设备同时保持连接,比如2主18从——这个数字的确是比较亮眼的;另外支持SIG Mesh以及私有Mesh组网协议。

“多连接支持的典型应用比如国家电网。电表需要校时,否则计费会有偏差。以前国家电网的电表用的是有线方案校表。现在采用蓝牙方案,电表需要产生无线信号来校表。一个集中器单元外面要挂很多电表,对多连接的要求就比较高,至少也需要2主3从以上。”

“现在能做到这种连接性的蓝牙芯片不多。而且从电表厂那边得到的反馈,一方面,我们产品的启动时间非常短,并且无线校表精度需要做到百万分之一,现在可能也只有我们和Nordic两家可以把准确度做得这么高。”黎传礼表示。

在支持多连接的问题上,需要“整个系统协议栈、基带等各方面的配合,这也是架构方面的问题,因为长连接跟芯片性能、保持性都会有关系。另外支持这么多连接也就需要更多的开销,包括对于存储的需求。所以在做芯片之前,在做定义的时候就要做好规划,而且架构层面的设计没有很到位的话,就需要额外的存储和芯片面积,成本也会跟着增加。”

“我们在定义的时候实际上就已经考虑了这些,在不增加太多存储和芯片面积的情况下去实现这一点。”

“无限增加存储空间和开销,要做到这种程度的多连接当然也可以。”但成本会成为一个大问题。保持成本的可控,大概是在富芮坤前期工作中投入比较多地部分。“在做到相同功能的基础上,还要比别人做得更多。那么包括代码在内的各方面就要做得足够精简,架构做得足够好。”虽然我们没法得到更具体的芯片开发细节信息,这应该也是前文所述FR8016H开发手册中BOM成本更低的组成部分。

我们认为,就这颗芯片实际支持的特性及其价位来看,FR8016H的确是具备市场竞争力的。在周边开发生态方面,“我们期望打造更加开放的生态,为客户提供更容易上手的生态。所以针对FR8016H,我们也在提供免费的开发板。客户拿到开发板之后,半天时间就能实现手机到蓝牙开发板的通讯。

相关链接FR8016HA智能设备开发板评测申请

“我们官方SDK也放在Github上,开发者、工程师不仅可以拿工程代码做参考,也可以把自己的代码、开发成果放在Github上共享。我们会和开发者在上面直接做互动。”黎传礼说,“我们跟大学也会合作,现在和清华大学的智能实验室在合作,捐赠我们的开发平台,作为学生学习和开发的环境。春节以后我们计划办个比赛,就是基于FR8016H的电子大赛,现在还在筹划阶段。”这些还是比较常规的生态搭建方案。

下一步要做更高算力

今年7月,牛钊在接受国际电子商请采访时曾说过:“富芮坤的产品规划会紧随三个趋势推进。第一步,会把蓝牙组网作为WiFi的补充放到家电产品中现;第二步是利用蓝牙芯片的处理器进行边缘计算,实现本地音频的实时识别与反馈,用户可以方便地使用手机自行更改特殊的操作指令和提示声音,通过蓝牙更新到家电产品上,使得家居更个性化、赋有人情味,目前正在推广阶段;第三步WiFi+BLE的SoC,可以直接对接云端的大数据,结合本地的信息实现全新的用户体验。”

这段话大概可以揭示富芮坤未来的短期发展策略,FR8016H就属于其中第一步的组成部分;第二步的实质说白了也就是提升芯片算力。

今年5月富芮坤曾在松山湖中国IC创新高峰论坛上介绍过自家另一个系列的产品FR8028[5]。这是隶属于前文提到的FR802x系列,FR8028就是一款提供更高算力的产品,相比FR8016H比较大的差异就在其中多加了一枚Arm处理器。“以后很多应用,比如智能门锁、门铃以及更多智能家居,其实都会需要更多的算力支持。”

黎传礼在采访中提及,“未来还会有个跨界产品FR508x系列,明年一季度会量产。”目前FR5080的生产进度是已经流片了。“它是个双核架构的产品,DSP+CPU的方案。我们说它跨界是因为,其一它兼顾了高端BLE应用,其二它又同时是个经典蓝牙产品,在耳机、音频方面可以应用。”

“现在的一些可穿戴设备,像是高端的手环、智能手表,比如对动画的即时处理;还有像是智能门锁,需要指纹识别算法;TWS耳机对于算法的要求会更多,包括唤醒、降噪、语音识别。”这是富芮坤“第二步”提升边缘算力的本质。

上述“第三步”,是将WiFi和蓝牙放到一起,“蓝牙在某些应用中还是受限的。”黎传礼表示,“比如无线安防、监控都有更高的带宽要求。那么蓝牙就能和WiFi做分工、互补。而且这两者都是比较主流的协议,布局也比较到位,外围设备接入云端或者通过智能音箱接入主设备,也都是这两个标准协议。”

正在疯涨的蓝牙市场

在我们聊到富芮坤为何从一开始就选择蓝牙这条路时,黎传礼一方面提到公司核心团队的相关技术人员早在2005年就开始一起做蓝牙,实际我们从产品现有形态就能发现团队经验积累已经不少;另一方面“蓝牙和WiFi已经占据所有主设备这端的标准,蓝牙生态的体量比其他同类协议大了好几个数量级。”而且各厂商之间的互联互通、兼容性各方面都比较成熟。

从Bluetooth SIG今年发布的 Bluetooth Market Update 报告来看[6],蓝牙成员社区还在扩容,2018年社区已有加入的企业将近35000家,近5年增长70%。2019年预计蓝牙设备出货量达到40亿,2018-2023预期复合年增长率在8%左右。在已经出货的设备中,1/3为BLE单模设备;预计到2023年,BLE设备年出货量会达到16亿,包含BLE技术的设备将占到所有蓝牙设备的90%。

来源:ABI Research via Bluetooth Market Update 2019

在更具体的市场类别中,发展趋势相对偏中游的智能家居设备领域,到2023年100%的智能音箱会包含蓝牙;未来5年蓝牙智能家电的出货量复合年增长率会达到59%,其中蓝牙相关的住宅照明设备年出货量到2023年会达到2018年的4.5倍。值得一提的是,智能家居并非蓝牙市场中增幅最大的市场。

所以随IoT的发展,这部分市场仍处在高速成长状态。富芮坤这家公司目前正处在第三轮战略融资阶段,如黎传礼所说,这两年公司处在技术、产品各方面的储备阶段,“明年预计可以走向上升盈利的轨道。”这本身也很符合市场走向,尤其当配合高算力发展,以及蓝牙+WiFi的产品搭配方式时。

这些也都是国内半导体行业实现越来越高自给率的组成部分。“通讯协议的制定,咱们的声音还不大,尤其是蓝牙这部分的标准制定者都还是国外厂商,国内以跟随为主。协议和产品实现,BLE这块现在也仍是国外为主。虽然国内也在做,但份额仍然不大。”

“但这两年大环境变化,我们可以看到一个趋势,国产替换的趋势。至少在协议、产品实现这部分,国内的发展越来越快,国外厂商也感受到了压力。”富芮坤,以及旗下FR8016H和更多将投放于市场的芯片产品,都会是其中的组成部分。

参考来源:

[1] How China plans to lead the computer chip industry - BBC News

(https://www.bbc.com/news/business-50287485)

[2] Dialog’s DA14531 is Ready to Connect the Next 1 Billion IoT Devices - dialog

(https://www.dialog-semiconductor.com/blog/dialogs-da14531-ready-connect-next-1-billion-iot-devices)

[3] 富芮坤官网(http://www.freqchip.com/)

[4] Shanghai Frequen Licenses and Deploys CEVA Bluetooth Low Energy IP in New IoT Product Line – CEVA

(https://www.ceva-dsp.com/press/shanghai-frequen-licenses-and-deploys-ceva-bluetooth-low-energy-ip-in-new-iot-product-line/)

[5] 以智能家居之名,2019年不能错过的十款国产IC – 电子工程专辑

(https://www.eet-china.com/news/201905112315.html)

[6] Bluebooth Market Update – Bluetooth SIG, Inc.

(https://3pl46c46ctx02p7rzdsvsg21-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2018/04/2019-Bluetooth-Market-Update.pdf)

责编:Yvonne Geng

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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