TIに見る、アナログ・DSPのワンストップ戦略

2006.4

TIに見る、アナログ・DSPの
ワンストップ戦略
TI Developer Conference 2006から

津田建二

　米Texas Instruments社がアナログICやミックスドシグナルLSI、DSPも提供する、トータルソリューションを強調し始めた。
　リード・ビジネス・インフォメーションが読者を対象に実施した企業認知度調査によれば、今やTI社といえばDSPの認知度が抜群に高い企業である。しかし、アナログの認知度はまだ第4位に位置しており、アナログも忘れずにやっているという印象だ。ところがどっこい。アナログに必要な回路は何でもカバーし、DSPと一緒にアナログLSIも売る、トータルソリューションの考えを強化し始めた。
　温度や圧力、位置、速度、流量、光、音、湿度、映像など、現実の世界はすべてアナログであることに対応した。最新のエレクトロニクスは、このアナログからA-D変換してデジタルで信号系を処理、今度はD-A変換でアナログに戻し、現実の世界を制御するという処理を行っている（図1）。TI社は、この一連の流れと共に、これらを支えるパワーマネジメントをすべて受け持つことを、このほど米テキサス州のダラスで開かれたTI Developer Conference 2006で高らかに宣言した。

図１　アナログからデジタルに渡る信号チェーン

アナログ・DSPでほぼカバー

図2　米Liberating Technologies社の義手（人間の神経信号を受信し動かすことのできる腕と手）を紹介する、TI社社長兼CEOのRichard Templeton氏（右）

　最新の映像・画像処理を目的とするDSPベースのSoCプラットフォーム「DaVinci」は、民生、非民生を問わず適用できる。D-AコンバータやA-Dコンバータも含めて、図1にある信号系全体をカバーする。これらの狙いは何か。「TIは、常に革新的な先端技術を提供し、全く新しい製品と顧客の完全なソリューションを提供する。しかも市場にはいち早く出す。これら3つの手段により顧客の成功を手伝うことがTIの目的だ」と、初日の基調講演で同社ハイパフォーマンス／アナログ製品担当の上級副社長であるGregg Lowe氏は強調した。
　TI社は技術革新に常に価値を置く。同社社長兼CEO（最高経営責任者）であるRichard Templeton氏は、TI Developer Conference 2日目の基調講演で、「TIは確かに大きな企業ではあるが大きいことが良いことではない。技術革新（イノベーション）こそ生きていく糧だ」と述べている。「イノベーションを推進していくカギは、小さなベンチャー企業との協力を強めることにある」と同氏は続け、ベンチャー企業との協業による成果をデモンストレーションした。

TI社 Gregg Lowe氏

TI社 Richard Templeton氏

　この中でTempleton氏は、H.264圧縮技術によるセキュリティ用のビデオカメラのアレイやワイヤレスカメラを作ったRice University、人間の神経の電気信号から義手を動かしたLiberating Technologies社（図2、Design News Japan 2月号、http://www.designnewsjapan.com/magazine/2006/02cover.html）、消防士の安全を守るために熱を検出しデータを無線で送るシステムを開発したExtreme Endeavors社と、デモンストレーションを交えて3つの事例を紹介した。

レオナルド・ダビンチが技術革新の創始者

　TI社は、一連のアナログ信号チェーンを強化するため、半導体メーカーとして弱い部分は強い技術を持つChipcon社やBurr Brown社などの企業を買収してきた。ビデオ向けのSoCである「DaVinci（ダビンチ）」を2005年に開発、単なるチップだけではなく、ソフトウエアでもブレークスルーを図った。
　DaVinciは、その名の示すとおり、レオナルド・ダビンチに由来する。現在につながるイノベーションを始めたのがレオナルド・ダビンチであるとの認識から、単なるビデオ用のSoCという位置づけではなく、イノベーションの始まりを告げる製品がDaVinciだとしている。
　DaVinciプロセッサ「TMS320DM 644x」は、TI社のDSPコア「TMS320C64x」と英ARM社の32ビットプロセッサコアの一つである「ARM926」を1チップに集積したSoCというだけではない。OSからAPI（application programming interface）までのミドルウエアをそろえたことがDaVinci応用システムを開発する上で、極めて大きい意味を持つ。このソフトウエア環境により、ユーザーはCODECを開発したり最適化したりする必要がなく、DSPのソフトウエアをプログラミングすることもない。チップとソフトを併せた、いわばターンキーシステムである。使いやすいユーザーインターフェースを使ってデジタルビデオシステムが簡単に作れるようになるため、ビデオシステムの開発期間を大幅に短縮できる。携帯型ビデオやIPセットトップボックス、ビデオカメラ、デジタルカメラ、自動車内のインフォテインメント、テレビ電話、セキュリティ装置など、さまざまなビデオシステムを誰でも作れるようになる。
　もちろん、DaVinci周辺の各種各様のアナログチップや標準ロジック、ASICなどもTI社は供給する。

アナログの先端プロセス

　完全なソリューションを提供するために、TI社はいろいろなアプリケーションに適用できる3つのプロセスを開発している。高速性を要求される応用には、コンプリメンタリのSi/GeバイポーラトランジスタとCMOSを1チップに集積したBiCom3プロセスを使う。これはSOI（silicon on insulator）基板とトレンチアイソレーションにより寄生容量を削減することで高速化を図っている。携帯機器に使う低消費電力を売り物にするアナログCMOSでは0.3μmプロセス、0.7μmピッチの配線プロセスを使う。パワーマネジメント系には高耐圧を得るためにSOIプロセスを利用している。
　ただし、すべてのアプリケーションをTI社のチップセットだけで賄えるわけではない。例えば、高速のA-DコンバータからDSPへいろいろな信号を転送する場合にはSERDESなどの並直列変換が必要になる。そのような場合にはFPGAなどのロジックと組み合わせ、MCM（multi-chip module）やSiP（system in package）などのパッケージ技術で対処する。

WiMAXのトータルソリューション

　では、いくつかの例でトータルソリューションを見ていこう。TI社は、WiMAXシステムの開発にもトータルソリューションの考え方を提案している。WiMAX（Worldwide interoperability for microwave access）は、IEEE802.16とも呼ばれ、1台のアンテナで半径50kmをカバーする無線システムである。光ファイバのラストワンマイル問題を解決する担い手になると期待されている。Forward Concept社やIn-Stat社などの米国市場調査会社は、2009年までにWiMAXのベースステーション市場は20億米ドルに成長すると見込んでいる。TI社が提案するのはWiMAXのインフラストラクチャとなる基地局装置向けである。
　TI社はこれまでのDSL（デジタル加入者線）や3Gの基地局市場においてDSPの実績がある。しかもそのデジタル変調方式となるOFDM（直交波周波数分割多重）技術でこれまでに20年の実績があると強調する。802.11やデジタル放送、DSLなどでOFDM変調方式が使われてきたからだ。
　TI社は、無線インフラに特化したDSPである「TC16482」と、WiMAXに最適化したソフトウエアを開発した。1GHzで動作するこのDSPには、シングルエラーコードを訂正する機能やMIMO（multiple input multiple output）とビーム成形技術、FFT（高速フーリエ変換）・逆FFTなどの回路を内蔵する。
　さらに、RF系では「TRF3xxxシリーズ」という4GHzで動作するIQ変調器を開発しており、出力の周波数を調整できる。この変調器はベースバンドからRF回路までを直接変換できるという機能も持っているため、開発負担を少し減らすことができる。
　TI社は、この基本的な回路に加え、標準ロジックやアナログLSI,　パワーマネジメントチップ、インターフェースチップなども持っているため、ワンストップソリューションでWiMAX基地局装置を開発できるというわけだ。

1チップ携帯プレーヤ向き14mWのCODEC

　携帯型音楽機器に向けたアナログLSIにおいてもワンチップソリューションを実現している。iPod、MP3プレーヤ、DVDオーディオなどに使われる電池動作を基本とするLSIでは低消費電力化がカギとなる。例えば、MP3プレーヤにはデコーダやアンプ、3次元サラウンド、これらのチップやプロセッサを支えるパワーマネジメントのチップなどを使う。
　最近発表したステレオオーディオCODEC「TLV320AIC33」は、消費電力が14mWしかないが、サンプリング周波数48kHzで再生できる。8k～96kサンプル/秒でS/N比100dBのステレオD-Aコンバータと、8k～96kサンプル/秒でS/N比92dBのA-Dコンバータ、マイク入力などのミキサー回路、サウンドプロセッサ、PLL、I²CやSPIの制御バス、I²SやDSPとのオーディオバス、さらにはスピーカやヘッドホンを駆動するアンプを1チップに内蔵している。オーディオプロセッサは、3次元サラウンドや低音/高音の強調、イコライザなどの処理を行う。つまりクロック発生器とUSBインターフェース以外はすべて1チップに詰まっている。入出力の数によって3つのバージョンがある。パッケージは、5mm×5mmの80端子BGAか、7mm×7mmの48端子QFNで提供する。
　S/N比が高いのは、ノイズキャンセラを搭載しているためだ。例えば録音できるデジタルカメラに使う場合、レンズをズームするときの音を逆位相で打ち消し合うノイズキャンセラも内蔵しているため、S/N比が高い。
　このステレオCODECは、携帯機器向けに1チップでそのまま使うことができるが、さらに大きな音量で聞きたいという要求に対しても、このチップをCODECとして使い、さらに、A-D/D-AコンバータやUSBインターフェース、メディアプロセッサ、クロック発生器、D級アンプを別に構成することもできる（図3）。つまり拡張性がある。その場合もTI社のチップだけで構成でき、パワーマネジメント系と併せて構成できる。

図3　拡張機能のあるオーディオCODEC

サラウンドチップをDSPで実現

　TI社はDSPチップを疎かにしているわけではない。DSPチップを使ったユーザーを基調講演の中で紹介している。TI社ハイパフォーマンス／アナログ製品担当の上級副社長であるGregg Lowe氏は初日の基調講演で、サラウンド・サウンド作りのノウハウを持つ技術開発会社の米SRS Labs社CTO（最高技術責任者）を務めるAlan Kraemer氏を紹介し、サラウンドサウンドをデモンストレーションした。SRS Labs社は、TI社のDSPチップ「TMS320C55x」や「TMS320C67x」などに立体音のアルゴリズムをプログラムしている。
　Kraemer氏によると、サラウンドサウンドの基本アルゴリズムは、HRTF（head related transfer function）技術だという。人間の音の認知が位置に強く関係していることを利用する。右から左へ、上から下への音の移動が、人の頭の上下左右のある一定の範囲であれば、聞こえ方が全く違ってくるのだという。空間的にわずかな部分の範囲に聞こえる音を遅らせたり、上下の角度と共に音を調整したり、あまり高くない周波数の音を拡散させるなどの処理をすることによって仮想的に聞こえる場所が違ってくるという。空間的な場所や音（周波数や大きさ、音の種類など）をモデル化し数式化する。それをDSP等で計算し、広がりのある音を仮想的に作り出す。音楽などの音はいろいろな周波数を持った音で作られているため、人間が音を錯覚する、と同氏は言う。もし単一周波数の音なら、サラウンド処理を施すと人間はどこから発生している音なのかを区別できないという。
　同社の低音強調のTruBass技術も錯覚を利用している。スピーカの再生可能な下限周波数が100Hz程度であっても、低音を強調するアルゴリズムによって本来ならスピーカで再生できない50Hz程度の音が聞こえているような錯覚を起こすのだとしている。

最大市場は日本

　SRS社売り上げの最大の地域は日本で、特にフラットパネルテレビへの応用が売り上げに最も貢献している。またFM放送局でもSRS社のサラウンド技術を使った音楽を放送している。
　同社のビジネスモデルは、音を処理するアルゴリズムを開発し、そのライセンス供与によって収入を得ることである。半導体メーカーとは協力関係にあり、同社のアルゴリズムを半導体チップに落とし込む作業を協力して行う。ライセンス料はその半導体チップを使う電子機器メーカーが支払う。
　フラットパネルテレビ以外の応用として携帯型音楽プレーヤ、携帯電話機、自動車のインフォテインメントなどをこれから強化していく。携帯型音楽プレーヤでは韓国勢のSamsung社やiRiver社などの製品が採用しているが、iPodには使われていない。米Apple社はサードパーティを使わず全て自社開発するからだという。
　加えて、自動車や携帯電話機向けを中心に欧州市場にも力を入れていくが、まだ欧州にはオフィスを作っていない。日本市場への力は今後も抜かないとしている。

シリアルRapidIOの相互運用試験を4社が確認

図4　4社の相互運用試験が成功
写真左の後ろから、Xilinx社のNavneet Rao氏, Texas Instruments社のTodd Harris氏, 真ん中の列の左からTundra社のJim Parisien氏、Freescale社のBill Mercer氏、前列がTundra社のGeoff Roddick氏。

　TI社はDSPやプロセッサチップを搭載した組み込みボードの入出力データを高速に送受信するためのRapidIOインターフェース規格も推進している。TI Developer Conferenceでは、シリアルデータを扱うRapidIOの相互運用性をTI社、米Xilinx社、カナダTundra Semiconductor社、米Freescale Semiconductor社の4社間で初めて確認できた、と4社が共同発表した（図4）。RapidIOは、プロセッサを通さずにさまざまな入力データをさまざまな出力に送出するというスイッチの規格である。高速にデータを切り替えるためレイテンシが少なく、リアルタイムシミュレーションができる。
　応用分野としてはかなりハイエンドな、無線通信インフラや高速ネットワーク機器、大容量ストレージ、軍用・産業用システムなどがある。今回、組み込みプロセッサ「PowerQUICC IIIファミリ」をFreescale社、1GHz動作のDSP「TMS320C6455」をTI社、FPGAはSERDESなどの応用で実績を持つXilinx社、そしてRapidIOスイッチをTundra社が担当した。TI社としては、ハイエンドな画像、映像、通信インフラなどの分野にDSPを普及させるための新しいインターフェース規格として、シリアルRapidIOを高く評価している。
　2003年に初めて半導体スイッチが市場に出たとき以来、各社各様に試験を行っていただけで、相互に使えるかどうかの確認試験が行われていなかった。RapidIOのようにオープンな規格では相互運用性を実証することが普及に欠かせない。
　今回、4社で確認したのはシリアルデータを切り替える実験である。4社のデバイスを搭載したボードを使い、運用出来ることを確認した。さまざまなレベルからなる相互運用性のチェックリスト項目のうち、今回の最初のレベルとしては、デバイスAがあるテストでデバイスBに渡せることを実証した。今後はさらにいろいろなレベルの相互運用性をテストしてゆく。

低電力、小型、ESD耐圧、RoHS対応で差別化を図る

　TI社のトータルソリューション戦略で忘れてはならないのが、標準アナログ、標準ロジックの製品だ。元々、TI社はこの分野に強かった。「この分野は決して死んではいない。むしろ着実に成長し続ける」と同社標準リニア＆ロジック副社長のSteve Kelley氏は主張する。技術的あるいは経済的にSoCに集積できない回路や、コアチップの面積に制約があって集積できない回路などに標準品は生き残る。同氏によれば、最近はノート型パソコンや携帯電話機、MP3プレーヤなどの携帯機器での伸びが期待されていると見る。
　TI社が力を入れる標準製品の分野は、オペアンプなどの標準リニアIC、ビデオやバスなど信号のスイッチ、レベル変換回路、I²Cインターフェースなどである（図5）。例えば、スイッチなら10：20のDVI-HDMIビデオマルチプレクサ「TS3DV520」や、10/100/1000　Base-T高速LANスイッチ「TS3L500」などの新製品を最近発売している。レベル変換回路ではメモリーカード向けレベル変換IC「SN74AVCA406L」などがある。

図5　アナログ/デジタル信号チェーンの中に使われる標準アナログとロジック

　では、これらの標準製品は何で差異化するのか。低消費電力とパッケージの小型化、そして鉛フリーでRoHS対応、加えてESD（静電破壊）に強いことが差異化要因となる、とKelley氏は語る。低消費電力化は低消費電力アナログICプロセスを利用、RoHS対応に関しては、全標準リニアICとロジックICの98％以上についてRoHS指令に準拠している。顧客は、従来のはんだに代わる材料として、ウィスカの発生しにくいNiPdAuを好むという。モールド樹脂はBrフリーの難燃性プラスチック、Sbベースの難燃性材料に代えつつある。ESDに対しては、保護ダイオードを内蔵することで破壊に強くしており、15kVもの静電気にも耐える製品を持っているという。
　ただし、標準品とはいえ、カスタム化への移行も始まっている。特に、インターフェース用チップにその傾向が出ている。インターフェースはユーザーが定義するため、そのインターフェースチップは差異化の要因になりうる。インターフェースそのものが多様化していることがカスタム化の傾向につながっている。
　TI社では、インターフェース関係の新製品を相次いで発売している。その一つ「TPIC9201/9202」は、8出力のリレードライバとマイクロコントローラ用電源、5VのLDO回路を集積している。同じく新製品「LV8153」は直並列インターフェースと64チャンネルのLEDドライバを集積する。「MAX3318」は2.5V動作で460kビット/秒のデータレートを持つRS-232トランシーバである。±15kVのESD保護耐圧を持つ。
　ASSP（application specific standard product）は用途に合わせて特化したASICが標準品になったものだが、もともとの標準品がカスタム的になることは、ユーザーごとのLSIを設計することにつながる。そうなると1品種当たり製品の販売数量は標準品よりも少なくなり、TI社の標準品ビジネスはそのビジネスモデルを変えざるを得なくなろう。


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