BLEチップとBluetooth低電力技術の開発の歴史

BLEチップの開発の歴史 Sep 15, 2021

2019 年末までに、世界中で 45 億 4,000 万人がインターネットにアクセスでき、これは世界人口のほぼ 60% を占めます。インターネット情報技術の発展に伴い、スマート端末を介して通信する人がますます増えています。ネットワーク伝送に対するユーザーの要件は増え続けています。情報伝達の内容は、オリジナルの画像や文字情報から動画伝送へと進化し、その伝達シナリオは、人から人、人から物、そしてIoTへと広がりました。

配信内容とシナリオ

ウェアラブルデバイス、位置情報サービス、スマートホーム、産業用モノのインターネット、その他のシナリオにおけるデータ伝送の要件が高まる中、無線接続デバイスに関しては、長期間の動作と安定したデータ伝送を確保し、消費電力を可能な限り削減する必要があります。従来の家庭用電化製品や産業用ビジネスの分野を問わず、可能性が市場で急務となっています。, Bluetoothは無線伝送において非常に重要な役割を果たします。クラシック Bluetooth は、当時の主要なオーディオ近距離無線通信方式でした。ただし、従来の Bluetooth ヘッドセット、スピーカー、その他のデバイスは消費電力が高いため、Bluetooth テクノロジの適用には大きな制限があります。

2010 年、低電力 Bluetooth テクノロジである BLE4.0 の登場により、ワイヤレス接続デバイスの高電力消費の問題が解決されました。低電力技術により Bluetooth 市場は猛烈な成長を遂げ、さまざまな Bluetooth チップメーカーが競争して独自の低電力 Bluetooth チップを発売し、Bluetooth チップ市場は繁栄した状況となっています。

ここではBLEチップメーカーであるTexas Instruments (TI)、Nordic Semiconductor、Dialogの3社の開発経緯を中心に紹介します。

BLE 4.0 TI の初年度は先制攻撃を行った

TIのロゴ

Bluetooth Low Energy 4.0 テクノロジーの出現直後、Bluetooth 4.0 をサポートする TI の最初のスター製品である CC2540 および CC2541 がすぐに発売されました。強力な技術サポート、容易な開発、低い研究開発閾値という利点により、彼らはすぐに Bluetooth Low Energy 市場を掌握し、非常に高い市場シェアを占めました。CC2540、CC2541 は8051 コア、256 KB フラッシュを採用しており、コアのコンピューティング能力により、データ透過伝送、PWM 調光およびその他の機能を実現できます。

ダイアログのロゴ

Dialog 社は、超低消費電力と超小型チップに重点を置いています。2013年にDA14580チップを発売し、健康管理――ブレスレットアプリケーションの導入を急速に推進し、ブレスレット市場で大きなシェアを獲得した。

DA14580は、84 KB ROMと50 KB RAMを備えた16 MHz 32ビットARM Cortex-M0コアを採用しています。ステップ記録やブレスレットで使用されるタイミングなどの一般的な機能をサポートできます。内蔵 OTP ROM はワンタイムプログラム機能を備えており、一定の柔軟性と低コストを必要とするアプリケーション、特に継続的に改修され、迅速な大量生産が必要な電子製品のブレスレットに適しています。

ダイアログ DA14580

DA14580 は発売時に、世界最低の消費電力、世界最小のパッケージ、バラン回路と統合された初の BLE SOC という 3 つの世界初を生み出しました。これらの特性により、DA14580 はブレスレット市場で宣伝しやすくなります。十分なコンピューティング能力と最小のパッケージにより、ブレスレットに簡単に配置できるため、スペースが最も限られたブレスレットでも Bluetooth テクノロジーを使用できます。Bluetooth Low Energy テクノロジーにより、ブレスレットのバッテリー寿命が長くなります。同じDC-DC電源を使用する場合、必要な周辺回路が少なくなり、その分コストが削減されます。DA14580はすぐにブレスレット市場の半分を占めました。

Nordic が 2012 年に発売した nRF51822 は、BLE 4.0 をサポートし、ARM Cortex M0 コアを使用し、256 KB フラッシュと 16 KB RAM を統合します。NordicのnRF51822もブレスレット市場で好調です。当時、nRF51822は中国でブレスレットの開発に使用され、その最も代表的なものはBaiduが開発した最初のポータブルウェアラブルデバイスであるBaiduブレスレット-Codoonブレスレットでした。コードとハードウェアの回路図は完全にオープンソースであるため、多くの開発者が開発とデバッグに参加します。その後、Nordic は低コスト市場向けに、nRF51822 と比較してコスト重視の nRF51802 を発売しました。

「BLE4.0元年」と呼ばれる時代、TIは先陣を切ってCC2540とCC2541を発売してBLE市場の大半を掌握し、Dialogは超低消費電力で瞬く間にブレスレット市場を掌握した。NordicのBLEチップのパフォーマンスは平凡でした。

BLE 4.2 Nordic の初年度は穴のエースとなった

2014年にBluetooth 4.2がリリースされ、通信速度が2.5倍向上しただけでなく、プライバシー性も向上し、IPv6経由でネットワークに接続できるようになりました。2015 年に TI はCC2640を発売しましたBLE4.2 をサポートするチップを搭載し、SimpleLink マイクロコントローラープラットフォームを初めて導入し、単一のソフトウェア開発環境でさまざまな有線および無線 ARM® MCU 製品シリーズを提供し、IoT および車載アプリケーションに柔軟なハードウェア、ソフトウェア、およびツールのオプションを提供します。開発者に新しい基準を設定します。CC2640 チップは ARM Cortex M3 コア + M0 コアを使用します。M0コアはセンサーコントローラーチップとして使用されます。センサーコントローラーは収集されたデータを前処理し、事前に設定されたしきい値を超えるデータはメイン CPU の処理能力を低下させ、メイン CPU の消費電力を可能な限り削減し、CC2640 全体の消費電力を削減します。しかし、128 KB フラッシュは、より複雑なアプリケーションを開発するには小さすぎるため、CC2640 は基本的にブレスレット市場に参入できませんでした。

現時点では、Bluetooth チップ市場で ARM Cortex M4F コア、大容量フラッシュ、RAM チップを開発したメーカーはありません。2016 年 2 月のある日、Nordic はnRF52832チップを発売しました。

N52832チップ

nRF52832 は、浮動小数点演算、512 KB フラッシュ、64 KB RAM を備えた ARM Cortex M4F コアを使用しており、コアのパフォーマンスとメモリ容量が飛躍的に増加します。nRF52832 は、Bluetooth 5.0 機能の一部をサポートする世界初の BLE チップでもあります。Bluetooth 5.0の通信速度と通信範囲は、Bluetooth 4.2に比べて大幅に向上しています。nRF52832 の導入により、Bluetooth 市場のパターンは完全に破壊されました。Nordic は nRF52832 で Bluetooth 市場の支配的な地位を確立しました。

メーカー	チップ	芯	閃光	RAM
TI	nRF52832	ARM コーテックス M4F	512KB	64KB
ノルディック	CC2640R2F	ARM コーテックス M3	128KB	20KB
ダイアログ	DA14681	ARM コーテックス M0		144KB

TI は、nRF52832 に匹敵するチップを短期間で開発できませんでした。CC2640 をベースとして、CC2640R2F が2016 年末に迅速にリリースされ、Bluetooth 5.0 機能の一部をサポートし、Nordic の nRF52832 チップの発売に対応しました。CC2640R2F のコストは CC2640 とそれほど変わりませんが、CC2640R2F が nRF52832 と競合できないことは明らかです。

BLE4.2 の初年度、Nordic は nRF52832 で反撃を成功させ、圧倒的な地位を確立しました。そしてすぐに、TI はNordic の nRF52832 チップに対抗して CC2640R2F を発売して市場を占拠し、一方、Dialog はブレスレット市場で懸命に取り組み続けています。

BLE SoCの競争が激化

それ以来、BLE SoC における大手チップメーカーの競争が白熱しています。2018 年、TI は CC2642 を発売し、コアを ARM Cortex M4F にアップグレードし、352 KB フラッシュと 256 KB ROM を備えた完全な Bluetooth 5.0 をサポートし、BLE チップのパフォーマンスパラメータをアップグレードしました。TI は、SimpleLink プラットフォームの改善と完成度を高め続けました。

Nordic は、Bluetooth 5.0 機能を完全にサポートする主力製品nRF52840を発表しました。1 MB のフラッシュと 256 KB RAM を使用し、そのパフォーマンスパラメータがさらに向上しているため、より複雑なアプリケーションシナリオとコンピューティング能力要件を満たすことができ、Bluetooth チップ市場での地位を強化し続けます。

n52840

Dialog の超低消費電力戦略は変わりません。ブレスレット市場向けには、DA14681 などのチップが導入されています。スマートブレスレット市場は急速に発展しています。XiaomiのMi Band3の出荷台数は2018年だけで1,000万台を超えました。将来的には、スマートブレスレットビジネスの需要はさらに拡大し、さまざまな業界向けに特別なアプリケーションが設計されるでしょう。たとえば、インテリジェントな年金、インテリジェントな医療、その他のシナリオに対する需要が急増しています。そして将来的には、より複雑な機能をサポートするチップの需要が高まるでしょう。

シャオミバンド

要件に合わせて高度に洗練された BLE SoC

主要な Bluetooth チップメーカーは、チップの性能パラメータを向上させると同時に、さまざまな製品ポジショニングのニーズに合わせて製品ラインを改善し、完成させ始めました。Bluetooth市場のトレンドは微妙に変化している。メーカーはハイエンド市場のアプリケーションを満足させると同時に、ローエンド市場のシェアも奪い始めています。

ダイアログ

ハイパフォーマンス。2019 年 2 月、Dialog は、センシング、データ処理、通信を担当する 3 つのコンピューティングコアを使用する、最新の高性能 BLE SoC チップ DA1469x シリーズを発売しました。プログラマブルマイクロ DSP は独立したセンサー通信とデータ管理を担当し、Cortex-M33 はデータを処理し、Cortex-M0+ は無線通信を担当します。DA1469x は、最新の Bluetooth 5.1 規格をサポートしています。将来的には、ダイアログ社がブレスレットのハイエンド市場を開拓し続けるのに役立つ屋内測位機能も開発できます。

低価格。一方、Dialog は低コストの DA14531 チップを発売し、ローエンドのブレスレットの市場シェアをさらに獲得しました。

ノルディック

ハイパフォーマンス。2019 年 11 月 14 日、Nordic は、次世代 nRF53 シリーズチップの最初のメンバーであるnRF5340ハイエンドマルチプロトコルSoC の発売を発表しました。これは、ARM Cortex-M33 デュアルコアプロセッサで設計され、1 MB フラッシュ、512 KB を搭載しました。 RAM、複雑な機能アプリケーションシナリオのニーズを満たす。

低価格。低コストチップに関しては、Nordic はARM Cortex-M4 コア、48 KB RAM、192 KB ROM を搭載したnRF52805 を発表しました。基本的なコンピューティング能力を満たしながらも、チップのコストが削減され、低コストユーザーの関心をすぐに引き付けます。たとえば、ワイヤレスマウスソリューションでは、ワイヤレスマウスは nRF52805 を使用し、トランシーバーは nRF24L01 を使用します。この組み合わせは強力なパフォーマンスを発揮し、ワイヤレスマウスの基本機能を満たします。同時に、費用対効果が高いという利点により、特定のニーズを持つこのタイプの市場の選択肢が増えます。Nordic は製品ラインの改善を続けており、ハイエンド製品とローエンド製品が一体となって前進します。

RFスタードングル

ハイパフォーマンス。TI は、スマートホーム向けマルチプロトコルチップCC1352、CC2652を発売しました。

低価格。低コストチップに関しては、TI は費用対効果を追求するユーザーにより多くの選択肢を提供するためにCC2640Lを発売しました。

BLE チップが市場で普及していない時代から、チップ製品があらゆる機能アプリケーションの需要に細分化されている現在に至るまで、BLE チップ市場には複数のメーカーが存在し、それぞれに独自の特徴があります。これまでのところ、Bluetooth の市場シェアは Nordic、Dialog、TI です。これら 3 社を除くと、ST と Silicon Labs は BLE 市場への参入が後発であるため、市場シェアは小さいです。

中国のチップが開花中

チップの高度化の波の中で、海外メーカーの開発だけでなく、国内チップメーカーも活況を呈している。2014年に1000億レベルの政府チップ産業支援基金が設立されて以来、チップに対する優遇政策が随所に導入され、チップ企業の数が増加した。2016 年までに、チップ設計企業の数は 2014 年と比べて 2 倍になり、1,300 社以上に達しました。国内チップと外国チップの差は依然として非常に大きい。人材不足、利益率の低さ、業界の複数のつながりにおける明らかな格差など、依然として多くの問題が残っています。しかし、国産チップが追いつきつつある。いくつかの特定のアプリケーションシナリオでは、国産チップがアプリケーションのニーズを完全に満たし、外国製チップを置き換えることができます。

国産チップス

ASRが導入した国産チップは、性能、安定性、成熟度の点で市場のテストに合格していることは注目に値します。国内のチップは外国のチップに追いつき、市場での認知度を高めています。チップ市場はもはや海外製だけではありません。将来的には、Bluetooth チップの選択において、国産 Bluetooth チップにもっと注意を払うことができます。