低功耗需求催生MCU市場百花齊放
就應(yīng)用來看，在移動(dòng)設(shè)備方面，產(chǎn)品功能越來越多，然而功耗要求卻越來越低。此外，工業(yè)應(yīng)用的智能化及物聯(lián)網(wǎng)的建立，促使遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等應(yīng)用需求高漲，產(chǎn)品功能越來越復(fù)雜，運(yùn)算量越來越高，以上種種需求對于MCU的挑戰(zhàn)也就愈趨嚴(yán)苛，32位MCU也就成為許多難題的希望所寄。
32位MCU發(fā)展的主要驅(qū)力來自于開放平臺ARM Core的進(jìn)展。2009年ARM所發(fā)表的32位Cortex-M0核心，開始提供微控制器廠商一個(gè)強(qiáng)而有力的平臺，讓微控制器業(yè)者能專注于外圍電路、系統(tǒng)整合及應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。平臺的進(jìn)展，加上工藝技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式閃存工藝普及化及降價(jià)，CPU核心的成本差異已大幅縮短，更促進(jìn)了高性價(jià)比32位低功耗微控制器的快速發(fā)展。
Cortex-M帶動(dòng)32位微控制器
新唐科技微控產(chǎn)品中心協(xié)理林任烈
對此，新唐科技微控產(chǎn)品中心協(xié)理林任烈表示，在這幾年ARM Cortex-M核心導(dǎo)入后，MCU的開發(fā)及市場方向產(chǎn)生了極大的變化。以往各MCU廠商多使用自行開發(fā)的MCU核心，開發(fā)環(huán)境及架構(gòu)為封閉的，但至今大約80%的廠商均已轉(zhuǎn)換成以Cortex-M為核心的開放架構(gòu)平臺與開發(fā)環(huán)境，使開發(fā)工程師可基于同一開發(fā)平臺但有多樣的選擇，所開發(fā)的應(yīng)用可以輕易移植到不同廠商的MCU上，增高可重用性，也減輕重復(fù)開發(fā)的成本。
ARM Cortex核心依據(jù)效能不同，擁有包括M0、M0+、M3、M4等不同架構(gòu)。Cortex-M4為最高等級，具備浮點(diǎn)運(yùn)算單元與DSP能力，可以滿足工業(yè)馬達(dá)更精密復(fù)雜的高端技術(shù)需求，中端的ARM Cortex-M3核心則能滿足馬達(dá)應(yīng)用中的FOC演算、霍爾效應(yīng)感測與過電壓、過電流保護(hù)等需求，至于M0與更低功耗的M0+核心，則是針對簡易的馬達(dá)控制，可滿足工業(yè)市場與一般消費(fèi)市場的需求。
以低價(jià)提供強(qiáng)大性能
整體而言，ARM Cortex系列核心的主要要求就是以32位的效能與8位的價(jià)格，來取代傳統(tǒng)MCU產(chǎn)品。因應(yīng)不同的Cortex系列，意法半導(dǎo)體(ST)也分別推出了STM32F1、STM32F2、STM32F3、STM32F4，而最新問世的STM32F0則是專為有成本考慮的環(huán)境所設(shè)計(jì)。STM32F0是以Cortex-M0為核心，保留STM32平臺易于使用的特性，指令周期為48MHz，并且擁有5組DMA及優(yōu)良的電源管理工具。意法半導(dǎo)體產(chǎn)品營銷經(jīng)理?xiàng)钫赋?，意法以ARM Cortex-M0架構(gòu)，推出了STM32F0處理器，在大量出貨的狀況下，平均每顆芯片的價(jià)格僅為0.69美元，價(jià)格與傳統(tǒng)8位MCU差不多，但是卻可應(yīng)用在更多的環(huán)境中。
意法半導(dǎo)體的STM32F0價(jià)格與8位相當(dāng)。
同樣的，英飛凌科技(Infineon)推出的采用ARM Cortex-M0處理器的XMC1000系列32位微控制器產(chǎn)品，也是以“8位價(jià)格，32位性能”為主要賣點(diǎn)。它以目前采用8位MCU的低端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)市場，支持包括傳感器與致動(dòng)器應(yīng)用、LED照明、不斷電系統(tǒng)等的數(shù)字功率轉(zhuǎn)換，以及例如家電產(chǎn)品、風(fēng)扇和電動(dòng)自行車的簡易馬達(dá)控制等。
英飛凌工業(yè)及多元電子微控制器部門資深協(xié)理Stephan Zizala表示，XMC1000系列擁有讓廣泛系統(tǒng)能由8位微控制器轉(zhuǎn)換至32位的優(yōu)勢，以8位的產(chǎn)品價(jià)格，提供確實(shí)的32位效能，整合應(yīng)用優(yōu)化的外圍，擁有可擴(kuò)充至XMC4000微控制器系列的能力，以及易于使用的免費(fèi)DAVE開發(fā)環(huán)境。XMC1000系列產(chǎn)品采用臺積電(TSMC)先進(jìn)65納米嵌入式閃存技術(shù)以及12英寸晶圓工藝，已自3月起開始提供樣品。
英飛凌的XMC1000以8位價(jià)格提供32位性能。
【導(dǎo)讀】在未來幾年，微控制器(MCU)市場的主要增長驅(qū)動(dòng)力將來自于綠色能源、智能電子設(shè)備、智能電網(wǎng)等，根據(jù)調(diào)研單位IHS Electronics&Media的報(bào)告，預(yù)計(jì)2013年整個(gè)MCU出貨量將較2012年出現(xiàn)7.7%的增長。
就應(yīng)用來看，在移動(dòng)設(shè)備方面，產(chǎn)品功能越來越多，然而功耗要求卻越來越低。此外，工業(yè)應(yīng)用的智能化及物聯(lián)網(wǎng)的建立，促使遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等應(yīng)用需求高漲，產(chǎn)品功能越來越復(fù)雜，運(yùn)算量越來越高，以上種種需求對于MCU的挑戰(zhàn)也就愈趨嚴(yán)苛，32位MCU也就成為許多難題的希望所寄。
32位MCU發(fā)展的主要驅(qū)力來自于開放平臺ARM Core的進(jìn)展。2009年ARM所發(fā)表的32位Cortex-M0核心，開始提供微控制器廠商一個(gè)強(qiáng)而有力的平臺，讓微控制器業(yè)者能專注于外圍電路、系統(tǒng)整合及應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。平臺的進(jìn)展，加上工藝技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式閃存工藝普及化及降價(jià)，CPU核心的成本差異已大幅縮短，更促進(jìn)了高性價(jià)比32位低功耗微控制器的快速發(fā)展。
Cortex-M帶動(dòng)32位微控制器
新唐科技微控產(chǎn)品中心協(xié)理林任烈
對此，新唐科技微控產(chǎn)品中心協(xié)理林任烈表示，在這幾年ARM Cortex-M核心導(dǎo)入后，MCU的開發(fā)及市場方向產(chǎn)生了極大的變化。以往各MCU廠商多使用自行開發(fā)的MCU核心，開發(fā)環(huán)境及架構(gòu)為封閉的，但至今大約80%的廠商均已轉(zhuǎn)換成以Cortex-M為核心的開放架構(gòu)平臺與開發(fā)環(huán)境，使開發(fā)工程師可基于同一開發(fā)平臺但有多樣的選擇，所開發(fā)的應(yīng)用可以輕易移植到不同廠商的MCU上，增高可重用性，也減輕重復(fù)開發(fā)的成本。[!--empirenews.page--]
ARM Cortex核心依據(jù)效能不同，擁有包括M0、M0+、M3、M4等不同架構(gòu)。Cortex-M4為最高等級，具備浮點(diǎn)運(yùn)算單元與DSP能力，可以滿足工業(yè)馬達(dá)更精密復(fù)雜的高端技術(shù)需求，中端的ARM Cortex-M3核心則能滿足馬達(dá)應(yīng)用中的FOC演算、霍爾效應(yīng)感測與過電壓、過電流保護(hù)等需求，至于M0與更低功耗的M0+核心，則是針對簡易的馬達(dá)控制，可滿足工業(yè)市場與一般消費(fèi)市場的需求。
以低價(jià)提供強(qiáng)大性能
整體而言，ARM Cortex系列核心的主要要求就是以32位的效能與8位的價(jià)格，來取代傳統(tǒng)MCU產(chǎn)品。因應(yīng)不同的Cortex系列，意法半導(dǎo)體(ST)也分別推出了STM32F1、STM32F2、STM32F3、STM32F4，而最新問世的STM32F0則是專為有成本考慮的環(huán)境所設(shè)計(jì)。STM32F0是以Cortex-M0為核心，保留STM32平臺易于使用的特性，指令周期為48MHz，并且擁有5組DMA及優(yōu)良的電源管理工具。意法半導(dǎo)體產(chǎn)品營銷經(jīng)理?xiàng)钫赋?，意法以ARM Cortex-M0架構(gòu)，推出了STM32F0處理器，在大量出貨的狀況下，平均每顆芯片的價(jià)格僅為0.69美元，價(jià)格與傳統(tǒng)8位MCU差不多，但是卻可應(yīng)用在更多的環(huán)境中。
意法半導(dǎo)體的STM32F0價(jià)格與8位相當(dāng)。
同樣的，英飛凌科技(Infineon)推出的采用ARM Cortex-M0處理器的XMC1000系列32位微控制器產(chǎn)品，也是以“8位價(jià)格，32位性能”為主要賣點(diǎn)。它以目前采用8位MCU的低端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)市場，支持包括傳感器與致動(dòng)器應(yīng)用、LED照明、不斷電系統(tǒng)等的數(shù)字功率轉(zhuǎn)換，以及例如家電產(chǎn)品、風(fēng)扇和電動(dòng)自行車的簡易馬達(dá)控制等。
英飛凌工業(yè)及多元電子微控制器部門資深協(xié)理Stephan Zizala表示，XMC1000系列擁有讓廣泛系統(tǒng)能由8位微控制器轉(zhuǎn)換至32位的優(yōu)勢，以8位的產(chǎn)品價(jià)格，提供確實(shí)的32位效能，整合應(yīng)用優(yōu)化的外圍，擁有可擴(kuò)充至XMC4000微控制器系列的能力，以及易于使用的免費(fèi)DAVE開發(fā)環(huán)境。XMC1000系列產(chǎn)品采用臺積電(TSMC)先進(jìn)65納米嵌入式閃存技術(shù)以及12英寸晶圓工藝，已自3月起開始提供樣品。
英飛凌的XMC1000以8位價(jià)格提供32位性能。
【導(dǎo)讀】在未來幾年，微控制器(MCU)市場的主要增長驅(qū)動(dòng)力將來自于綠色能源、智能電子設(shè)備、智能電網(wǎng)等，根據(jù)調(diào)研單位IHS Electronics&Media的報(bào)告，預(yù)計(jì)2013年整個(gè)MCU出貨量將較2012年出現(xiàn)7.7%的增長。
英飛凌同時(shí)推出三個(gè)系列的XMC1000產(chǎn)品，包括入門系列XMC1100、功能系列XMC1200與控制系列XMC1300;這三種產(chǎn)品的主要差別在于內(nèi)存容量和外圍組，芯片內(nèi)建的閃存容量從8KB至200KB。XMC1000系列目前提供采TSSOP封裝，16、28和38管腳，共計(jì)23款產(chǎn)品。其中，XMC1000系列專為目前仍局限于8位微控制器的工業(yè)應(yīng)用所設(shè)計(jì)，除內(nèi)建200KB閃存，并具備高效能PWM定時(shí)器、12位A/D轉(zhuǎn)換器和可編程的串行通訊接口。此外，還具備用于觸控和LED顯示器的模塊、用于LED調(diào)光和色彩控制的外圍單元，以及專門用于馬達(dá)控制的數(shù)學(xué)協(xié)同處理器等額外功能。
新唐所推出的Cortex-M0 MCU系列，應(yīng)用已從以往著重于觸控，分散到包括電表、血壓計(jì)等多元的應(yīng)用，M0包括通用型(general)、價(jià)值型(value line)及低功耗三大產(chǎn)品系列。目前新唐的M0已是全球市占最大的廠商，其次則是恩智浦(NXP)。新唐2012年的32位MCU出貨量約在2千萬顆，而今年新唐第一季的32位MCU出貨量已超過600萬顆，預(yù)期全年出貨量可超過3千萬顆。
繼M0系列后，新唐并再接再厲推出以Cortex-M4為核心的高性能MCU，將以工業(yè)應(yīng)用為首要應(yīng)用，再拓展至其他應(yīng)用。據(jù)了解，新唐將積極進(jìn)軍ARM Cortex-M3 32位市場，并試圖以價(jià)格戰(zhàn)進(jìn)軍由意法半導(dǎo)體、飛思卡爾所把持的市場。新唐這次所推出的ARM Cortex-M4 32位微控制器，其效能比M0要快1.3倍，同時(shí)內(nèi)含數(shù)字信號處理器，可涵蓋于更高端應(yīng)用，例如工控，已于今年第三季開始送樣。M4系列將先推通用型產(chǎn)品線，明年上半年則會(huì)再推出價(jià)值型、低功耗產(chǎn)品。另由于持續(xù)看好MCU市場于中國大陸的成長性，為就近服務(wù)客戶，新唐將于今年底前將中國大陸MCU的服務(wù)據(jù)點(diǎn)，從現(xiàn)有的4、5個(gè)擴(kuò)增至雙位數(shù)。
愛特梅爾(Atmel)也已推出采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品SAM D20，主要應(yīng)用于家庭自動(dòng)化、消費(fèi)、智能型計(jì)量和工業(yè)應(yīng)用等。愛特梅爾微控制器業(yè)務(wù)部門高級副總裁兼總經(jīng)理Reza Kazerounian表示，SAM D20微控制器是智能型連接設(shè)備的核心，具有獨(dú)特的外圍設(shè)備、超低功耗、完整的整合開發(fā)平臺，以及易于使用的開發(fā)工具套件，因此設(shè)計(jì)人員可以在很短的時(shí)間內(nèi)就將產(chǎn)品推出上市。該產(chǎn)品系列支持按鍵、滑動(dòng)式控制鈕和轉(zhuǎn)盤觸控功能以及接近感測，無需外部的元器件，并且包括具有32、48和64引腳封裝選擇和16到256KB閃存的14種新器件。目前此組件已獲得微機(jī)電傳感器全球供貨商Bosch Sensortec GmbH的采用，用于該公司的9軸絕對定向傳感器(BNO055)中。
USB MCU滿足人機(jī)界面需求
在微控制器的進(jìn)展中，另一值得注意的產(chǎn)品趨勢是USB MCU。新唐科技林任烈指出，隨著USB的普及，與PC、手機(jī)、平板電腦連接的需求亦急遽增加，相關(guān)應(yīng)用包括iPad Docking、USB人機(jī)接口等，平板計(jì)算機(jī)當(dāng)中的觸控模塊便需使用具備USB接口的高性能MCU來實(shí)現(xiàn)。USB MCU目前除了廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子的實(shí)時(shí)診斷與產(chǎn)品軟件升級，亦應(yīng)用于大型觸控屏幕與平板計(jì)算機(jī)，利用SPI與觸控傳感器通訊、讀取觸控訊號、進(jìn)行運(yùn)算，并實(shí)時(shí)送出運(yùn)算所得之坐標(biāo)與主機(jī)進(jìn)行顯示或控制。目前新唐的NUC120系列便是應(yīng)用于工業(yè)控制，NUC122和NUC123系列則應(yīng)用于PC周邊與平板計(jì)算機(jī)等多樣領(lǐng)域。
瑞薩電子(Renesas)的32位微控制器系列所推出的新款RX111產(chǎn)品，亦內(nèi)建USB 2.0外圍裝置可支持主控、裝置及On-The-Go(OTG)功能。瑞薩表示，此產(chǎn)品RX111將瑞薩8/16位RL78 MCU系列的超低功耗帶入32位RX產(chǎn)品系列，提供更大范圍的裝置擴(kuò)充性與功能。新款RX111的設(shè)計(jì)可支持多種低端32位嵌入式應(yīng)用，包括行動(dòng)醫(yī)療保健、智慧電表、傳感器/偵測器，以及工業(yè)與大樓自動(dòng)化。RX111將自2013年7月開始供應(yīng)樣品，量產(chǎn)時(shí)間預(yù)定為2013年9月，預(yù)估至2014年4月產(chǎn)能可達(dá)每月100萬顆。[!--empirenews.page--]
隨著各種應(yīng)用特性的不同，對于MCU的要求也各有不同。其中，工業(yè)電子著重于高性能、高穩(wěn)定度、高抗噪聲及寬工作電壓和寬溫度范圍。新唐林任烈表示，該公司MCU著眼于這些工業(yè)需求，提供不同于一般業(yè)界之3V系統(tǒng)，而是以2.4~5.5V為MCU之操作電壓，符合工業(yè)應(yīng)用之5V環(huán)境需求，并提高M(jìn)CU之ESD、EFT效能，以能符合工業(yè)電子應(yīng)用于高干擾噪聲之環(huán)境。新唐的NUC100/200系列即符合此項(xiàng)需求。
醫(yī)療領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)低耗能及高效能處理
醫(yī)療照護(hù)設(shè)備則強(qiáng)調(diào)低耗能，因此如何延長電池使用壽命，并保有高性能處理效能，滿足傳感器與無線連接接口需求，便成為研發(fā)主要目標(biāo)。根據(jù)Gartner研究指出，可攜式醫(yī)療設(shè)備如血糖計(jì)、血壓計(jì)、心率監(jiān)測器等，是醫(yī)療設(shè)備市場當(dāng)中成長最快的部分。而這些消費(fèi)型便攜式醫(yī)療設(shè)備除了對于價(jià)格極為敏感之外，在可靠性、準(zhǔn)確性、低功耗、小尺寸、穩(wěn)定電壓等要求更為嚴(yán)格。
醫(yī)療照護(hù)設(shè)備除了提供基本生理訊號量測外，另一方面又需將儲存之?dāng)?shù)據(jù)傳輸至手機(jī)或后臺程序進(jìn)行分析診斷，因此與無線傳輸(如藍(lán)牙、ZigBee等)結(jié)合又為另一需求，故需要高性能、低耗電的MCU來進(jìn)行生理訊號量測與數(shù)據(jù)收集、運(yùn)算并儲存，且經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機(jī)或主機(jī)設(shè)備來達(dá)成此項(xiàng)需求。
針對上述需求，新唐的Nano Cortex-M0系列MCU可提供低于1μA待機(jī)電流、低于200μA/MHz的運(yùn)算功耗，且具有Cortex-M0低耗能高效能核心，并提供高速高準(zhǔn)確度12位ADC以進(jìn)行訊號量測、SPI或I2C用來連接無線模塊，完全符合醫(yī)療照護(hù)設(shè)備的需求。
臺灣地區(qū)另一微控制器業(yè)者——盛群半導(dǎo)體也相當(dāng)看好醫(yī)療應(yīng)用的進(jìn)展，盛群表示，就該公司而言，針對客戶需求開發(fā)的ASSP MCU(整合型)產(chǎn)品，成長力道強(qiáng)過標(biāo)準(zhǔn)型MCU，以盛群上半年標(biāo)準(zhǔn)型MCU、ASSP(整合型)MCU的營收成長狀況而言，占整體營收比重42%的標(biāo)準(zhǔn)型MCU年增約10%，占營收比重24%的ASSP MCU則大幅成長39%。該公司并持續(xù)看好ASSP于小家電、醫(yī)療、工控三大應(yīng)用的成長性，尤其在血壓計(jì)、血糖儀等應(yīng)用方面已有所進(jìn)展。盛群今年第二季MCU的總出貨量，已從第一季的9984.9萬顆成長至1.13億顆。目前盛群的MCU產(chǎn)品是以2.2~5.5V的低電壓產(chǎn)品為主，不過ASSP MCU會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向高壓市場。盛群目前正在與聯(lián)電合作開發(fā)高壓工藝，預(yù)計(jì)未來會(huì)再將產(chǎn)品線延伸至12~24V的高壓市場，并進(jìn)一步切入馬達(dá)控制等領(lǐng)域。
物聯(lián)網(wǎng)將帶動(dòng)RF MCU龐大需求
除了上述應(yīng)用外，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所帶動(dòng)的RF微控制器絕對是不可忽視的一部分。在萬物皆可聯(lián)的時(shí)代中，相關(guān)設(shè)備在加入聯(lián)網(wǎng)功能的同時(shí)，仍需兼顧低成本、低功耗等因素，因此微控制器業(yè)者積極將RF收發(fā)器與微控制器整合為系統(tǒng)單芯片。例如芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)已發(fā)表整合ZigBee與MCU的SoC方案。芯科實(shí)驗(yàn)室Ember ZigBee解決方案總經(jīng)理Robert LeFort表示，由于許多物聯(lián)網(wǎng)裝置如煙霧傳感器、智能電表、個(gè)人醫(yī)療保健產(chǎn)品等需以電池供電，因此選擇低功耗無線通信技術(shù)將是最佳解決之道，讓ZigBee更坐穩(wěn)物聯(lián)網(wǎng)主流通訊技術(shù)的寶座。
芯科實(shí)驗(yàn)室Ember ZigBee解決方案總經(jīng)理Robert LeFort
芯科實(shí)驗(yàn)室的單芯片解決方案是以安謀國際(ARM)Cortex-M3核心、整合ZigBee PRO協(xié)議堆棧收發(fā)器。由于硬件高度整合并完整納入ZigBee PRO通訊協(xié)議、應(yīng)用范例等軟件，因此可提高易用性。
值得一提的是，芯科實(shí)驗(yàn)室已于日前宣布收購總部位于挪威奧斯陸的Energy Micro公司，Energy Micro的主要產(chǎn)品為低功耗32位微控制器產(chǎn)品，并正在開發(fā)基于ARM Cortex-M架構(gòu)的多協(xié)議無線射頻解決方案，可滿足那些對功耗敏感的應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)、智能能源、家庭自動(dòng)化、安全系統(tǒng)及便攜式電子產(chǎn)品等。透過此次收購案，預(yù)期Silicon Labs在RF微控制器上進(jìn)展將更為可觀。
Silicon Labs表示，Energy Micro的產(chǎn)品針對不斷增長的嵌入式市場，是Silicon Labs現(xiàn)有的32位Precision32微控制器，Ember ZigBee及sub-GHz無線產(chǎn)品的有力補(bǔ)充。Silicon Labs的總裁兼首席執(zhí)行官Tyson Tuttle并強(qiáng)調(diào)，這次收購將加速低功耗MCU解決方案在物聯(lián)網(wǎng)和智慧能源領(lǐng)域的發(fā)展，兩家公司擁有的低功耗MCU、射頻產(chǎn)品、無線連接和傳感解決方案等廣泛的產(chǎn)品組合，將為嵌入式行業(yè)帶來超低功耗的解決方案，針對采用最低功耗ARM平臺、頻率低于1GHz、ZigBee、藍(lán)牙低功耗連接地32位MCU提供廣泛的選擇。
整體而言，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧電網(wǎng)及智慧設(shè)施的普及，將有越來越多的設(shè)備需透過無線技術(shù)連結(jié)在一起，且必須在低功耗狀態(tài)下運(yùn)行，這將為MCU業(yè)者帶來極大的挑戰(zhàn)，也是龐大的商機(jī)所在。
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