低功耗需求催生MCU市场百花齐放

【导读】在未来几年，微控制器(MCU)市场的主要增长驱动力将来自于绿色能源、智能电子设备、智能电网等，根据调研单位IHS Electronics&Media的报告，预计2013年整个MCU出货量将较2012年出现7.7%的增长。

就应用来看，在移动设备方面，产品功能越来越多，然而功耗要求却越来越低。此外，工业应用的智能化及物联网的建立，促使远程监控、数字化、网络化等应用需求高涨，产品功能越来越复杂，运算量越来越高，以上种种需求对于MCU的挑战也就愈趋严苛，32位MCU也就成为许多难题的希望所寄。

32位MCU发展的主要驱力来自于开放平台ARM Core的进展。2009年ARM所发表的32位Cortex-M0核心，开始提供微控制器厂商一个强而有力的平台，让微控制器业者能专注于外围电路、系统整合及应用领域的开发。平台的进展，加上工艺技术的进步，嵌入式闪存工艺普及化及降价，CPU核心的成本差异已大幅缩短，更促进了高性价比32位低功耗微控制器的快速发展。

Cortex-M带动32位微控制器

 

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新唐科技微控产品中心协理林任烈

对此，新唐科技微控产品中心协理林任烈表示，在这几年ARM Cortex-M核心导入后，MCU的开发及市场方向产生了极大的变化。以往各MCU厂商多使用自行开发的MCU核心，开发环境及架构为封闭的，但至今大约80%的厂商均已转换成以Cortex-M为核心的开放架构平台与开发环境，使开发工程师可基于同一开发平台但有多样的选择，所开发的应用可以轻易移植到不同厂商的MCU上，增高可重用性，也减轻重复开发的成本。

ARM Cortex核心依据效能不同，拥有包括M0、M0+、M3、M4等不同架构。Cortex-M4为最高等级，具备浮点运算单元与DSP能力，可以满足工业马达更精密复杂的高端技术需求，中端的ARM Cortex-M3核心则能满足马达应用中的FOC演算、霍尔效应感测与过电压、过电流保护等需求，至于M0与更低功耗的M0+核心，则是针对简易的马达控制，可满足工业市场与一般消费市场的需求。

以低价提供强大性能

整体而言，ARM Cortex系列核心的主要要求就是以32位的效能与8位的价格，来取代传统MCU产品。因应不同的Cortex系列，意法半导体(ST)也分别推出了STM32F1、STM32F2、STM32F3、STM32F4，而最新问世的STM32F0则是专为有成本考虑的环境所设计。STM32F0是以Cortex-M0为核心，保留STM32平台易于使用的特性，指令周期为48MHz，并且拥有5组DMA及优良的电源管理工具。意法半导体产品营销经理杨正廉指出，意法以ARM Cortex-M0架构，推出了STM32F0处理器，在大量出货的状况下，平均每颗芯片的价格仅为0.69美元，价格与传统8位MCU差不多，但是却可应用在更多的环境中。

 

 

意法半导体的STM32F0价格与8位相当。

同样的，英飞凌科技(Infineon)推出的采用ARM Cortex-M0处理器的XMC1000系列32位微控制器产品，也是以“8位价格，32位性能”为主要卖点。它以目前采用8位MCU的低端工业应用领域为目标市场，支持包括传感器与致动器应用、LED照明、不断电系统等的数字功率转换，以及例如家电产品、风扇和电动自行车的简易马达控制等。

英飞凌工业及多元电子微控制器部门资深协理Stephan Zizala表示，XMC1000系列拥有让广泛系统能由8位微控制器转换至32位的优势，以8位的产品价格，提供确实的32位效能，整合应用优化的外围，拥有可扩充至XMC4000微控制器系列的能力，以及易于使用的免费DAVE开发环境。XMC1000系列产品采用台积电(TSMC)先进65纳米嵌入式闪存技术以及12英寸晶圆工艺，已自3月起开始提供样品。

 

 

英飞凌的XMC1000以8位价格提供32位性能。
【导读】在未来几年，微控制器(MCU)市场的主要增长驱动力将来自于绿色能源、智能电子设备、智能电网等，根据调研单位IHS Electronics&Media的报告，预计2013年整个MCU出货量将较2012年出现7.7%的增长。

就应用来看，在移动设备方面，产品功能越来越多，然而功耗要求却越来越低。此外，工业应用的智能化及物联网的建立，促使远程监控、数字化、网络化等应用需求高涨，产品功能越来越复杂，运算量越来越高，以上种种需求对于MCU的挑战也就愈趋严苛，32位MCU也就成为许多难题的希望所寄。

32位MCU发展的主要驱力来自于开放平台ARM Core的进展。2009年ARM所发表的32位Cortex-M0核心，开始提供微控制器厂商一个强而有力的平台，让微控制器业者能专注于外围电路、系统整合及应用领域的开发。平台的进展，加上工艺技术的进步，嵌入式闪存工艺普及化及降价，CPU核心的成本差异已大幅缩短，更促进了高性价比32位低功耗微控制器的快速发展。

Cortex-M带动32位微控制器

 

 

新唐科技微控产品中心协理林任烈

对此，新唐科技微控产品中心协理林任烈表示，在这几年ARM Cortex-M核心导入后，MCU的开发及市场方向产生了极大的变化。以往各MCU厂商多使用自行开发的MCU核心，开发环境及架构为封闭的，但至今大约80%的厂商均已转换成以Cortex-M为核心的开放架构平台与开发环境，使开发工程师可基于同一开发平台但有多样的选择，所开发的应用可以轻易移植到不同厂商的MCU上，增高可重用性，也减轻重复开发的成本。[!--empirenews.page--]

ARM Cortex核心依据效能不同，拥有包括M0、M0+、M3、M4等不同架构。Cortex-M4为最高等级，具备浮点运算单元与DSP能力，可以满足工业马达更精密复杂的高端技术需求，中端的ARM Cortex-M3核心则能满足马达应用中的FOC演算、霍尔效应感测与过电压、过电流保护等需求，至于M0与更低功耗的M0+核心，则是针对简易的马达控制，可满足工业市场与一般消费市场的需求。

以低价提供强大性能

整体而言，ARM Cortex系列核心的主要要求就是以32位的效能与8位的价格，来取代传统MCU产品。因应不同的Cortex系列，意法半导体(ST)也分别推出了STM32F1、STM32F2、STM32F3、STM32F4，而最新问世的STM32F0则是专为有成本考虑的环境所设计。STM32F0是以Cortex-M0为核心，保留STM32平台易于使用的特性，指令周期为48MHz，并且拥有5组DMA及优良的电源管理工具。意法半导体产品营销经理杨正廉指出，意法以ARM Cortex-M0架构，推出了STM32F0处理器，在大量出货的状况下，平均每颗芯片的价格仅为0.69美元，价格与传统8位MCU差不多，但是却可应用在更多的环境中。

 

 

意法半导体的STM32F0价格与8位相当。

同样的，英飞凌科技(Infineon)推出的采用ARM Cortex-M0处理器的XMC1000系列32位微控制器产品，也是以“8位价格，32位性能”为主要卖点。它以目前采用8位MCU的低端工业应用领域为目标市场，支持包括传感器与致动器应用、LED照明、不断电系统等的数字功率转换，以及例如家电产品、风扇和电动自行车的简易马达控制等。

英飞凌工业及多元电子微控制器部门资深协理Stephan Zizala表示，XMC1000系列拥有让广泛系统能由8位微控制器转换至32位的优势，以8位的产品价格，提供确实的32位效能，整合应用优化的外围，拥有可扩充至XMC4000微控制器系列的能力，以及易于使用的免费DAVE开发环境。XMC1000系列产品采用台积电(TSMC)先进65纳米嵌入式闪存技术以及12英寸晶圆工艺，已自3月起开始提供样品。

 

 

英飞凌的XMC1000以8位价格提供32位性能。
【导读】在未来几年，微控制器(MCU)市场的主要增长驱动力将来自于绿色能源、智能电子设备、智能电网等，根据调研单位IHS Electronics&Media的报告，预计2013年整个MCU出货量将较2012年出现7.7%的增长。

英飞凌同时推出三个系列的XMC1000产品，包括入门系列XMC1100、功能系列XMC1200与控制系列XMC1300;这三种产品的主要差别在于内存容量和外围组，芯片内建的闪存容量从8KB至200KB。XMC1000系列目前提供采TSSOP封装，16、28和38管脚，共计23款产品。其中，XMC1000系列专为目前仍局限于8位微控制器的工业应用所设计，除内建200KB闪存，并具备高效能PWM定时器、12位A/D转换器和可编程的串行通讯接口。此外，还具备用于触控和LED显示器的模块、用于LED调光和色彩控制的外围单元，以及专门用于马达控制的数学协同处理器等额外功能。

新唐所推出的Cortex-M0 MCU系列，应用已从以往着重于触控，分散到包括电表、血压计等多元的应用，M0包括通用型(general)、价值型(value line)及低功耗三大产品系列。目前新唐的M0已是全球市占最大的厂商，其次则是恩智浦(NXP)。新唐2012年的32位MCU出货量约在2千万颗，而今年新唐第一季的32位MCU出货量已超过600万颗，预期全年出货量可超过3千万颗。

继M0系列后，新唐并再接再厉推出以Cortex-M4为核心的高性能MCU，将以工业应用为首要应用，再拓展至其他应用。据了解，新唐将积极进军ARM Cortex-M3 32位市场，并试图以价格战进军由意法半导体、飞思卡尔所把持的市场。新唐这次所推出的ARM Cortex-M4 32位微控制器，其效能比M0要快1.3倍，同时内含数字信号处理器，可涵盖于更高端应用，例如工控，已于今年第三季开始送样。M4系列将先推通用型产品线，明年上半年则会再推出价值型、低功耗产品。另由于持续看好MCU市场于中国大陆的成长性，为就近服务客户，新唐将于今年底前将中国大陆MCU的服务据点，从现有的4、5个扩增至双位数。

爱特梅尔(Atmel)也已推出采用ARM Cortex-M0+内核的微控制器产品SAM D20，主要应用于家庭自动化、消费、智能型计量和工业应用等。爱特梅尔微控制器业务部门高级副总裁兼总经理Reza Kazerounian表示，SAM D20微控制器是智能型连接设备的核心，具有独特的外围设备、超低功耗、完整的整合开发平台，以及易于使用的开发工具套件，因此设计人员可以在很短的时间内就将产品推出上市。该产品系列支持按键、滑动式控制钮和转盘触控功能以及接近感测，无需外部的元器件，并且包括具有32、48和64引脚封装选择和16到256KB闪存的14种新器件。目前此组件已获得微机电传感器全球供货商Bosch Sensortec GmbH的采用，用于该公司的9轴绝对定向传感器(BNO055)中。

USB MCU满足人机界面需求

在微控制器的进展中，另一值得注意的产品趋势是USB MCU。新唐科技林任烈指出，随着USB的普及，与PC、手机、平板电脑连接的需求亦急遽增加，相关应用包括iPad Docking、USB人机接口等，平板计算机当中的触控模块便需使用具备USB接口的高性能MCU来实现。USB MCU目前除了广泛应用于工业电子的实时诊断与产品软件升级，亦应用于大型触控屏幕与平板计算机，利用SPI与触控传感器通讯、读取触控讯号、进行运算，并实时送出运算所得之坐标与主机进行显示或控制。目前新唐的NUC120系列便是应用于工业控制，NUC122和NUC123系列则应用于PC周边与平板计算机等多样领域。

瑞萨电子(Renesas)的32位微控制器系列所推出的新款RX111产品，亦内建USB 2.0外围装置可支持主控、装置及On-The-Go(OTG)功能。瑞萨表示，此产品RX111将瑞萨8/16位RL78 MCU系列的超低功耗带入32位RX产品系列，提供更大范围的装置扩充性与功能。新款RX111的设计可支持多种低端32位嵌入式应用，包括行动医疗保健、智慧电表、传感器/侦测器，以及工业与大楼自动化。RX111将自2013年7月开始供应样品，量产时间预定为2013年9月，预估至2014年4月产能可达每月100万颗。[!--empirenews.page--]

随着各种应用特性的不同，对于MCU的要求也各有不同。其中，工业电子着重于高性能、高稳定度、高抗噪声及宽工作电压和宽温度范围。新唐林任烈表示，该公司MCU着眼于这些工业需求，提供不同于一般业界之3V系统，而是以2.4~5.5V为MCU之操作电压，符合工业应用之5V环境需求，并提高MCU之ESD、EFT效能，以能符合工业电子应用于高干扰噪声之环境。新唐的NUC100/200系列即符合此项需求。

医疗领域强调低耗能及高效能处理

医疗照护设备则强调低耗能，因此如何延长电池使用寿命，并保有高性能处理效能，满足传感器与无线连接接口需求，便成为研发主要目标。根据Gartner研究指出，可携式医疗设备如血糖计、血压计、心率监测器等，是医疗设备市场当中成长最快的部分。而这些消费型便携式医疗设备除了对于价格极为敏感之外，在可靠性、准确性、低功耗、小尺寸、稳定电压等要求更为严格。

医疗照护设备除了提供基本生理讯号量测外，另一方面又需将储存之数据传输至手机或后台程序进行分析诊断，因此与无线传输(如蓝牙、ZigBee等)结合又为另一需求，故需要高性能、低耗电的MCU来进行生理讯号量测与数据收集、运算并储存，且经由无线网络传输至手机或主机设备来达成此项需求。

针对上述需求，新唐的Nano Cortex-M0系列MCU可提供低于1μA待机电流、低于200μA/MHz的运算功耗，且具有Cortex-M0低耗能高效能核心，并提供高速高准确度12位ADC以进行讯号量测、SPI或I2C用来连接无线模块，完全符合医疗照护设备的需求。

台湾地区另一微控制器业者——盛群半导体也相当看好医疗应用的进展，盛群表示，就该公司而言，针对客户需求开发的ASSP MCU(整合型)产品，成长力道强过标准型MCU，以盛群上半年标准型MCU、ASSP(整合型)MCU的营收成长状况而言，占整体营收比重42%的标准型MCU年增约10%，占营收比重24%的ASSP MCU则大幅成长39%。该公司并持续看好ASSP于小家电、医疗、工控三大应用的成长性，尤其在血压计、血糖仪等应用方面已有所进展。盛群今年第二季MCU的总出货量，已从第一季的9984.9万颗成长至1.13亿颗。目前盛群的MCU产品是以2.2~5.5V的低电压产品为主，不过ASSP MCU会逐渐转向高压市场。盛群目前正在与联电合作开发高压工艺，预计未来会再将产品线延伸至12~24V的高压市场，并进一步切入马达控制等领域。

物联网将带动RF MCU庞大需求

除了上述应用外，物联网发展所带动的RF微控制器绝对是不可忽视的一部分。在万物皆可联的时代中，相关设备在加入联网功能的同时，仍需兼顾低成本、低功耗等因素，因此微控制器业者积极将RF收发器与微控制器整合为系统单芯片。例如芯科实验室(Silicon Labs)已发表整合ZigBee与MCU的SoC方案。芯科实验室Ember ZigBee解决方案总经理Robert LeFort表示，由于许多物联网装置如烟雾传感器、智能电表、个人医疗保健产品等需以电池供电，因此选择低功耗无线通信技术将是最佳解决之道，让ZigBee更坐稳物联网主流通讯技术的宝座。

 

 

芯科实验室Ember ZigBee解决方案总经理Robert LeFort

芯科实验室的单芯片解决方案是以安谋国际(ARM)Cortex-M3核心、整合ZigBee PRO协议堆栈收发器。由于硬件高度整合并完整纳入ZigBee PRO通讯协议、应用范例等软件，因此可提高易用性。

值得一提的是，芯科实验室已于日前宣布收购总部位于挪威奥斯陆的Energy Micro公司，Energy Micro的主要产品为低功耗32位微控制器产品，并正在开发基于ARM Cortex-M架构的多协议无线射频解决方案，可满足那些对功耗敏感的应用，如物联网、智能能源、家庭自动化、安全系统及便携式电子产品等。透过此次收购案，预期Silicon Labs在RF微控制器上进展将更为可观。

Silicon Labs表示，Energy Micro的产品针对不断增长的嵌入式市场，是Silicon Labs现有的32位Precision32微控制器，Ember ZigBee及sub-GHz无线产品的有力补充。Silicon Labs的总裁兼首席执行官Tyson Tuttle并强调，这次收购将加速低功耗MCU解决方案在物联网和智慧能源领域的发展，两家公司拥有的低功耗MCU、射频产品、无线连接和传感解决方案等广泛的产品组合，将为嵌入式行业带来超低功耗的解决方案，针对采用最低功耗ARM平台、频率低于1GHz、ZigBee、蓝牙低功耗连接地32位MCU提供广泛的选择。

整体而言，随着物联网、智慧电网及智慧设施的普及，将有越来越多的设备需透过无线技术连结在一起，且必须在低功耗状态下运行，这将为MCU业者带来极大的挑战，也是庞大的商机所在。

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