重新定義MCU
來源：本文由電姬翻譯自semiengineering，作者Ed Sperling，謝謝。
隨著銷售價格暴跌，微控制器公司正在尋找實現規模經濟的新方法。
人們正在將微控制器用於各種各樣的新型和遠遠更加複雜的計算任務，讓它們從單獨的晶元向著更加高度集成的器件發展，從而成為微處理器的有力競爭者。
微控制器單元（MCU/單片機）可以用於許多任務，從輔助駕駛和自動駕駛到智能卡。它們往往是各種互連設備的中心處理元件；而這些互連設備又正在逐漸形成物聯網。實際上，如果沒有 MCU，物聯網能不能成功就不好說了。
圖 1：MCU 需求正在健康地增長，但總體市場收入的增速卻慢得多。來自 Semico Research
但這種普及性是有代價的。儘管 MCU 的市場機會在擴大，但平均售價卻在大幅下挫。現在收回開發成本所需的出貨量要比以前大得多，如果不做出一些重大改變，某些公司可能將難以繼續在 MCU 領域實現盈利。
圖 2：報告中 MCU 行業最大的增長來自於整合。來自 IC Insights
微控制器主要分為三種：8 位、16 位和 32 位。現在仍還有一些 4 位微控制器在使用，但很多 4 位微控制器客戶要麼已經遷移到了 8 位，要麼就計劃未來進行遷移。16 位 MCU 將會是下一個主流，這也更加昂貴。但 32 位 MCU 的售價降得如此之快，以至於大多數正考慮升級到 16 位的客戶現在也在向更先進的晶元遷移了。
IC Insights 高級市場研究分析師 Rob Lineback 說：「今年，32 位的 ASP（平均銷售價格）下降了 15%。我們看到 32 位的售價每年下降 7%（CAGR/年複合增長率）。16 位市場的 CAGR 是 -2%，8/4 位市場的也是 -2%。未來將可能出現 32 位微控制器的售價比 16 位微控制器還低的情況。這是純粹的競爭和定價壓力。物聯網是其中一部分推動力。」
Semico Research 製造領域總經理 Joanne Itow 也看到了類似的趨勢：「除了 DRAM 和 NAND，所有邏輯晶元市場的 ASP 現在情況都不好。微控制器市場的唯一一個大贏家是 ARM，因為它們掌控著內核、低功耗的 IP 和安全性。公司也可以自己開發所有這些東西，但使用 ARM 已有的要容易些。」
一樣的問題，不同的策略
目前有兩個相互矛盾的趨勢在發展——ASP 在下降而複雜度在上升。這給 MCU 製造商帶來了遠遠更大的壓力，它們需要讓自己的工藝和方法更有效率。
一種方法是利用這些器件中已有的東西，但目前很多公司都忽略了這種方法。「看看 TrustZone，其中很多功能都沒用上。」西門子旗下 Mentor 的嵌入式軟體部門的高級產品線經理 Andrew Caples 說，「你可以增加可靠性和創建內存分區，這樣你可以只讀或讀寫，但卻並沒有充分利用它。電源管理是另一個功能，在某些案例中這可能是產品表現好壞的決定性因素，因為這會影響電池壽命。這些 MCU 中有些具有超過 16 個低功耗狀態，但從一個功耗狀態遷移到下一個功耗狀態是很複雜的。要利用這些功能，還需要在軟體上投入遠遠更多思考。」
複雜度的增長已經在讓 MCU 製造商向下一個工藝節點遷移了，這樣就可以在同樣尺寸的空間中集成更多內存、連接性和處理能力。這是摩爾定律在另一個不同市場的應用，而對 32 位 MCU 而言，當前的前沿節點是 40nm。公司們也正在研發 32/28nm 的版本。
Flex Logix 公司 CEO Geoffrey Tate 說：「問題是微控制器公司開發了數十種乃至數百種 SKU（stock-keeping unit），部分原因是分配給串列 I/O 的引腳各不相同。有些是 SPI（串列外設介面），有些是 UART（通用非同步接收器/發送器）。或者它們以不同的方式提供硬體和綁定。但 40nm 的掩模成本會上升，所以數十種變體會消耗大量資金。需要一定數量的查找表才能編程一個串列 I/O。」
避開這個問題的一種方法是使用嵌入式 FPGA 為微控制器本身提升靈活度，這樣這些器件就能滿足各種不同市場的編程需求，而無需再為每種應用都開發一種新的 MCU。
第三種方法是做更加有效的驗證，減少 MCU 設計流程的後端所需的時間量。
Cadence 的模擬、基於 FPGA 的原型設計和硬體/軟體使能部門的產品管理和營銷高級組長 Frank Schirrmeister 說：「這就是 Portable Stimulus 讓人感興趣的原因。它讓我們可以更輕鬆地理解。這些 MCU 中有的正變得更像系統，所以有些微控制器大公司正在銷售這些帶有定製化軟體開發的設計。這可以用於對其進行評估。」
一個設備，多種用途
所有這些方法都有助於將 MCU 變成一種可直接使用的器件，從而可以為垂直細分市場或特定應用快速定製化。但整個流程還需要進一步的簡化。
ARM 的市場開發高級總監 Bill Neifert 說：「在 EDA 中，你對工具中的一些奇怪之處的容忍度更高。看看微控制器市場，卻很不同，因為開發軟體的人希望下載調試器和編譯器並使其工作。他們的最終產品不是晶元。而是系統，他們需要能有效地解決他們的問題的東西。你提供的是一種尺寸縮減的帶有大量功能和選項的器件，所以你需要滿足每個人的需求，從最高級的用戶到開發一次性產品的業餘愛好者。同樣的產品需要適用於他們所有人。」
關鍵是要在上市時間和成本與優化之間找到平衡。根據應用的不同，這種平衡也可能差異顯著。
Semico 的 Itow 說：「對此有一些不同的方法。有些公司專為特定的應用設計，比如 IIoT。有些公司相信通用方法才是正確的方法，然後再圍繞它進行定製。但顯然這裡存在各種不同的機會。所以即使我們正看到一些整合，我們也很有可能能看到新公司進入這一市場。」
真正有量的是物聯網和消費電子市場，而 MCU 就是為這些細分市場量身定做的。它們包含了內存、處理、安全和通信技術，但所有這些都會比強大的 SoC 弱一點。
「過去大量微控制器最後都被用在了工業和汽車市場，這些市場有更長的銷售周期。」Neifert 說，「現在我們看到它們越來越多地用在了消費電子市場，其中的內容需要是最新和最好的。隨著銷售給消費者的這類設備越來越多，你將需要快速的周轉，這意味著同樣的微控制器可能會有 10 種不同的應用方式，而且其中很多都取決於軟體。」
其中有些會應用於之前從未存在過的系統，或用作系統的通用型附加組件，而不是架構的核心部分。
Microchip Technology 高級產品營銷經理 Bill Hutchings 說：「有些通常與微處理器無關的更高性能的內核和時鐘。所以看看感測器集成（sensor hub），通常會有一個預處理器，通常用作中間層微控制器。」
重新定義 MCU
過去幾年來，微控制器之間的差異化因素是功能性。因此 32 位 MCU 比 8 位 MCU 的能力顯著更強，因此價格也就更高。但隨著公司向上遷移，現在它們也正在開發足以媲美低端微處理器產品線的器件。
但從歷史上看，兩者之間仍然還是存在顯著的差異。微處理器組合性地使用了內部內存和外部內存，而傳統上的 MCU 僅依賴於內部內存。這種情況正在開始改變，有些 MCU 提供了連接DRAM 或其它類型的外部內存的能力。
「如果你回到 15 年前，你找 100 位工程師，然後在他們面前放一個微控制器和一個微處理器，他們肯定能夠分辨哪個是哪個。」Rambus 的傑出發明家 Steven Woo 說，「如果你今天還找到這同樣 100 位工程師，就會出現很多爭議了。摩爾定律是造成這種概念模糊的部分原因。在 die 上的晶體管數量更多了，你能使用這些晶體管所做的事情也更多了。」
伴隨著更好的空間利用，我們也可以放入更多片上和片外內存。MCU 通常使用的是 DDR2 和快閃記憶體的組合。但因為各處的密度都增大了，DDR2 的內存大小已經增至了 2MB 之高，另外還有 2MB 這麼高的嵌入式快閃記憶體。
「從至少 6 或 7 年開始，32 位產品線上的器件就已經有連接外部內存的能力了，但並沒有太多器件利用了這一點。」意法半導體美洲地區微控制器產品經理 Stuart McLaren 說，「最近我們已經看到了這種情況（使用了系統組介面（system packet interface）），所以外部還有更多 NVM 來存儲數據和代碼。關鍵的變化是更多性能和更多功能。互連的應用會越來越多。而且隨著它們變得互連，你會有與網關或雲進行通信的節點。那至少需要一個簡單的微控制器，可以收集一些感測器數據並將其聚合到一起。」
微控制器也在開始向雲的上游移動。
「網關上運行著很多雲服務，而且它們正做著更加先進的分析工作。」McLaren 說，「我們看到有用於圖形處理的外部內存，通常是一個 1 幀或 2 幀緩衝區，你可以在這裡渲染來自幀緩衝器的信息，然後刷新。我們也可以看到大量微控制器進入物聯網的這三個領域——家庭和城市、智能工業、智能萬物。每一種應用都有處理和安全的需求。它們也需要與真實工作的介面並且需要某種形式的連接，在很多案例中這種連接是 RF，但也可能是低功耗藍牙或其它近場處理。而且它們需要管理電源，從可穿戴到工業應用都有可能。MCU 是物聯網的核心。」
據 ARM 的 physical IP 工程副總裁 Dipesh Patel 說，MCU 也會在資產跟蹤等新應用得到使用。「使用 32 位，你可以跟蹤一個零部件的旅程，而且你可以讓其完全安全，使用 8 位的話你永遠不能做到這一點。MCU 正越來越複雜。在簡單的層面上，你可以存儲、處理和傳輸數據。但現在你可以做到更多，因為有更多內存了。」
他指出現在也有增加片上快閃記憶體的發展，尤其是因為有些更先進的設計正在向 40nm 乃至 28 nm 遷移。今天，大多數 MCU 都使用著老舊的工藝，有的甚至高達 350nm，但也有些更先進的 IoT 設計是用 65nm 和 40nm 工藝開發的。
大規模定製與利基
成本一直都是 MCU 的關鍵推動因素之一，儘管過去十年中使用它們的主要考慮因素是功率特徵，因此我們很難找到沒有微控制器的系統。但漸漸地，系統供應商也開始針對一些新任務設計 MCU，而就在幾年之前，系統供應商還根本沒考慮過這些任務。
「我們看到它們被用作完全集成的微處理器的伴隨晶元，而且是用於安全應用。」Microchip 產品營銷經理 Jeanette Wilson 說，「你也許需要做基本的身份認證，而微控制器可以被用作加固密鑰（hardened key）的存儲器。這需要與 ECC（橢圓曲線密碼學）SoC 進行握手，你可以將其放入一個防篡改包中或將其用作熵源（entropy source）。你也可以添加加密/解密，這又是另一個層面的安全功能，並且具有單調的計數器以防止重放。這通常是通過軟體完成的，但如果你將其做到硬體中，你就可以節省 8000 到 12000 行代碼，而且從執行的角度看，這麼做的速度也會更快。」
MCU 也正出現在擴展板卡上以及感測器旁邊，這些感測器可以測量從運動到溫度等各種各樣的指標。
意法半導體的 McLaren 說：「我們以高達 400MHz 的頻率運行它們，過去你只能在 MPU 上看到這種速度。而且我們還看到了一些微控制器本身也連接多個微控制器的案例，其中在主微控制器和其它微控制器之間可能有一個 API。」
總結
區分不同類型的邏輯器件的難度正越來越大，而且隨著先進封裝持續被用於更多設計，這個難度可能還會繼續增大。
IC Insights 的 Lineback 說：「在 20 世紀 80 年代，MCU 就是片上系統（system on a chip）或片上計算機（computer on a chip），而且有時候人們直接就這麼說。最終，定義這些類別的 WSTS（世界半導體貿易統計組織）會畫上不同的界線。」
與此同時，MCU 供應商將竭盡全力提升它們的器件的價值並延緩價格下降的勢頭，因為降價趨勢已經給這一行業帶來了嚴峻的技術難題。它們將會給器件增加更多靈活性，或是減少當前所開發的器件的數量，還是更改這些器件的設計和驗證方式？目前還不清楚。但 MCU 的重要性只會越來越大，所以這些問題也將需要得到解決。
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