物聯(lián)網(wǎng)到底需要什么樣的MCU 性能與功耗仍是關鍵

MCU的身影已廣泛出現(xiàn)在手機、PC外圍、汽車、工業(yè)等領域，但物聯(lián)網(wǎng)眾多的應用將會催生MCU更大的商機。不過，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)智能家居、智能汽車、智能制造以及可穿戴設備、人工智能等眾多應用的需求，MCU的連網(wǎng)性能、豐富的接口、更多的集成必不可少，性能、功耗、安全性的提升同樣不容忽視。物聯(lián)網(wǎng)到底需要什么樣的MCU?

物聯(lián)網(wǎng)催生大商機 MCU可塑性及通用性發(fā)揮重要作用

IHS早前預估針對連網(wǎng)汽車、可穿戴設備、建筑物自動化以及其他有關物聯(lián)網(wǎng)應用的MCU市場預計將以11%的CAGR成長，2019年時達到28億美元的市場規(guī)模。IHS Technology資深分析師Tom Hackenberg表示：“事實上，如果少了物聯(lián)網(wǎng)應用成長的影響，MCU市場將會在未來10年停滯不前。”需要指出的是IHS將物聯(lián)網(wǎng)市場劃分為三個不同的類型：控制器、基礎架構以及節(jié)點。Hackenberg進一步指出，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢與MCU市場的關系密不可分，無論是連接用的小型節(jié)點、收集與記錄數(shù)據(jù)的傳感器中樞，主要都以MCU平臺為基礎。

廣州周立功單片機科技有限公司產(chǎn)品經(jīng)理郭志銳接受《華強電子》采訪時表示：“MCU在物聯(lián)網(wǎng)時代的價值可以從兩方面去看，一方面物聯(lián)網(wǎng)整個產(chǎn)業(yè)鏈都還有很多不確定性，行業(yè)的需求也在定型當中，MCU的可塑性對整個行業(yè)有很強的適應性，非常適合做新產(chǎn)品的開發(fā)和調(diào)研。當然，MCU有豐富規(guī)格供選擇，32位Cortex-M系列MCU從M0、M0+、到更高性能M4、M7，以及更為復雜的A7、A9，可以涵蓋從終端到網(wǎng)關到后臺的監(jiān)控的應用。另一方面，MCU本身通用性很好，并且也已經(jīng)做了多年的推廣，不會增加用戶的學習成本，常用的ARM的不同平臺其實都大同小異，升級換代也很簡單，MCU無疑是物聯(lián)網(wǎng)時代非常好的選擇?！?/p>

迎來“第三個春天”與物聯(lián)網(wǎng)眾多應用密切相關的人工智能同樣將促進MCU市場的增長。富邦證券預估人工智能所創(chuàng)造的半導體芯片產(chǎn)值2025年將超過700億美元，AI在機器智能學習發(fā)展的突破中催生了ASIC芯片需求，也衍生了IP、SSD、MCU的大商機。其中，機器人、工業(yè)應用、機器視覺、聽覺等需求增加使模擬數(shù)據(jù)的產(chǎn)出也明顯提升，利用MCU與傳感器來得到外界信息的解決方案需求也將隨之上揚。

意法半導體(ST)MCU市場部區(qū)域經(jīng)理彭祖年

更具體來說，意法半導體(ST)MCU市場部區(qū)域經(jīng)理彭祖年接受采訪時表示：“現(xiàn)在大部分人工智能都是在處理器或服務器級別的計算設備上實現(xiàn)的，MCU以前都是做一些相對簡單的實時性應用，數(shù)據(jù)處理應用比較少。隨著MCU制造工藝的變化使其與CPU之間的界限也開始變得模糊，MCU性能的提升使其可以多做一些算法，也能輔助人工智能的開發(fā)。ST推出的Cortex-M7內(nèi)核高性能的MCU可以輔助大數(shù)據(jù)處理計算系統(tǒng)，也可以滿足對實時性要求比較高的應用。比如在人工智能的一些神經(jīng)網(wǎng)絡引擎，已經(jīng)可以在MCU上實現(xiàn)，可以幫助用戶實現(xiàn)諸如場景識別等算法;另一方面，MCU所能提供的低功耗運行，將為消費類電子的AI算法應用帶來更佳的用戶體驗?！?/p>

集成聯(lián)網(wǎng)功能及更多接口滿足物聯(lián)網(wǎng)需求 MCU安全問題不容忽視

既然應用于物聯(lián)網(wǎng)，那么無論是現(xiàn)在還是未來MCU的連網(wǎng)能力都是用于物聯(lián)網(wǎng)連接設備中關鍵的特性之一。強大的無線連接能力不僅對許多物聯(lián)網(wǎng)應用而言是必需的，而且這些應用也需要更先進的特性，例如對多協(xié)議無線的支持，可用來處理諸如多種網(wǎng)絡的調(diào)試和共存這樣的問題，無線連接能力也將簡化的應用開發(fā)，使無線產(chǎn)品能夠更快上市。

就MCU的連接能力，郭志銳表示：“傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)方式在中高端MCU產(chǎn)品中都已經(jīng)有了，MCU集成無線連接技術已經(jīng)成為了趨勢，Wi-Fi、藍牙、LoRa、NB-IoT都會集成到MCU的方案里，未來我們會根據(jù)具體的需求和應用場景決定集成的連接技術供客戶選擇，同時也將加快產(chǎn)品的開發(fā)速度以滿足市場的需求?！芭碜婺瓯硎荆骸盡CU聯(lián)網(wǎng)功能已經(jīng)成為了ST的重點市場策略之一，對于不同的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品形態(tài)我們都接受，現(xiàn)在比較著力于LoRa、NB-IoT、低功耗藍牙等低功耗聯(lián)網(wǎng)技術，我們認為這一塊市場未來的發(fā)展將比較快。”

除了聯(lián)網(wǎng)功能，高效的傳感器接口、各種功能和集成也是關鍵。有業(yè)內(nèi)人士表示，將各種功能集成到MCU中有許多益處，包括更低的解決方案成本、更小的占板面積和更高的功能集成度，進而可產(chǎn)生更高的性能和更低的能耗。郭志銳進一步表示：“更高集成度標準方案不僅成熟度更高，也可以節(jié)省用戶開發(fā)、測試的成本，這將有利于方案和產(chǎn)品的推廣。另外，穩(wěn)定性非常重要，不過穩(wěn)定性沒有一個標準，也不可能一開始就做到很穩(wěn)定。但MCU能做的就是運算能力的提升，因為系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升需更多的資源，MCU運算能力的提高是系統(tǒng)穩(wěn)定的保障。除此之外，MCU的功耗仍然需要加強，物聯(lián)網(wǎng)的很多節(jié)點都不是標準的節(jié)點，MCU會放在很多的產(chǎn)品之中，特別是那些可移動性的節(jié)點希望有很長的待機時間，MCU作為一個主控，在功耗很低的情況下整體控制達到一個很理想的狀態(tài)，不僅能夠保證功能的正常，實現(xiàn)方案的多樣化，更能省去更換電池的麻煩?！?/p>

彭祖年還強調(diào)了靈活性，他表示：“物聯(lián)網(wǎng)拓撲可以分為云-管-端，云端MCU的應用相對較少，MCU主要關注管和端。端的部分多種多樣，取決于不同的產(chǎn)品形態(tài)和聯(lián)網(wǎng)形式。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點需要的功能五花八門，因此一個系列的MCU產(chǎn)品無法應對所有需求，一個靈活的平臺奠定了用戶開發(fā)的基礎，靈活的平臺具有伸縮性的方案設計，能讓用戶做簡單的加減法。因此一個能夠快速上手加快產(chǎn)品開發(fā)的靈活平臺能夠幫助客戶降低節(jié)點功耗，提升通信安全性?！?/p>

提到安全性，彭祖年進一步表示：“MCU不僅僅是控制單元，也會與物聯(lián)網(wǎng)應用場景中的云、電池、能源管理等有越來越緊密的結(jié)合，因此除了高性能、低功耗，集成聯(lián)網(wǎng)技術和更多前端接口之外，安全功能也是MCU集成程度越來越高過程中不可忽略的部分。安全性是物聯(lián)網(wǎng)非常重要的問題，不過這個問題之前沒有被大家足夠重視，很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要考慮功能的實現(xiàn)，沒有注重數(shù)據(jù)的安全，系統(tǒng)防攻擊能力也不夠強，因此出現(xiàn)了許多物聯(lián)網(wǎng)竊聽或者偷窺的工具，不經(jīng)意間個人隱私就遭到了泄露。ST早已意識到安全問題，在安全領域也一直比較有優(yōu)勢。我們有智能卡技術，包括加密技術，常用的加密算法發(fā)明人也是ST的員工，另外也有很深厚網(wǎng)絡安全包括數(shù)據(jù)安全的技術積累。我們致力于打造一個從節(jié)點到云端的安全物聯(lián)網(wǎng)架構和平臺，舉例來說，在我們的智能鎖參考設計中，加入了許多安全、加密認證，提升產(chǎn)品的安全級別?！?/p>

周立功單片機同樣在很早就注意到安全問題，郭志銳說：“我們從硬件和軟件兩方面提高MCU安全性。硬件方面通過加密芯片，在可控的范圍內(nèi)做一些很實在的測試，看能否達到要求，軟件部分在應用上加入加密功能，讓客戶的方案更加保密，也能進行個性化的加密。” 還需要指出的是，對于安全性問題，兩位受訪專家都認為除了硬件與軟件的加密，更要從系統(tǒng)的角度去考慮整體的安全問題，通信、數(shù)據(jù)等部分也需要考慮。

性能與功耗仍是關鍵 物聯(lián)網(wǎng)多應用刺激32位MCU迅猛增長

提升聯(lián)網(wǎng)能力、集成度、靈活性、安全性對MCU滿足物聯(lián)網(wǎng)應用必不可少，但如何在增加功能的同時實現(xiàn)更高性能和更低降低功耗仍然是MCU的挑戰(zhàn)。彭祖年表示：“內(nèi)核和工藝限制MCU性能的提升，與CPU需要把所有程序都放到內(nèi)存運行不同，MCU是將程序放到片上Flash進行讀取和執(zhí)行，F(xiàn)lash的工藝包括讀取速度都影響MCU性能的提升。不過隨著新的IP技術的出現(xiàn)，比如ART加速器在MCU內(nèi)部的廣泛應用，這些限制性能的瓶頸已經(jīng)被突破。功耗方面，之前MCU普遍采用180nm甚至更高制程工藝，ST現(xiàn)在推出的量產(chǎn)MCU基于40nm工藝，新的工藝不僅能降低功耗，也能對性能提升有所幫助?！?/p>

可以看到，M7內(nèi)核的產(chǎn)品可以實現(xiàn)比較高的性能，更高性能的MCU產(chǎn)品也已陸續(xù)推出，郭志銳看好MCU產(chǎn)品性能的提升并強調(diào)MCU的功耗。他表示：“從供應商的角度，很重視功耗問題。從性能規(guī)劃上來看，無論是50MHz、100MHz還是高性能400MHz、500MHz的系列都會有低功耗的產(chǎn)品。目的就是盡量在不降低性能和減少功能的前提下做到功耗最低，讓客戶有更好的選擇。當然，要達到這個目標除了硬件方面的優(yōu)化，軟件方面也需要進行優(yōu)化。因此不僅需要MCU廠商去努力，也需要方案廠商等的共同努力。另外，MCU的性價比在不斷提升，與專用芯片的性價比越來越接近，這有利于MCU在物聯(lián)網(wǎng)市場的推廣?！?/p>

在不同應用的性能和功耗的需求下，性價比的重要性也能通過不同位數(shù)MCU的出貨量體現(xiàn)出來。隨著32位MCU 開發(fā)應用的成本逐漸降低，在消費電子、通訊產(chǎn)品、工業(yè)、醫(yī)療等領域已經(jīng)得到了廣泛的應用，32位MCU出貨量急起直追，但仍未超越8位MCU。其中很重要的原因就是8位MCU性能的持續(xù)提升以及本身的價格優(yōu)勢。不過據(jù)記者了解，在人工智能、智能汽車等智能化應用的推動下，繼全球領先的MCU企業(yè)之后大部分MCU企業(yè)都已經(jīng)全面進軍32位MCU領域，32位MCU將迎來更大幅度的增長。

人工智能熱門應用MCU展現(xiàn)本地處理與實時性優(yōu)勢

既然MCU的性能不斷提升并且兼具低功耗的優(yōu)勢，那么在人工智能浪潮中MCU將發(fā)揮怎樣的價值？我們不妨從人工智能目前最熱的語音識別和圖像識別兩個應用去看?！皬氖褂?a target="_blank">STM32 開發(fā)的語音識別方案看，MCU主要應用于語音的前端，即降低語音采集的噪音和語音識別的靜態(tài)功耗。MCU使語音識別從睡眠到喚醒速度達到微秒級，同時實現(xiàn)更低靜態(tài)功耗。另外，降噪處理能為識別提供純凈度更高的聲音。不可否認，語音識別的實現(xiàn)大部分還需要通過云端，但通過MCU已經(jīng)可以做本地化簡單的命令和指令的動作，比如音量增大和減小?！芭碜婺暾f明MCU在語音識中的應用。至于用MCU的性能發(fā)開圖像識別算法中的應用，他表示目前基于STM32的指紋識別和人臉識別，已經(jīng)有合作伙伴開發(fā)出了成熟的方案。

郭志銳同樣認為MCU在語音識別中最重要的是做好本地處理和做到實時性，提供數(shù)據(jù)給云端進行識別，讓用戶的使用更更簡單。他同時指出，MCU的性能已經(jīng)越來越強，有了400-500MHz性能的產(chǎn)品，可以滿足部分人臉識別的需求，比如，0-10個的人臉識別可以本地化，更多數(shù)量人臉識別就需要交給云端。而本地化的優(yōu)勢也十分明顯，包括較低的成本、功耗更低以及低功耗帶來產(chǎn)品多樣化設計。周立功單片機將在語音應用中在節(jié)點方面加強，人臉識別利用MCU分擔部分本地化功能，提供更多樣化的方案。

不過人工智能不斷更新的算法是所有AI芯片都必須面對的挑戰(zhàn)，MCU也不例外。彭祖年認為MCU更強的性能能讓其接納更多的算法，也能發(fā)揮更多的作用，MCU廠商需要和更多的算法公司合作，共同應對新的挑戰(zhàn)。郭志銳認為針對不同的應用和算法需求，結(jié)合成本和功耗方面的考慮，廠商可以選擇不同的MCU產(chǎn)品，MCU產(chǎn)品的豐富性以及可塑性在這里也能得到體現(xiàn)。

那么適合人工智能應用的MCU產(chǎn)品有哪些？據(jù)了解，意法半導體在2016年發(fā)布了性能創(chuàng)紀錄的微控制器STM32H7系列，該系列是基于Cortex-M7內(nèi)核的40nm工藝產(chǎn)品，在片上Flash程序運行400MHz頻率，采用以性能為中心的智能架構，內(nèi)含三個獨立的電源域，分別為高性能域、通信接口域和低功耗域。STM32H7提供給開發(fā)者更強的大腦，更多的通訊接口和數(shù)模外設，同時加入了ST最新的安全單元，可以為IoT產(chǎn)品帶來更友好的人機界面和更安全的用戶體驗。

周立功單片機方面，郭志銳表示：“針對人工智能的具體產(chǎn)品暫時還不方便透露，可以確認的是我們將會用多元化的方式滿足客戶需求，具體來說將會通過提供模塊、方案以及技術儲備的方式。提供模塊以及方案都比較容易理解，技術儲備則是把技術整理好或者做二次開發(fā)。在2017深圳國際電子展上我們展出了智能鎖和共享籃球的應用，周立功單片機希望讓用戶看到MCU越來越多的與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能聯(lián)系在一起。”

物聯(lián)網(wǎng)正在快速的發(fā)展，MCU作為物聯(lián)網(wǎng)中關鍵的器件無論是聯(lián)網(wǎng)能力、集成度、靈活性、安全性都在進一步提升，當然性價比的提升更是MCU在物聯(lián)網(wǎng)應用中普及的關鍵。至于像人工智能的應用，MCU能夠發(fā)揮本地化、實時化的優(yōu)勢，在人工智能應用中發(fā)揮輔助作用，但只有性能的提升才能讓其承載更多的算法及智能化應用。