無(wú)線MCU微控制單元成為發(fā)展趨勢(shì)

　　前言：曾經(jīng)“井水不犯河水”的無(wú)線技術(shù)開(kāi)始萬(wàn)眾一“芯”了。時(shí)至今日，無(wú)線技術(shù)在碎片化的IoT市場(chǎng)中“一家通吃”是不可能完成的任務(wù)，“共存”成為一個(gè)可行的選擇。而這樣的“合作”已見(jiàn)端倪，越來(lái)越多的廠商開(kāi)始推出支持多協(xié)議RF如BLE + IEEE802.15.4的單芯片MCU，這會(huì)是MCU的下一風(fēng)口嗎？

　　MCU微控制單元暗存變局

　　作為通用電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)部件和心臟，MCU的重要性不言而喻，市場(chǎng)規(guī)模也在持續(xù)攀升。據(jù)IC Insights研究報(bào)告，全球MCU市場(chǎng)將于2020年達(dá)到高峰，銷(xiāo)售額達(dá)209億美元，出貨267億顆。而占據(jù)C位的中國(guó)市場(chǎng)自承其重，據(jù)IHS研究報(bào)告，2018年中國(guó)市場(chǎng)將會(huì)達(dá)到50億美元，2021年將有64.2億美元。

　　在市場(chǎng)格局相對(duì)穩(wěn)定的MCU微控制單元市場(chǎng)中，國(guó)外大廠ST、瑞薩、NXP、TI等一直把持頭部位置，國(guó)內(nèi)廠商仍在從低端向中高端加快滲透步伐。值得注意的是，MCU在技術(shù)升級(jí)的道路上一路向前，但重要的是如何保持一致？

　　物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、AI、智能駕駛等新興應(yīng)用對(duì)MCU提出了一些新的要求，包括處理能力提升、數(shù)據(jù)采集速度與精度、通信協(xié)議接口、可靠性和穩(wěn)定性等，相應(yīng)地需要高性能、低功耗、高可靠性、超大容量Flash和RAM，支持多種網(wǎng)絡(luò)接口、無(wú)線技術(shù)和OTA空中升級(jí)，達(dá)到嚴(yán)格的功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全。這些新技術(shù)將引領(lǐng)新一代MCU的技術(shù)升級(jí)?！半S著無(wú)線技術(shù)的成熟，無(wú)線功能作為MCU的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)遲早都要到來(lái)?！币恢弊鯩CU微控制單元研究的業(yè)界專家唐曉泉總結(jié)說(shuō)。

　　在這一過(guò)程中，新老勢(shì)力的角逐也將逐漸分化。傳統(tǒng)MCU市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域主要以硬件為中心，包括功耗、外設(shè)、性能、體積和材料成本等等，而未來(lái)可預(yù)見(jiàn)更大的系統(tǒng)級(jí)差異化，圍繞芯片提供綜合性解決方案或?qū)a(chǎn)生新的變局。

　　無(wú)線MCU微控制單元成趨勢(shì)

　　隨著越來(lái)越多的設(shè)備接入IoT，不只要求更多的無(wú)線連接功能和更高安全性，還需要低成本、低功耗等，因而以往MCU+無(wú)線芯片的分立方案出現(xiàn)了“危機(jī)”，集成已是心照不宣的選擇。正如市場(chǎng)所見(jiàn)，恩智浦的K32W0x、TI的SimpleLink雙核結(jié)構(gòu)CC2650、ST的STM32WB多協(xié)議芯片、Nordic的nRF52840都已面世，無(wú)線MCU微控制單元已成蔚然之勢(shì)。

　　誠(chéng)然，這一集成帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，比如如何配置芯片的硬件資源，支持不同協(xié)議的運(yùn)行；如何在芯片復(fù)雜性增加的前提下，依然保持低功耗的特性；如何提供多協(xié)議應(yīng)用的可靠、易用的開(kāi)發(fā)工具等。STM32超低功耗和網(wǎng)絡(luò)微控制器市場(chǎng)經(jīng)理Hakim Jaafar就指出，無(wú)線協(xié)議棧的調(diào)試、生態(tài)系統(tǒng)搭建及競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)均是挑戰(zhàn)。

　　但這樣的多協(xié)議、單芯片MCU微控制單元的優(yōu)勢(shì)仍然顯見(jiàn)。Hakim Jaafar分析道，以往解決方案是單核MCU+無(wú)線芯片，不僅成本更高，而且單核既需要跑應(yīng)用也需要跑無(wú)線協(xié)議，因而需要分時(shí)系統(tǒng)，更加復(fù)雜。同時(shí)任務(wù)處理時(shí)間長(zhǎng)，因而功耗更高。而從集成之后的架構(gòu)來(lái)看，一般無(wú)線MCU以ARM Cortex-M4和Cortex-M0+來(lái)配置，M0+負(fù)責(zé)無(wú)線協(xié)議棧以及安全密鑰，而應(yīng)用則在M4上運(yùn)行，這有助于在實(shí)時(shí)性、安全性獲得優(yōu)勢(shì)，并在M0+工作時(shí)讓M4休眠等方式實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。

　　同時(shí)，這為開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了便利，比如在熱門(mén)的智能門(mén)鎖中使用支持BLE和Thread的雙協(xié)議芯片，既可支持帶有BLE的手機(jī)直接開(kāi)鎖，也可作為智能家庭Thread網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)云端進(jìn)行控制和管理。

　　雖然以往也有集成相關(guān)無(wú)線RF的MCU微控制單元，但Hakim Jaafar提及，STM32WB可支持最新的協(xié)議棧為藍(lán)牙5.0，具備mesh的功能，而過(guò)去的藍(lán)牙IP不支持5.0，有了最新的IP才使其成為可能。

　　主流的無(wú)線MCU微控制單元大都集成了開(kāi)放的2.4G射頻多協(xié)議模塊，支持藍(lán)牙5.0以及Thread和ZigBee的協(xié)議棧。或許現(xiàn)在的問(wèn)題是，如何在同質(zhì)化的無(wú)線MCU中脫穎而出？

　　競(jìng)爭(zhēng)力比拼

　　“無(wú)線功能將成為MCU微控制單元的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，此時(shí)MCU微控制單元的競(jìng)爭(zhēng)又將回到最原始的狀態(tài)，即性價(jià)比、服務(wù)支撐特別是軟件的支撐?！碧茣匀毖?。

　　而對(duì)于STM32WB系列的價(jià)值點(diǎn)，ST中國(guó)區(qū)微控制器事業(yè)部市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東如數(shù)家珍，一是超低功耗，在256K的RAM條件下可達(dá)到1.8A，在關(guān)閉模式下則小于50nA；二是超安全性，提供諸多的保護(hù)與安全性能；三是系統(tǒng)成本，STM32WB集成了巴倫等，外部器件最少只需6個(gè)，而且最少可做到兩層板，大幅降低了成本；四是可延續(xù)或共用STM32已有的生態(tài)系統(tǒng)，有免費(fèi)的軟件和IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程；五是ST可提供長(zhǎng)達(dá)10年的供貨保證。

　　安全性對(duì)于IoT的重要性不言而喻。曹錦東表示，STM32WB主要通過(guò)雙核保證安全，M0+存儲(chǔ)安全密鑰，這一區(qū)域是M4內(nèi)核訪問(wèn)不了的，通過(guò)這一機(jī)制，當(dāng)程序通過(guò)OTA升級(jí)時(shí)收到代碼后，需M0+確認(rèn)程序的密碼是否與原始密碼相匹配，如不匹配則停止升級(jí)。此外，在IoT保護(hù)上，面對(duì)非入侵式攻擊以及軟件攻擊，都有一系列的防御措施。

　　除在MCU微控制單元的“軟硬指標(biāo)”比拼之外，還要考量操作系統(tǒng)和云連接的“度”。曹錦東提到，STM32WB支持主流的IoT操作系統(tǒng)如AliOS、RT-Thread和LiteOS等，云廠商合作伙伴則有亞馬遜、微軟、阿里等，同時(shí)也支持一些中小型云廠商。

　　獨(dú)立無(wú)線芯片仍有市場(chǎng)？

　　很顯然，無(wú)線MCU微控制單元已成廠商的關(guān)注重點(diǎn)。而且各大廠商開(kāi)發(fā)都基于一個(gè)平臺(tái)化的架構(gòu)，如ST的STM32 、TI的SimpleLink、Nordic的nRF5、NXP的Kinetis W等，以沿襲之前的生態(tài)優(yōu)勢(shì)。未來(lái)隨著市場(chǎng)的發(fā)展，各大廠商還將不斷推出新功能的無(wú)線MCU，以應(yīng)對(duì)細(xì)分市場(chǎng)的需求。

　　“下一步ST還將推出WL系列，即長(zhǎng)距離（Long range）無(wú)線，諸如Sub-GHz等，甚至是帶有WiFi的SoC，這些都是ST在未來(lái)的規(guī)劃?！盚akim Jaafar指出。

　　同時(shí)也要看到，在無(wú)線MCU微控制單元芯片走向多協(xié)議化的背后，其實(shí)還有一個(gè)更深層次的動(dòng)因，那就是無(wú)線技術(shù)的IP化——WiFi本身具備IP能力，BLE 4.2版本增加了對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的支持，而基于802.15.4的Thread也是基于IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——這樣的“共性”將如何推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線互連技術(shù)的走向，值得業(yè)界關(guān)注。

　　而無(wú)線MCU興起，是否意味著以后分立的藍(lán)牙或ZigBee市場(chǎng)之消減？Hakim Jaafar的看法是，從技術(shù)上講這兩大技術(shù)需求不一，而客戶的需求是多樣化的，尤其是IoT市場(chǎng)特別碎片化，有的可能需要比較小的資源，只做一些透?jìng)鞯纳漕l；有的可能需要強(qiáng)大的資源，外部要接強(qiáng)大的處理器如MCU或MPU?！皞鹘y(tǒng)的無(wú)線射頻芯片仍會(huì)存在，而集成化亦是一大趨勢(shì)，這兩種架構(gòu)的芯片彼此互補(bǔ)，關(guān)鍵是看市場(chǎng)需求?！盚akim Jaafar提及。