隨著銷售價格暴跌，微控制器公司正在尋找實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟的新方法。

人們正在將微控制器用于各種各樣的新型和遠遠更加復(fù)雜的計算任務(wù)，讓它們從單獨的芯片向著更加高度集成的器件發(fā)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）可以用于許多任務(wù)，從輔助駕駛和自動駕駛到智能卡。它們往往是各種互連設(shè)備的中心處理元件；而這些互連設(shè)備又正在逐漸形成物聯(lián)網(wǎng)。實際上，如果沒有 MCU，物聯(lián)網(wǎng)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。盡管 MCU 的市場機會在擴大，但平均售價卻在大幅下挫?，F(xiàn)在收回開發(fā)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(xù)在 MCU 領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)盈利。

圖 2：報告中 MCU 行業(yè)最大的增長來自于整合。來自 IC Insights

微控制器主要分為三種：8 位、16 位和 32 位?，F(xiàn)在仍還有一些 4 位微控制器在使用，但很多 4 位微控制器客戶要么已經(jīng)遷移到了 8 位，要么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，以至于大多數(shù)正考慮升級到 16 位的客戶現(xiàn)在也在向更先進的芯片遷移了。

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/年復(fù)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(xiàn) 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(lián)網(wǎng)是其中一部分推動力?！?/p>

Semico Research 制造領(lǐng)域總經(jīng)理 Joanne Itow 也看到了類似的趨勢：“除了 DRAM 和 NAND，所有邏輯芯片市場的 ASP 現(xiàn)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(nèi)核、低功耗的 IP 和安全性。公司也可以自己開發(fā)所有這些東西，但使用 ARM 已有的要容易些?！?/p>

一樣的問題，不同的策略

目前有兩個相互矛盾的趨勢在發(fā)展——ASP 在下降而復(fù)雜度在上升。這給 MCU 制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?！翱纯?TrustZone，其中很多功能都沒用上?！?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/西門子/" target="_blank">西門子旗下 Mentor 的嵌入式軟件部門的高級產(chǎn)品線經(jīng)理 Andrew Caples 說，“你可以增加可靠性和創(chuàng)建內(nèi)存分區(qū)，這樣你可以只讀或讀寫，但卻并沒有充分利用它。電源管理是另一個功能，在某些案例中這可能是產(chǎn)品表現(xiàn)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(tài)，但從一個功耗狀態(tài)遷移到下一個功耗狀態(tài)是很復(fù)雜的。要利用這些功能，還需要在軟件上投入遠遠更多思考?！?/p>

復(fù)雜度的增長已經(jīng)在讓 MCU 制造商向下一個工藝節(jié)點遷移了，這樣就可以在同樣尺寸的空間中集成更多內(nèi)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(yīng)用，而對 32 位 MCU 而言，當前的前沿節(jié)點是 40nm。公司們也正在研發(fā) 32/28nm 的版本。

Flex Logix 公司 CEO Geoffrey Tate 說：“問題是微控制器公司開發(fā)了數(shù)十種乃至數(shù)百種 SKU（stock-keeping unit），部分原因是分配給串行 I/O 的引腳各不相同。有些是 SPI（串行外設(shè)接口），有些是 UART（通用異步接收器/發(fā)送器）?；蛘咚鼈円圆煌姆绞教峁┯布徒壎?。但 40nm 的掩模成本會上升，所以數(shù)十種變體會消耗大量資金。需要一定數(shù)量的查找表才能編程一個串行 I/O?！?/p>

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(yīng)用都開發(fā)一種新的 MCU。

第三種方法是做更加有效的驗證，減少 MCU 設(shè)計流程的后端所需的時間量。

Cadence 的仿真、基于 FPGA 的原型設(shè)計和硬件/軟件使能部門的產(chǎn)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。它讓我們可以更輕松地理解。這些 MCU 中有的正變得更像系統(tǒng)，所以有些微控制器大公司正在銷售這些帶有定制化軟件開發(fā)的設(shè)計。這可以用于對其進行評估?！?/p>

一個設(shè)備，多種用途

所有這些方法都有助于將 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(yīng)用快速定制化。但整個流程還需要進一步的簡化。

ARM 的市場開發(fā)高級總監(jiān) Bill Neifert 說：“在 EDA 中，你對工具中的一些奇怪之處的容忍度更高?？纯次⒖刂破魇袌觯瑓s很不同，因為開發(fā)軟件的人希望下載調(diào)試器和編譯器并使其工作。他們的最終產(chǎn)品不是芯片。而是系統(tǒng)，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(fā)一次性產(chǎn)品的業(yè)余愛好者。同樣的產(chǎn)品需要適用于他們所有人?！?/p>

關(guān)鍵是要在上市時間和成本與優(yōu)化之間找到平衡。根據(jù)應(yīng)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(yīng)用設(shè)計，比如 IIoT。有些公司相信通用方法才是正確的方法，然后再圍繞它進行定制。但顯然這里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(lián)網(wǎng)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(nèi)存、處理、安全和通信技術(shù)，但所有這些都會比強大的 SoC 弱一點。

“過去大量微控制器最后都被用在了工業(yè)和汽車市場，這些市場有更長的銷售周期?！盢eifert 說，“現(xiàn)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(nèi)容需要是最新和最好的。隨著銷售給消費者的這類設(shè)備越來越多，你將需要快速的周轉(zhuǎn)，這意味著同樣的微控制器可能會有 10 種不同的應(yīng)用方式，而且其中很多都取決于軟件?！?/p>

其中有些會應(yīng)用于之前從未存在過的系統(tǒng)，或用作系統(tǒng)的通用型附加組件，而不是架構(gòu)的核心部分。

Microchip Technology 高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Bill Hutchings 說：“有些通常與微處理器無關(guān)的更高性能的內(nèi)核和時鐘。所以看看傳感器集成（sensor hub），通常會有一個預(yù)處理器，通常用作中間層微控制器?！?/p>

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(xiàn)在它們也正在開發(fā)足以媲美低端微處理器產(chǎn)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(nèi)部內(nèi)存和外部內(nèi)存，而傳統(tǒng)上的 MCU 僅依賴于內(nèi)部內(nèi)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(nèi)存的能力。

“如果你回到 15 年前，你找 100 位工程師，然后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 的杰出發(fā)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(xiàn)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(shù)量更多了，你能使用這些晶體管所做的事情也更多了?！?/p>

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(nèi)存。MCU 通常使用的是 DDR2 和閃存的組合。但因為各處的密度都增大了，DDR2 的內(nèi)存大小已經(jīng)增至了 2MB 之高，另外還有 2MB 這么高的嵌入式閃存。

“從至少 6 或 7 年開始，32 位產(chǎn)品線上的器件就已經(jīng)有連接外部內(nèi)存的能力了，但并沒有太多器件利用了這一點?！?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/意法半導(dǎo)體/" target="_blank">意法半導(dǎo)體美洲地區(qū)微控制器產(chǎn)品經(jīng)理 Stuart McLaren 說，“最近我們已經(jīng)看到了這種情況（使用了系統(tǒng)組接口（system packet interface）），所以外部還有更多 NVM 來存儲數(shù)據(jù)和代碼。關(guān)鍵的變化是更多性能和更多功能?；ミB的應(yīng)用會越來越多。而且隨著它們變得互連，你會有與網(wǎng)關(guān)或云進行通信的節(jié)點。那至少需要一個簡單的微控制器，可以收集一些傳感器數(shù)據(jù)并將其聚合到一起。”

微控制器也在開始向云的上游移動。

“網(wǎng)關(guān)上運行著很多云服務(wù)，而且它們正做著更加先進的分析工作。”McLaren 說，“我們看到有用于圖形處理的外部內(nèi)存，通常是一個 1 幀或 2 幀緩沖區(qū)，你可以在這里渲染來自幀緩沖器的信息，然后刷新。我們也可以看到大量微控制器進入物聯(lián)網(wǎng)的這三個領(lǐng)域——家庭和城市、智能工業(yè)、智能萬物。每一種應(yīng)用都有處理和安全的需求。它們也需要與真實工作的接口并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(yè)應(yīng)用都有可能。MCU 是物聯(lián)網(wǎng)的核心。”

據(jù) ARM 的 physical IP 工程副總裁 Dipesh Patel 說，MCU 也會在資產(chǎn)跟蹤等新應(yīng)用得到使用?！笆褂?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 正越來越復(fù)雜。在簡單的層面上，你可以存儲、處理和傳輸數(shù)據(jù)。但現(xiàn)在你可以做到更多，因為有更多內(nèi)存了?！?/p>

他指出現(xiàn)在也有增加片上閃存的發(fā)展，尤其是因為有些更先進的設(shè)計正在向 40nm 乃至 28 nm 遷移。今天，大多數(shù) 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(shè)計是用 65nm 和 40nm 工藝開發(fā)的。

大規(guī)模定制與利基

成本一直都是 MCU 的關(guān)鍵推動因素之一，盡管過去十年中使用它們的主要考慮因素是功率特征，因此我們很難找到?jīng)]有微控制器的系統(tǒng)。但漸漸地，系統(tǒng)供應(yīng)商也開始針對一些新任務(wù)設(shè)計 MCU，而就在幾年之前，系統(tǒng)供應(yīng)商還根本沒考慮過這些任務(wù)。

“我們看到它們被用作完全集成的微處理器的伴隨芯片，而且是用于安全應(yīng)用?！盡icrochip 產(chǎn)品營銷經(jīng)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(xué)）SoC 進行握手，你可以將其放入一個防篡改包中或?qū)⑵溆米黛卦矗╡ntropy source）。你也可以添加加密/解密，這又是另一個層面的安全功能，并且具有單調(diào)的計數(shù)器以防止重放。這通常是通過軟件完成的，但如果你將其做到硬件中，你就可以節(jié)省 8000 到 12000 行代碼，而且從執(zhí)行的角度看，這么做的速度也會更快。”

MCU 也正出現(xiàn)在擴展板卡上以及傳感器旁邊，這些傳感器可以測量從運動到溫度等各種各樣的指標。

意法半導(dǎo)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?！?/p>

總結(jié)

區(qū)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(xù)被用于更多設(shè)計，這個難度可能還會繼續(xù)增大。

IC Insights 的 Lineback 說：“在 20 世紀 80 年代，MCU 就是片上系統(tǒng)（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么說。最終，定義這些類別的 WSTS（世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織）會畫上不同的界線?！?/p>

與此同時，MCU 供應(yīng)商將竭盡全力提升它們的器件的價值并延緩價格下降的勢頭，因為降價趨勢已經(jīng)給這一行業(yè)帶來了嚴峻的技術(shù)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(fā)的器件的數(shù)量，還是更改這些器件的設(shè)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。