2021年一度出現(xiàn)的缺“芯”潮令許多非專業(yè)人士也熟悉了微控制器（MCU）這個(gè)專業(yè)名詞。但MCU的受關(guān)注點(diǎn)絕不僅局限于市場供需層面，雖然已經(jīng)是相對(duì)成熟的產(chǎn)品技術(shù)類型，可在人工智能、新型存儲(chǔ)、生物識(shí)別等技術(shù)的帶動(dòng)下，近年來MCU廠商持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品迭代創(chuàng)新，MCU展現(xiàn)出許多新趨勢(shì)，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。這或許是其當(dāng)初面臨缺貨的一個(gè)重要原因。

“高主頻+先進(jìn)工藝”成就高性能

隨著云計(jì)算向邊緣延伸，邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)了資源和服務(wù)向邊緣位置的下沉，從而降低交互延時(shí)，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，優(yōu)化業(yè)務(wù)服務(wù)。作為邊緣計(jì)算設(shè)備核心的MCU就需要具備更強(qiáng)的處理運(yùn)算能力，同時(shí)支持高速通信、多種通訊協(xié)議解析，甚至是集成嵌入式AI等。更高性能、更加智能、更大集成度成為近年來MCU發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。比如恩智浦最新推出S32K39系列MCU，集成DSP，支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提供靈活的數(shù)字濾波，支持TSN以太網(wǎng)絡(luò)，集性能、集成、網(wǎng)絡(luò)、信息安全和功能安全于一體，與傳統(tǒng)意義上的MCU已經(jīng)大不相同。

為了實(shí)現(xiàn)上述改變，MCU廠商普遍采取提高主頻，及配置多個(gè)內(nèi)核的方式，提升處理運(yùn)算能力。S32K39便搭載了4個(gè)工作頻率達(dá)320 MHz的Arm Cortex-M7內(nèi)核。為了應(yīng)對(duì)高主頻帶來的功耗問題，廠商又紛紛采用更加先進(jìn)的芯片制造工藝。根據(jù)兆易創(chuàng)新產(chǎn)品市場總監(jiān)金光一的介紹，當(dāng)前MCU制造工藝還主要停留在40nm甚至更老一些的工藝節(jié)點(diǎn)上，但是有越來越多的廠商，在積極布局28nm、22nm甚至16nm。MCU的工藝制程在不斷進(jìn)化演進(jìn)，先進(jìn)的工藝可以制造出同時(shí)兼具高性能、低功耗、低成本的芯片產(chǎn)品。

配置協(xié)處理器也是MCU廠商應(yīng)對(duì)高性能、高集成的策略之一。如高算力的MCU產(chǎn)品可以集成嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）作為協(xié)處理器，支持諸如本地語音識(shí)別、人臉識(shí)別、關(guān)鍵詞喚醒等邊緣計(jì)算和TinyML等人工智能算法。ECU控制器可集成電機(jī)控制協(xié)處理器，實(shí)現(xiàn)更高性能和精度控制?？傊磥淼腗CU將承擔(dān)越來越多的本地計(jì)算能力。

對(duì)此，恩智浦半導(dǎo)體車輛控制和網(wǎng)絡(luò)解決方案全球營銷總監(jiān)Brian Carlson強(qiáng)調(diào)，平衡將是MCU設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一環(huán)。芯片的性能可以通過很多的方面來實(shí)現(xiàn)，比如配置多顆內(nèi)核、硬件加速器、專用處理器等。事實(shí)上，整個(gè)的設(shè)計(jì)越有具體應(yīng)用場景的針對(duì)性，其能效就會(huì)更好。如何更有針對(duì)性呢？其核心就是平衡，即確保芯片的設(shè)計(jì)、選擇的內(nèi)核、功耗、技術(shù)等方面的恰當(dāng)，最后實(shí)現(xiàn)性能和功耗的平衡。

車載MCU開啟嵌入新型存儲(chǔ)新嘗試

存儲(chǔ)單元是MCU的重要組成，MCU一般均會(huì)集成CPU、SRAM、非易失性存儲(chǔ)器如NAND，以及豐富的專用外設(shè)，其中存儲(chǔ)單元對(duì)MCU性能有著重要影響。然而，隨著時(shí)間的推移，閃存卻逐漸開始成為制約MCU提高性能、降低功耗的瓶頸之一，特別是在車用領(lǐng)域。汽車芯片具有更高的可靠性、耐用性需求，車載MCU中集成的閃存，可擦寫次數(shù)太少，使其不適合作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這就使得越來越多MCU大廠開始選擇在MCU中集成新型存儲(chǔ)器，比如阻變存儲(chǔ)器（RRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）和磁性存儲(chǔ)器（MRAM）等。

英飛凌和臺(tái)積電最近宣布，兩家公司正在努力將RRAM添加到英飛凌新一代 AURIX系列 MCU中。RRAM與NAND一樣具有非易失性，斷電狀態(tài)下不會(huì)失去數(shù)據(jù)，且允許按位寫入而無需擦除，可以擴(kuò)展到 28 納米甚至更先進(jìn)的工藝?？梢哉f，RRAM是更理想的嵌入式存儲(chǔ)器。

意法半導(dǎo)體則是PCM在 MCU嵌入式存儲(chǔ)器中應(yīng)用的支持者。2018年，意法半導(dǎo)體便宣布，內(nèi)建ePCM的28nm FD-SOI車用MCU技術(shù)架構(gòu)和性能標(biāo)準(zhǔn)，開始向客戶提供搭載ePCM的MCU樣片。2021年8月，意法半導(dǎo)體開始向主要汽車廠商交貨其首批采用ePCM的Stellar SR6系列車用MCU，計(jì)劃于2024年量產(chǎn)。ePCM 可以提供更快的讀取和寫入速度，同時(shí)集成ePCM 存儲(chǔ)元件采用 28 nm 嵌入式閃存成本更低，因此在汽車應(yīng)用中有著更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

瑞薩則支持MRAM技術(shù)的應(yīng)用。MRAM擁有非易失，讀寫次數(shù)高，寫入速度快、功耗低特點(diǎn)。今年6月的VLSI 研討會(huì)上，瑞薩宣布已開發(fā)出用于STT-MRAM測試的電路技術(shù)，使用22納米工藝制造，具有快速的讀寫操作。

針對(duì)車用MCU的發(fā)展，瑞薩電子中國汽車電子事業(yè)部副部長趙坤指出，汽車電子無疑仍是接下來的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，尤其是新能源汽車的發(fā)展給這個(gè)市場帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。新能源汽車因?yàn)闆]有太多舊技術(shù)的牽絆，可以更好的采用新一代的電子電氣架構(gòu)，域控制器的使用將會(huì)對(duì)MCU提出新的更高的需求，同時(shí)也推動(dòng)著產(chǎn)品更快的迭代更新。

加載生物識(shí)別模塊，MCU安全功能在升級(jí)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化的應(yīng)用特征，基于聯(lián)網(wǎng)以及遠(yuǎn)程信息交互的考慮，安全逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)對(duì)MCU的基本需求。越來越多的MCU開始配置數(shù)據(jù)加密、安全存儲(chǔ)等特征，在部分應(yīng)用中，還具有高安全等級(jí)的認(rèn)證需求。在金融應(yīng)用中，目前的主流方案是配合專用的安全芯片形成整體的解決方案，隨著技術(shù)進(jìn)步以及應(yīng)用發(fā)展，提升MCU安全等級(jí)要求，滿足特殊應(yīng)用場景要求成為必然趨勢(shì)。

意法半導(dǎo)體最近宣布已完成其STPay-Topaz-Bio生物識(shí)別支付卡平臺(tái)的 EMVCo1 認(rèn)證。該平臺(tái)與意法半導(dǎo)體的STM32L443 MCU共同封裝在符合EMV規(guī)范的模塊中。STM32L443 MCU可提供多種防御措施，包括用于持卡人身份驗(yàn)證的生物識(shí)別模板匹配。ST表示，該認(rèn)證確認(rèn)了平臺(tái)的安全性及其與支付系統(tǒng)的互操作性。恩智浦LPC55S69雖然沒有集成生物安全模塊，卻集成了多種安全加密功能。其不僅支持TrustZone，提供可靠的安全特性，PRINCE模塊對(duì)寫入片上Flash的數(shù)據(jù)也會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，且支持讀取過程中實(shí)時(shí)解密，支持AES-256，SHA1/SHA2，提供SRAM PUF生成和存儲(chǔ)密鑰等安全措施。LPC55S69可說是LPC5500系列中最具物聯(lián)網(wǎng)安全特性的產(chǎn)品。

對(duì)生物識(shí)別等安全單元模塊的集成與支持，未來必將成為MCU的開發(fā)的重要方向。安謀科技產(chǎn)品總監(jiān)陳江杉此前接受采訪時(shí)指出，更安全的平臺(tái)架構(gòu)可以保證萬物互聯(lián)時(shí)代的信息安全。這個(gè)安全應(yīng)該成為一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

超低功耗漸成MCU新市場

功耗一向是衡量MCU的重要指標(biāo)，特別是物聯(lián)網(wǎng)類應(yīng)用逐漸走入工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域后，在水氣熱表、穿戴設(shè)備、醫(yī)療電子、智能家居、遠(yuǎn)程測控、無線傳感等應(yīng)用中，衍生出大量低功耗類需求，以致于低功耗微控制器成為MCU的一個(gè)細(xì)分市場。相關(guān)資訊顯示，在全球微控制器市場份額中，低功耗微控制器約占15%～20％。

很多國際廠商在低功耗領(lǐng)域布局很早，面向常規(guī)低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)形成多系列的產(chǎn)品布局，如意法半導(dǎo)體、微芯、SiliconLabs、德州儀器等廠商都有各自的低功耗系列產(chǎn)品。瑞薩半導(dǎo)體推出超低功耗微控制器RE系列。該芯片采用其獨(dú)有的SOTB（Silicon on Thin Buried Oxide）工藝制程，可同時(shí)降低運(yùn)行功耗及待機(jī)功耗。RE系列微控制器的電流消耗在工作狀態(tài)下可低至25μA/MHz，待機(jī)狀態(tài)下可低至400nA。這樣的超低功耗指標(biāo)可顯著延長嵌入式設(shè)備的電池壽命。

北京中科芯蕊科技有限公司總經(jīng)理胡曉宇指出，通常低功耗微控制器都采用了與通用微控制器不同的設(shè)計(jì)方法和工藝選擇，以降低微控制器的能耗和漏電流，從而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下，可以工作更長的時(shí)間，為電池或能量采集等方式供電的設(shè)備提供更持久的續(xù)航能力。在穿戴電子、便攜式醫(yī)療電子、傳感器終端、遠(yuǎn)程測控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，“智能化、小型化、輕重量、長續(xù)航”是終端節(jié)點(diǎn)持續(xù)追求的目標(biāo)，而低功耗是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最關(guān)鍵因素。