隨著銷(xiāo)售價(jià)格暴跌，微控制器公司正在尋找實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的新方法。

人們正在將微控制器用于各種各樣的新型和遠(yuǎn)遠(yuǎn)更加復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，讓它們從單獨(dú)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(jìng)爭(zhēng)者。

微控制器單元（MCU/單片機(jī)）可以用于許多任務(wù)，從輔助駕駛和自動(dòng)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(shí)際上，如果沒(méi)有 MCU，物聯(lián)網(wǎng)能不能成功就不好說(shuō)了。

圖 1：MCU 需求正在健康地增長(zhǎng)，但總體市場(chǎng)收入的增速卻慢得多。來(lái)自 Semico Research

但這種普及性是有代價(jià)的。盡管 MCU 的市場(chǎng)機(jī)會(huì)在擴(kuò)大，但平均售價(jià)卻在大幅下挫。現(xiàn)在收回開(kāi)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(bào)告中 MCU 行業(yè)最大的增長(zhǎng)來(lái)自于整合。來(lái)自 IC Insights

微控制器主要分為三種：8 位、16 位和 32 位。現(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(hù)要么已經(jīng)遷移到了 8 位，要么就計(jì)劃未來(lái)進(jìn)行遷移。16 位 MCU 將會(huì)是下一個(gè)主流，這也更加昂貴。但 32 位 MCU 的售價(jià)降得如此之快，以至于大多數(shù)正考慮升級(jí)到 16 位的客戶(hù)現(xiàn)在也在向更先進(jìn)的芯片遷移了。

IC Insights 高級(jí)市場(chǎng)研究分析師 Rob Lineback 說(shuō)：“今年，32 位的 ASP（平均銷(xiāo)售價(jià)格）下降了 15%。我們看到 32 位的售價(jià)每年下降 7%（CAGR/年復(fù)合增長(zhǎng)率）。16 位市場(chǎng)的 CAGR 是 -2%，8/4 位市場(chǎng)的也是 -2%。未來(lái)將可能出現(xiàn) 32 位微控制器的售價(jià)比 16 位微控制器還低的情況。這是純粹的競(jìng)爭(zhēng)和定價(jià)壓力。物聯(lián)網(wǎng)是其中一部分推動(dòng)力。”

Semico Research 制造領(lǐng)域總經(jīng)理 Joanne Itow 也看到了類(lèi)似的趨勢(shì)：“除了 DRAM 和 NAND，所有邏輯芯片市場(chǎng)的 ASP 現(xiàn)在情況都不好。微控制器市場(chǎng)的唯一一個(gè)大贏家是 ARM，因?yàn)樗鼈冋瓶刂鴥?nèi)核、低功耗的 IP 和安全性。公司也可以自己開(kāi)發(fā)所有這些東西，但使用 ARM 已有的要容易些。”

一樣的問(wèn)題，不同的策略

目前有兩個(gè)相互矛盾的趨勢(shì)在發(fā)展——ASP 在下降而復(fù)雜度在上升。這給 MCU 制造商帶來(lái)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(méi)用上。”西門(mén)子旗下 Mentor 的嵌入式軟件部門(mén)的高級(jí)產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Andrew Caples 說(shuō)，“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(xiě)，但卻并沒(méi)有充分利用它。電源管理是另一個(gè)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?yàn)檫@會(huì)影響電池壽命。這些 MCU 中有些具有超過(guò) 16 個(gè)低功耗狀態(tài)，但從一個(gè)功耗狀態(tài)遷移到下一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)更多思考。”

復(fù)雜度的增長(zhǎng)已經(jīng)在讓 MCU 制造商向下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)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(gè)不同市場(chǎng)的應(yīng)用，而對(duì) 32 位 MCU 而言，當(dāng)前的前沿節(jié)點(diǎn)是 40nm。公司們也正在研發(fā) 32/28nm 的版本。

Flex Logix 公司 CEO Geoffrey Tate 說(shuō)：“問(wèn)題是微控制器公司開(kāi)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）。或者它們以不同的方式提供硬件和綁定。但 40nm 的掩模成本會(huì)上升，所以數(shù)十種變體會(huì)消耗大量資金。需要一定數(shù)量的查找表才能編程一個(gè)串行 I/O。”

避開(kāi)這個(gè)問(wèn)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(mǎn)足各種不同市場(chǎng)的編程需求，而無(wú)需再為每種應(yīng)用都開(kāi)發(fā)一種新的 MCU。

第三種方法是做更加有效的驗(yàn)證，減少 MCU 設(shè)計(jì)流程的后端所需的時(shí)間量。

Cadence 的仿真、基于 FPGA 的原型設(shè)計(jì)和硬件/軟件使能部門(mén)的產(chǎn)品管理和營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)組長(zhǎng) Frank Schirrmeister 說(shuō)：“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(xiāo)售這些帶有定制化軟件開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)。這可以用于對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。”

一個(gè)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(xì)分市場(chǎng)或特定應(yīng)用快速定制化。但整個(gè)流程還需要進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。

ARM 的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高級(jí)總監(jiān) Bill Neifert 說(shuō)：“在 EDA 中，你對(duì)工具中的一些奇怪之處的容忍度更高。看看微控制器市場(chǎng)，卻很不同，因?yàn)殚_(kāi)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(wèn)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(xiàng)的器件，所以你需要滿(mǎn)足每個(gè)人的需求，從最高級(jí)的用戶(hù)到開(kāi)發(fā)一次性產(chǎn)品的業(yè)余愛(ài)好者。同樣的產(chǎn)品需要適用于他們所有人。”

關(guān)鍵是要在上市時(shí)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(shuō)：“對(duì)此有一些不同的方法。有些公司專(zhuān)為特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)，比如 IIoT。有些公司相信通用方法才是正確的方法，然后再?lài)@它進(jìn)行定制。但顯然這里存在各種不同的機(jī)會(huì)。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(jìn)入這一市場(chǎng)。”

真正有量的是物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子市場(chǎng)，而 MCU 就是為這些細(xì)分市場(chǎng)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(huì)比強(qiáng)大的 SoC 弱一點(diǎn)。

“過(guò)去大量微控制器最后都被用在了工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)，這些市場(chǎng)有更長(zhǎng)的銷(xiāo)售周期。”Neifert 說(shuō)，“現(xiàn)在我們看到它們?cè)絹?lái)越多地用在了消費(fèi)電子市場(chǎng)，其中的內(nèi)容需要是最新和最好的。隨著銷(xiāo)售給消費(fèi)者的這類(lèi)設(shè)備越來(lái)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(huì)有 10 種不同的應(yīng)用方式，而且其中很多都取決于軟件。”

其中有些會(huì)應(yīng)用于之前從未存在過(guò)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(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Bill Hutchings 說(shuō)：“有些通常與微處理器無(wú)關(guān)的更高性能的內(nèi)核和時(shí)鐘。所以看看傳感器集成（sensor hub），通常會(huì)有一個(gè)預(yù)處理器，通常用作中間層微控制器。”

重新定義 MCU

過(guò)去幾年來(lái)，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(qiáng)，因此價(jià)格也就更高。但隨著公司向上遷移，現(xiàn)在它們也正在開(kāi)發(fā)足以媲美低端微處理器產(chǎn)品線(xiàn)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?jī)?nèi)存和外部?jī)?nèi)存，而傳統(tǒng)上的 MCU 僅依賴(lài)于內(nèi)部?jī)?nèi)存。這種情況正在開(kāi)始改變，有些 MCU 提供了連接DRAM 或其它類(lèi)型的外部?jī)?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(gè)微控制器和一個(gè)微處理器，他們肯定能夠分辨哪個(gè)是哪個(gè)。”Rambus 的杰出發(fā)明家 Steven Woo 說(shuō)，“如果你今天還找到這同樣 100 位工程師，就會(huì)出現(xiàn)很多爭(zhēng)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。”

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?yàn)楦魈幍拿芏榷荚龃罅耍珼DR2 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(kāi)始，32 位產(chǎn)品線(xiàn)上的器件就已經(jīng)有連接外部?jī)?nèi)存的能力了，但并沒(méi)有太多器件利用了這一點(diǎn)。”意法半導(dǎo)體美洲地區(qū)微控制器產(chǎn)品經(jīng)理 Stuart McLaren 說(shuō)，“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(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和代碼。關(guān)鍵的變化是更多性能和更多功能。互連的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。而且隨著它們變得互連，你會(huì)有與網(wǎng)關(guān)或云進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)。那至少需要一個(gè)簡(jiǎn)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(kāi)始向云的上游移動(dòng)。

“網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行著很多云服務(wù)，而且它們正做著更加先進(jìn)的分析工作。”McLaren 說(shuō)，“我們看到有用于圖形處理的外部?jī)?nèi)存，通常是一個(gè) 1 幀或 2 幀緩沖區(qū)，你可以在這里渲染來(lái)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(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的這三個(gè)領(lǐng)域——家庭和城市、智能工業(yè)、智能萬(wàn)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(shí)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(lán)牙或其它近場(chǎng)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(shuō)，MCU 也會(huì)在資產(chǎn)跟蹤等新應(yīng)用得到使用。“使用 32 位，你可以跟蹤一個(gè)零部件的旅程，而且你可以讓其完全安全，使用 8 位的話(huà)你永遠(yuǎn)不能做到這一點(diǎn)。MCU 正越來(lái)越復(fù)雜。在簡(jiǎn)單的層面上，你可以存儲(chǔ)、處理和傳輸數(shù)據(jù)。但現(xiàn)在你可以做到更多，因?yàn)橛懈鄡?nèi)存了。”

他指出現(xiàn)在也有增加片上閃存的發(fā)展，尤其是因?yàn)橛行└冗M(jìn)的設(shè)計(jì)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(dá) 350nm，但也有些更先進(jìn)的 IoT 設(shè)計(jì)是用 65nm 和 40nm 工藝開(kāi)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(dòng)因素之一，盡管過(guò)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(kāi)始針對(duì)一些新任務(wù)設(shè)計(jì) MCU，而就在幾年之前，系統(tǒng)供應(yīng)商還根本沒(méi)考慮過(guò)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。”Microchip 產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Jeanette Wilson 說(shuō)，“你也許需要做基本的身份認(rèn)證，而微控制器可以被用作加固密鑰（hardened key）的存儲(chǔ)器。這需要與 ECC（橢圓曲線(xiàn)密碼學(xué)）SoC 進(jìn)行握手，你可以將其放入一個(gè)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(gè)層面的安全功能，并且具有單調(diào)的計(jì)數(shù)器以防止重放。這通常是通過(guò)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(huì)更快。”

MCU 也正出現(xiàn)在擴(kuò)展板卡上以及傳感器旁邊，這些傳感器可以測(cè)量從運(yùn)動(dòng)到溫度等各種各樣的指標(biāo)。

意法半導(dǎo)體的 McLaren 說(shuō)：“我們以高達(dá) 400MHz 的頻率運(yùn)行它們，過(guò)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(gè)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(gè) API。”

總結(jié)

區(qū)分不同類(lèi)型的邏輯器件的難度正越來(lái)越大，而且隨著先進(jìn)封裝持續(xù)被用于更多設(shè)計(jì)，這個(gè)難度可能還會(huì)繼續(xù)增大。

IC Insights 的 Lineback 說(shuō)：“在 20 世紀(jì) 80 年代，MCU 就是片上系統(tǒng)（system on a chip）或片上計(jì)算機(jī)（computer on a chip），而且有時(shí)候人們直接就這么說(shuō)。最終，定義這些類(lèi)別的 WSTS（世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織）會(huì)畫(huà)上不同的界線(xiàn)。”

與此同時(shí)，MCU 供應(yīng)商將竭盡全力提升它們的器件的價(jià)值并延緩價(jià)格下降的勢(shì)頭，因?yàn)榻祪r(jià)趨勢(shì)已經(jīng)給這一行業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)峻的技術(shù)難題。它們將會(huì)給器件增加更多靈活性，或是減少當(dāng)前所開(kāi)發(fā)的器件的數(shù)量，還是更改這些器件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方式？目前還不清楚。但 MCU 的重要性只會(huì)越來(lái)越大，所以這些問(wèn)題也將需要得到解決。