重新定义MCU | 半导体行业观察

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来源:本文由电姬翻译自semiengineering,作者Ed Sperling,谢谢。

随着销售价格暴跌,微控制器公司正在寻找实现规模经济的新方法。

人们正在将微控制器用于各种各样的新型和远远更加复杂的计算任务,让它们从单独的芯片向着更加高度集成的器件发展,从而成为微处理器的有力竞争者。

微控制器单元(MCU/单片机)可以用于许多任务,从辅助驾驶和自动驾驶到智能卡。它们往往是各种互连设备的中心处理元件;而这些互连设备又正在逐渐形成物联网。实际上,如果没有 MCU,物联网能不能成功就不好说了。

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图 1:MCU 需求正在健康地增长,但总体市场收入的增速却慢得多。来自 Semico Research

但这种普及性是有代价的。尽管 MCU 的市场机会在扩大,但平均售价却在大幅下挫。现在收回开发成本所需的出货量要比以前大得多,如果不做出一些重大改变,某些公司可能将难以继续在 MCU 领域实现盈利。

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图 2:报告中 MCU 行业最大的增长来自于整合。来自 IC Insights

微控制器主要分为三种:8 位、16 位和 32 位。现在仍还有一些 4 位微控制器在使用,但很多 4 位微控制器客户要么已经迁移到了 8 位,要么就计划未来进行迁移。16 位 MCU 将会是下一个主流,这也更加昂贵。但 32 位 MCU 的售价降得如此之快,以至于大多数正考虑升级到 16 位的客户现在也在向更先进的芯片迁移了。

IC Insights 高级市场研究分析师 Rob Lineback 说:“今年,32 位的 ASP(平均销售价格)下降了 15%。我们看到 32 位的售价每年下降 7%(CAGR/年复合增长率)。16 位市场的 CAGR 是 -2%,8/4 位市场的也是 -2%。未来将可能出现 32 位微控制器的售价比 16 位微控制器还低的情况。这是纯粹的竞争和定价压力。物联网是其中一部分推动力。”

Semico Research 制造领域总经理 Joanne Itow 也看到了类似的趋势:“除了 DRAM 和 NAND,所有逻辑芯片市场的 ASP 现在情况都不好。微控制器市场的唯一一个大赢家是 ARM,因为它们掌控着内核、低功耗的 IP 和安全性。公司也可以自己开发所有这些东西,但使用 ARM 已有的要容易些。”

一样的问题,不同的策略

目前有两个相互矛盾的趋势在发展——ASP 在下降而复杂度在上升。这给 MCU 制造商带来了远远更大的压力,它们需要让自己的工艺和方法更有效率。

一种方法是利用这些器件中已有的东西,但目前很多公司都忽略了这种方法。“看看 TrustZone,其中很多功能都没用上。”西门子旗下 Mentor 的嵌入式软件部门的高级产品线经理 Andrew Caples 说,“你可以增加可靠性和创建内存分区,这样你可以只读或读写,但却并没有充分利用它。电源管理是另一个功能,在某些案例中这可能是产品表现好坏的决定性因素,因为这会影响电池寿命。这些 MCU 中有些具有超过 16 个低功耗状态,但从一个功耗状态迁移到下一个功耗状态是很复杂的。要利用这些功能,还需要在软件上投入远远更多思考。”

复杂度的增长已经在让 MCU 制造商向下一个工艺节点迁移了,这样就可以在同样尺寸的空间中集成更多内存、连接性和处理能力。这是摩尔定律在另一个不同市场的应用,而对 32 位 MCU 而言,当前的前沿节点是 40nm。公司们也正在研发 32/28nm 的版本。

Flex Logix 公司 CEO Geoffrey Tate 说:“问题是微控制器公司开发了数十种乃至数百种 SKU(stock-keeping unit),部分原因是分配给串行 I/O 的引脚各不相同。有些是 SPI(串行外设接口),有些是 UART(通用异步接收器/发送器)。或者它们以不同的方式提供硬件和绑定。但 40nm 的掩模成本会上升,所以数十种变体会消耗大量资金。需要一定数量的查找表才能编程一个串行 I/O。”

避开这个问题的一种方法是使用嵌入式 FPGA 为微控制器本身提升灵活度,这样这些器件就能满足各种不同市场的编程需求,而无需再为每种应用都开发一种新的 MCU。

第三种方法是做更加有效的验证,减少 MCU 设计流程的后端所需的时间量。

Cadence 的仿真、基于 FPGA 的原型设计和硬件/软件使能部门的产品管理和营销高级组长 Frank Schirrmeister 说:“这就是 Portable Stimulus 让人感兴趣的原因。它让我们可以更轻松地理解。这些 MCU 中有的正变得更像系统,所以有些微控制器大公司正在销售这些带有定制化软件开发的设计。这可以用于对其进行评估。”

一个设备,多种用途

所有这些方法都有助于将 MCU 变成一种可直接使用的器件,从而可以为垂直细分市场或特定应用快速定制化。但整个流程还需要进一步的简化。

ARM 的市场开发高级总监 Bill Neifert 说:“在 EDA 中,你对工具中的一些奇怪之处的容忍度更高。看看微控制器市场,却很不同,因为开发软件的人希望下载调试器和编译器并使其工作。他们的最终产品不是芯片。而是系统,他们需要能有效地解决他们的问题的东西。你提供的是一种尺寸缩减的带有大量功能和选项的器件,所以你需要满足每个人的需求,从最高级的用户到开发一次性产品的业余爱好者。同样的产品需要适用于他们所有人。”

关键是要在上市时间和成本与优化之间找到平衡。根据应用的不同,这种平衡也可能差异显著。

Semico 的 Itow 说:“对此有一些不同的方法。有些公司专为特定的应用设计,比如 IIoT。有些公司相信通用方法才是正确的方法,然后再围绕它进行定制。但显然这里存在各种不同的机会。所以即使我们正看到一些整合,我们也很有可能能看到新公司进入这一市场。”

真正有量的是物联网和消费电子市场,而 MCU 就是为这些细分市场量身定做的。它们包含了内存、处理、安全和通信技术,但所有这些都会比强大的 SoC 弱一点。

“过去大量微控制器最后都被用在了工业和汽车市场,这些市场有更长的销售周期。”Neifert 说,“现在我们看到它们越来越多地用在了消费电子市场,其中的内容需要是最新和最好的。随着销售给消费者的这类设备越来越多,你将需要快速的周转,这意味着同样的微控制器可能会有 10 种不同的应用方式,而且其中很多都取决于软件。”

其中有些会应用于之前从未存在过的系统,或用作系统的通用型附加组件,而不是架构的核心部分。

Microchip Technology 高级产品营销经理 Bill Hutchings 说:“有些通常与微处理器无关的更高性能的内核和时钟。所以看看传感器集成(sensor hub),通常会有一个预处理器,通常用作中间层微控制器。”

重新定义 MCU

过去几年来,微控制器之间的差异化因素是功能性。因此 32 位 MCU 比 8 位 MCU 的能力显著更强,因此价格也就更高。但随着公司向上迁移,现在它们也正在开发足以媲美低端微处理器产品线的器件。

但从历史上看,两者之间仍然还是存在显著的差异。微处理器组合性地使用了内部内存和外部内存,而传统上的 MCU 仅依赖于内部内存。这种情况正在开始改变,有些 MCU 提供了连接DRAM 或其它类型的外部内存的能力。

“如果你回到 15 年前,你找 100 位工程师,然后在他们面前放一个微控制器和一个微处理器,他们肯定能够分辨哪个是哪个。”Rambus 的杰出发明家 Steven Woo 说,“如果你今天还找到这同样 100 位工程师,就会出现很多争议了。摩尔定律是造成这种概念模糊的部分原因。在 die 上的晶体管数量更多了,你能使用这些晶体管所做的事情也更多了。”

伴随着更好的空间利用,我们也可以放入更多片上和片外内存。MCU 通常使用的是 DDR2 和闪存的组合。但因为各处的密度都增大了,DDR2 的内存大小已经增至了 2MB 之高,另外还有 2MB 这么高的嵌入式闪存。

“从至少 6 或 7 年开始,32 位产品线上的器件就已经有连接外部内存的能力了,但并没有太多器件利用了这一点。”意法半导体美洲地区微控制器产品经理 Stuart McLaren 说,“最近我们已经看到了这种情况(使用了系统组接口(system packet interface)),所以外部还有更多 NVM 来存储数据和代码。关键的变化是更多性能和更多功能。互连的应用会越来越多。而且随着它们变得互连,你会有与网关或云进行通信的节点。那至少需要一个简单的微控制器,可以收集一些传感器数据并将其聚合到一起。”

微控制器也在开始向云的上游移动。

“网关上运行着很多云服务,而且它们正做着更加先进的分析工作。”McLaren 说,“我们看到有用于图形处理的外部内存,通常是一个 1 帧或 2 帧缓冲区,你可以在这里渲染来自帧缓冲器的信息,然后刷新。我们也可以看到大量微控制器进入物联网的这三个领域——家庭和城市、智能工业、智能万物。每一种应用都有处理和安全的需求。它们也需要与真实工作的接口并且需要某种形式的连接,在很多案例中这种连接是 RF,但也可能是低功耗蓝牙或其它近场处理。而且它们需要管理电源,从可穿戴到工业应用都有可能。MCU 是物联网的核心。”

据 ARM 的 physical IP 工程副总裁 Dipesh Patel 说,MCU 也会在资产跟踪等新应用得到使用。“使用 32 位,你可以跟踪一个零部件的旅程,而且你可以让其完全安全,使用 8 位的话你永远不能做到这一点。MCU 正越来越复杂。在简单的层面上,你可以存储、处理和传输数据。但现在你可以做到更多,因为有更多内存了。”

他指出现在也有增加片上闪存的发展,尤其是因为有些更先进的设计正在向 40nm 乃至 28 nm 迁移。今天,大多数 MCU 都使用着老旧的工艺,有的甚至高达 350nm,但也有些更先进的 IoT 设计是用 65nm 和 40nm 工艺开发的。

大规模定制与利基

成本一直都是 MCU 的关键推动因素之一,尽管过去十年中使用它们的主要考虑因素是功率特征,因此我们很难找到没有微控制器的系统。但渐渐地,系统供应商也开始针对一些新任务设计 MCU,而就在几年之前,系统供应商还根本没考虑过这些任务。

“我们看到它们被用作完全集成的微处理器的伴随芯片,而且是用于安全应用。”Microchip 产品营销经理 Jeanette Wilson 说,“你也许需要做基本的身份认证,而微控制器可以被用作加固密钥(hardened key)的存储器。这需要与 ECC(椭圆曲线密码学)SoC 进行握手,你可以将其放入一个防篡改包中或将其用作熵源(entropy source)。你也可以添加加密/解密,这又是另一个层面的安全功能,并且具有单调的计数器以防止重放。这通常是通过软件完成的,但如果你将其做到硬件中,你就可以节省 8000 到 12000 行代码,而且从执行的角度看,这么做的速度也会更快。”

MCU 也正出现在扩展板卡上以及传感器旁边,这些传感器可以测量从运动到温度等各种各样的指标。

意法半导体的 McLaren 说:“我们以高达 400MHz 的频率运行它们,过去你只能在 MPU 上看到这种速度。而且我们还看到了一些微控制器本身也连接多个微控制器的案例,其中在主微控制器和其它微控制器之间可能有一个 API。”

总结

区分不同类型的逻辑器件的难度正越来越大,而且随着先进封装持续被用于更多设计,这个难度可能还会继续增大。

IC Insights 的 Lineback 说:“在 20 世纪 80 年代,MCU 就是片上系统(system on a chip)或片上计算机(computer on a chip),而且有时候人们直接就这么说。最终,定义这些类别的 WSTS(世界半导体贸易统计组织)会画上不同的界线。”

与此同时,MCU 供应商将竭尽全力提升它们的器件的价值并延缓价格下降的势头,因为降价趋势已经给这一行业带来了严峻的技术难题。它们将会给器件增加更多灵活性,或是减少当前所开发的器件的数量,还是更改这些器件的设计和验证方式?目前还不清楚。但 MCU 的重要性只会越来越大,所以这些问题也将需要得到解决。

原文链接:semiengineering.com/evo

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