MCU芯片又成香饽饽

2021年一度出现的缺“芯”潮令许多非专业人士也熟悉了微控制器（MCU）这个专业名词。但MCU的受关注点绝不仅局限于市场供需层面，虽然已经是相对成熟的产品技术类型，可在人工智能、新型存储、生物识别等技术的带动下，近年来MCU厂商持续进行产品迭代创新，MCU展现出许多新趋势，应用范围也不断扩大。这或许是其当初面临缺货的一个重要原因。

随着云计算向边缘延伸，边缘计算实现了资源和服务向边缘位置的下沉，从而降低交互延时，减轻网络负担，优化业务服务。作为边缘计算设备核心的MCU就需要具备更强的处理运算能力，同时支持高速通信、多种通讯协议解析，甚至是集成嵌入式AI等。更高性能、更加智能、更大集成度成为近年来MCU发展的一个趋势。比如恩智浦最新推出S32K39系列MCU，集成DSP，支持机器学习算法，提供灵活的数字滤波，支持TSN以太网络，集性能、集成、网络、信息安全和功能安全于一体，与传统意义上的MCU已经大不相同。

为了实现上述改变，MCU厂商普遍采取提高主频，及配置多个内核的方式，提升处理运算能力。S32K39便搭载了4个工作频率达320MHz的Arm Cortex-M7内核。为了应对高主频带来的功耗问题，厂商又纷纷采用更加先进的芯片制造工艺。根据兆易创新产品市场总监金光一的介绍，当前MCU制造工艺还主要停留在40nm甚至更老一些的工艺节点上，但是有越来越多的厂商，在积极布局28nm、22nm甚至16nm。MCU的工艺制程在不断进化演进，先进的工艺可以制造出同时兼具高性能、低功耗、低成本的芯片产品。

配置协处理器也是MCU厂商应对高性能、高集成的策略之一。如高算力的MCU产品可以集成嵌入式神经网络处理器（NPU）作为协处理器，支持诸如本地语音识别、人脸识别、关键词唤醒等边缘计算和TinyML等人工智能算法。ECU控制器可集成电机控制协处理器，实现更高性能和精度控制。总之，未来的MCU将承担越来越多的本地计算能力。

对此，恩智浦半导体车辆控制和网络解决方案全球营销总监Brian Carlson强调，平衡将是MCU设计中非常关键的一环。芯片的性能可以通过很多的方面来实现，比如配置多颗内核、硬件加速器、专用处理器等。事实上，整个的设计越有具体应用场景的针对性，其能效就会更好。如何更有针对性呢？其核心就是平衡，即确保芯片的设计、选择的内核、功耗、技术等方面的恰当，最后实现性能和功耗的平衡。

存储单元是MCU的重要组成，MCU一般均会集成CPU、SRAM、非易失性存储器如NAND，以及丰富的专用外设，其中存储单元对MCU性能有着重要影响。然而，随着时间的推移，闪存却逐渐开始成为制约MCU提高性能、降低功耗的瓶颈之一，特别是在车用领域。汽车芯片具有更高的可靠性、耐用性需求，车载MCU中集成的闪存，可擦写次数太少，使其不适合作为数据存储器。这就使得越来越多MCU大厂开始选择在MCU中集成新型存储器，比如阻变存储器（RRAM）、相变存储器（PCM）和磁性存储器（MRAM）等。

英飞凌和台积电最近宣布，两家公司正在努力将RRAM添加到英飞凌新一代 AURIX系列 MCU中。RRAM与NAND一样具有非易失性，断电状态下不会失去数据，且允许按位写入而无需擦除，可以扩展到28 纳米甚至更先进的工艺。可以说，RRAM是更理想的嵌入式存储器。

意法半导体则是PCM在 MCU嵌入式存储器中应用的支持者。2018年，意法半导体便宣布，内建ePCM的28nm FD-SOI车用MCU技术架构和性能标准，开始向客户提供搭载ePCM的MCU样片。2021年8月，意法半导体开始向主要汽车厂商交货其首批采用ePCM的Stellar SR6系列车用MCU，计划于2024年量产。ePCM 可以提供更快的读取和写入速度，同时集成ePCM 存储元件采用 28nm 嵌入式闪存成本更低，因此在汽车应用中有着更大的发展潜力。

瑞萨则支持MRAM技术的应用。MRAM拥有非易失，读写次数高，写入速度快、功耗低特点。今年6月的VLSI 研讨会上，瑞萨宣布已开发出用于STT-MRAM测试的电路技术，使用22纳米工艺制造，具有快速的读写操作。

针对车用MCU的发展，瑞萨电子中国汽车电子事业部副部长赵坤指出，汽车电子无疑仍是接下来的一个应用热点，尤其是新能源汽车的发展给这个市场带来了新的发展机遇。新能源汽车因为没有太多旧技术的牵绊，可以更好的采用新一代的电子电气架构，域控制器的使用将会对MCU提出新的更高的需求，同时也推动着产品更快的迭代更新。

随着物联网的发展呈现多样化的应用特征，基于联网以及远程信息交互的考虑，安全逐渐成为物联网对MCU的基本需求。越来越多的MCU开始配置数据加密、安全存储等特征，在部分应用中，还具有高安全等级的认证需求。在金融应用中，目前的主流方案是配合专用的安全芯片形成整体的解决方案，随着技术进步以及应用发展，提升MCU安全等级要求，满足特殊应用场景要求成为必然趋势。

意法半导体最近宣布已完成其STPay-Topaz-Bio生物识别支付卡平台的 EMVCo1 认证。该平台与意法半导体的STM32L443 MCU共同封装在符合EMV规范的模块中。STM32L443 MCU可提供多种防御措施，包括用于持卡人身份验证的生物识别模板匹配。ST表示，该认证确认了平台的安全性及其与支付系统的互操作性。恩智浦LPC55S69虽然没有集成生物安全模块，却集成了多种安全加密功能。其不仅支持TrustZone，提供可靠的安全特性，PRINCE模块对写入片上Flash的数据也会进行实时加密，且支持读取过程中实时解密，支持AES-256，SHA1/SHA2，提供SRAM PUF生成和存储密钥等安全措施。LPC55S69可说是LPC5500系列中最具物联网安全特性的产品。

对生物识别等安全单元模块的集成与支持，未来必将成为MCU的开发的重要方向。安谋科技产品总监陈江杉此前接受采访时指出，更安全的平台架构可以保证万物互联时代的信息安全。这个安全应该成为一个业界标准。

功耗一向是衡量MCU的重要指标，特别是物联网类应用逐渐走入工业和消费领域后，在水气热表、穿戴设备、医疗电子、智能家居、远程测控、无线传感等应用中，衍生出大量低功耗类需求，以致于低功耗微控制器成为MCU的一个细分市场。相关资讯显示，在全球微控制器市场份额中，低功耗微控制器约占15%～20％。

很多国际厂商在低功耗领域布局很早，面向常规低功耗应用领域，已经形成多系列的产品布局，如意法半导体、微芯、SiliconLabs、德州仪器等厂商都有各自的低功耗系列产品。瑞萨半导体推出超低功耗微控制器RE系列。该芯片采用其独有的SOTB（Siliconon Thin Buried Oxide）工艺制程，可同时降低运行功耗及待机功耗。RE系列微控制器的电流消耗在工作状态下可低至25μA/MHz，待机状态下可低至400nA。这样的超低功耗指标可显著延长嵌入式设备的电池寿命。

北京中科芯蕊科技有限公司总经理胡晓宇指出，通常低功耗微控制器都采用了与通用微控制器不同的设计方法和工艺选择，以降低微控制器的能耗和漏电流，从而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下，可以工作更长的时间，为电池或能量采集等方式供电的设备提供更持久的续航能力。在穿戴电子、便携式医疗电子、传感器终端、远程测控等物联网应用，“智能化、小型化、轻重量、长续航”是终端节点持续追求的目标，而低功耗是实现这一目标的最关键因素。