物联网开启智能商机 MCU技术全面进化

2018/09/18 - 洪千惠

在物联网、车用电子、医疗...等智能化市场的快速启动下，MCU产业迎来过去少见的荣景，从供货状况就可得知目前市场状况。从2017年开始，市场已然开始缺货，大型MCU厂商的交货期从过去的4个月延至6个月；在供不应求的态势下，MCU价格也开始往上调升5%~10%。随着各垂直产业智能化脚步加快，未来MCU的需求将持续上扬，且除了市场量放大外，在技术方面也会不断突破。

先从应用市场来看，目前工业、车用、家庭、消费性设备是MCU的四大主要应用市场，其中工业与车用领域的成长最快，从2017年起MCU开始缺货的主因，就是因为多数大厂将产能转往这两大应用领域。

智能化应用驱动MCU成长

MCU在工业领域的应用主要以马达控制为主，马达是制造设备的主要动力来源，透过MCU可以控制马达转速，进行准确定位。马达可分四种，包括直流(DC)马达、交流(AC)马达、步进马达与特殊用途马达，其中又以直流马达与交流马达最常见，近年来环保意识抬头，能量转换效率较佳的直流马达逐渐受到欧美国家重视，以外销为主的台湾机械业者，其使用频率逐渐攀高，因此直流马达的控制已成为台湾厂商的设计重点。

目前应用于马达控制的MCU，8位元与32位元都有，其中8位元主要是用于峰山之类的简单控制，而较复杂如直流无刷、伺服马达等，就会用到32位元MCU，不过即便是简单的8位元MCU，其马达控制也都会涉及霍尔效应传感、有刷无刷、单相三相与电压电流功率等不同演算法，这些通常需要MCU厂商提供相关的技术支持。

在MCU产业，车用领域是仅次于消费性电子的第二大市场，在车用系统扮演核心处理器的ECU就是将MCU、CPU与各种I/O界面、定时/计数器整合为一，MCU虽然可分为4位元、8位元、16位元、32位元等四种层级，不过目前主流仍是8位元与32位元，在车用系统中也是如此。

8位元MCU在汽车系统中，主要是控制简单的车体设备，像是照后镜、车窗、空调等，需要高处理能力的刹车、安全气囊等，过去以16位元MCU为主，不过随着此等级MCU产品逐渐从市场淡出，现在车厂已多采32位元产品。此外近年来ADAS成为汽车产业的重要设计，多数车厂已在新车导入相关系统，各类型行车辅助或车载资通讯娱乐系统都会应用到32位元MCU。根据DIGITIMES Research指出，2017~2021年之间，全球车用MCU市场销售额年复合平均成长率将达3%，而车用的32位元MCU年复合平均成长率将达6.6%，此一商机大开，让多数MCU大厂的产能纷纷转向，是造成市场上MCU缺货的原因之一。

智能家庭也是MCU近期发展的重要动力，根据Strategy Analytics研究指出，2020年智能家庭将是全球物联网最重要的应用场域。从架构面来看，智能家庭主要采物联网系统，将各家电产品与基础设备连上家庭控制系统，再由使用者以触控屏幕或语音等界面进行控制，因此MCU在其中的应用就可分为系统与家电设备两部分。

先看家电部分，MCU在家电的应用已久，目前几乎所有家电都有内建MCU，不过以往的家电只需简单控制，因此4位元、8位元等级的MCU已然足够，但近年来节能环保概念抬头，家电开始采用较省电的直流无刷马达，在此同时，现在家电功能走向复杂化，且智能家庭控制系统需要有联网功能，因此32位元在此领域的应用渐广。至于在家庭控制系统方面，无论是触控屏幕或是语音识别，所需要的控制都更为繁复，尤其是近年来Amazon的Alexa带动语音辅助平台，其语音和语意的识别都需要一定程度的处理能力，因此32位元MCU在此的应用大增。

效能、功耗、整合是主要技术趋势

再就各MCU大厂的产品研发看技术面，目前MCU的主流设计趋势包括高效能、低功耗、高整合等三大趋势。在高效能方面，目前32位元已成为MCU主流，尤其近年来物联网落地速度加快，更让32位元MCU快速普及。

从价位来看，目前8位元与32位元的MCU价差已逐渐缩小，再加上运算效能都在100MHz以上，执行效能更佳。32位元MCU的核心多为ARM Cortex-M4到M7，可支持DSP与单精度浮点运算指令，时脉运算频率也都可达400MHz，对于具备边缘运算设计的物联网来说相当适用。

另一趋势则是低功耗，虽然低功耗一直是MCU的设计重点，不过在物联网时代，这部分会进一步强化，尤其是依靠电池供电的移动设备，低功耗几乎是永无止尽的需求。

物联网架构运作的第一步，是集结大量底层设备所传输的信号，而这些底层设备往往散置在宽广场域，无法布置供电线缆，而由于数量庞大，不可能耗费人力频频更换电池，对此低功耗设计就成为必然。针对这类型应用，多数厂商都提出了超低功耗的MCU产品，让各传感节点与设备可维持长时间运作。

在高整合部分，由于物联网的功能多元，单一设备必须尽可能将多数软硬件整合进去，除了增加功能外，也可进一步降低系统的总材料成本。目前MCU的整合有几个方向：在I/O界面，UART、USB、以太网络等，都是常见的整合技术；其次则是加解密设计，过去主要是透过软件运算，不过此一作法会加长系统的反应时间，运算时也会需要电能，因此现有厂商将之设计在硬件内，以硬件执行此功能，不但加快运算流程、降低功耗，硬件被破解的难度也较高，可提升安全性。

另一个整合趋势则是无线技术，无线是物联网系统中最重要的通讯方式，且其标准相当多，包括Wi-Fi、BLE、Thread、Zigbee等均是，过去的做法是让MCU加上无线通讯模块，近来厂商则纷纷推出两者整合的系统单芯片(SoC)，像是ST就有ARM Cortex-M0+与M4的双核心MCU，另一大厂SILICON LABS则是推出具有双模通讯设计的MCU产品，目前无线MCU已成为各大厂布局物联网的重要产品策略，随市场的逐渐放大，这类型产品种类与功能将会越来越多。

观察MCU的发展趋势，物联网无疑是近期最重要的成长动力，此一趋势不但带动市场成长，同时也让MCU的技术不断往上突破，而从技术面观察，高效能、低功耗、高整合将会是MCU最重要的设计方向，也会是系统与设备厂商选择MCU的必要考量。


图说：物联网传感节点的低耗电、高整合与通讯需求，带动了MCU技术的另一波发展。(PHYS.org)


图说：MCU市场启动，除产品与开发工具外，大厂也开始致力打造生态供应链，提供客户更完善的服务。(DIGITIMES摄)