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边缘运算势在必行 微控制器成要角

在物联网(IoT)、人工智能(AI)及5G并行下,微控制器产品越来越多元,被赋予更重要的角色。图为盛群的MCU产品。

在物联网(IoT)及智能化趋势演进下,人工智能(AI)功能从云端往终端设备迈进,为因应数量庞大的资料与实时处理需求,并分担传统云端运算的负荷,使得边缘运算顺势而起,而且势在必行。另外,着眼于即将到来的5G联网应用,包含虚拟实境(VR)、AI等将会带来更大的运算量,进而产生更多不同的运算需求。整体而言,物联网的应用相当广泛,对于功耗、效能以及安全性等要求各有不同,促使微控制器(MCU)产品越来越多元。未来若想让AI应用在生活各层面,微控制器将被赋予更重要的角色。

微控制器是一种无所不在的嵌入式控制芯片,一般分为8位元、16位元和32位元的处理器,负责智能管理控制、网络连结、无线传输、人机接口互动系统等工作。简单地说,微控制器就好比是一台迷你计算机,用来控制运算量相对于微处理器(CPU)为少的嵌入式系统,象是电热水瓶、马达控制等,在生活中不难见到微控制器的踪迹。

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智能工厂的产线自动化等应用,须透过微控制器达成。图为佳世达的智能工厂产线。

边缘运算兴起,微控制器获看重

过去,人工智能运用于生活层面时,常因网络带宽有限、缺乏网络覆盖、通讯延迟、资料隐私及安全性等问题,面临极大挑战。随著现今进入智能物联时代,处于装置终端的边缘运算模式,随著人工智能应用开始普及,需求逐渐上扬。这也代表著一般的CPU或机器学习芯片,甚至于微控制器都需要更高的处理效能。其中微控制器必须提供低功耗、无线连接与支持人机接口等功能,因而所扮演的角色将益趋吃重。

配合著智能装置、物联网等产业快速发展脚步,无线射频(RF)、传感器、电源管理等搭配微控制器成为新趋势。微控制器的优点在于体积小、价格便宜、省电,但如今作为物联网边缘装置核心的微控制器,效能也不能太差,但也必须兼顾原有低功耗的优势,所以微控制器业者在基于ARM Cortex-M核心架构下,以自身的技术能力,推出低功耗与高效能兼具的微控制器,以满足物联网市场对装置的需求。

智能应用多元,带动微控制器需求

在智能生活的应用中,关于家庭生活装置的控制、能源、传感器、安全监控影像辨识、语音控制等管理功能都仰赖微控制器,于是相关接口都集成在微控制器中,带动微控制器设计架构的改变。

以上趋势也同样发生在车联网。汽车具备连网功能的目的是为了提高行车安全,随著汽车系统的要求益趋提升,提升处理能力、节能、低耗、大储存容量等需求,在在推动著微控制器厂商开发新的车用微控制器架构。

此外,智能工厂、机器人和自驾车为微控制器带来更大的商机。以智能工厂为例,产线自动化需要更为安全的管理能力、强大的资料分析与整理能力,这些应用背后都需要透过微控制器达成。简言之,只要看得到马达、传感器、联机模块等都会使用到微控制器。

综观而言,受惠于嵌入式系统的广泛应用、传感器增加以及物联网终端应用的热潮,未来几年微控制器的营收和出货量可望将持续大幅成长。根据研究机构IC Insight预估,微控制器在2022年将达到约239亿美元,单位出货量达到约438亿个,年复合成长率则是11.1%。另依市调机构IHS则预估,针对车联网、可穿戴式装置、智能建筑、智能家庭等物联网相关应用的微控制器产业,在2019年将达到28亿美元的市场规模,估计年复合成长率约略落在10%到15%之间。

因应多元应用,微控制器须高度集成

低成本、低功耗、高稳定性、高集成度的微控制器产品是未来的发展方向。高度集成的微控制器不仅可以方便客户开发产品,并且可减少印刷电路板(PCB)的占用空间,进而能够降低成本,具有市场潜力。

全球主流MCU的产品大都是基于ARM或8051架构,凸显MCU产品更强调通用性。惟在市场上的产品趋于同质化的环境下,各家MCU厂商无不专注于应用领域,以取得差异化竞争优势。

瑞萨电子(Renesas)宣布推出四款新型RX651 32位元微控制器,分别针对工业、网络控制、建筑物自动化,以及在物联网云端边缘装置的智能型量测系统,这些微控制器可满足采用传感器和通讯模块的终端装置对高阶安全的需求。

意法半导体(ST)日前推出新一代的微控制器系列STM32G4家族。为了马达控制与数码电源等应用市场,积极开发效能更高的产品线。STM32G4透过降低电路板尺寸与物料成本,达到全功能合一的系统单芯片解决方案,可以在高度集成的状况下,维持低成本的优势。

东芝(Toshiba)在2019年针对办公室自动化设备、视听设备及工业设备推出M4系列微控制器,后续扩大采用ARM Cortex-M4的TXZ系列的微控制器产品阵容,以满足马达控制和全球传感器市场的需求。

德州仪器(TI)的C2000 F2838x 32位元微控制器,集成三项工业通讯协定,可让设计人员使用单芯片于交流电伺服驱动器和其它工业系统中实现连接EtherCAT、以太网络和具有弹性资料速率的控制区域网络(CAN FD),无需外部ASIC,减少尺寸和材料用量。

着眼于未来新兴应用领域,象是低能耗的电机控制、行动式医疗装置、高阶工业仪器控制等,对产品可靠性和稳定性等都有较高的要求。此外,物联网、节能环保等领域也需要大量低成本、低功耗、高集成、高稳定性的微控制器。由此看来,高集成度的微控制器产品仍是未来物联网应用的发展趋势。

有监于微控制器(MCU)的重要性日益提升,2019年度「微控制器论坛」将于9月24日(二)假台北喜来登大饭店举办,除邀集到德仪(TI)、意法(ST)、Microchip、NXP、东芝…等9家厂商联袂发表最新产品技术方案之外,最大亮点是台大与交大两位教授联手演示最前瞻的研究成果与观察,对终端智能产品开发商/工程师来说是不可多得的机会,欢迎即刻报名


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