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断链之后
 

为绿色社会打造的MCU技术趋势与产品

瑞萨电子微控制器系统事业部总经理 市川正臣(Masaomi Ichikawa)。

绿色风潮席卷全球,引领行动装置、家电、交通设施以及公共设施的全面节能化,而节能的控制中枢微控制器(MCU),成为驱动这股全球绿色风潮的关键核心…

瑞萨电子(Renesas Electronics)微控制器系统事业部总经理市川正臣于演讲中指出,我们住在一个资源有限的星球,无论是空气、石油、瓦斯、水、矿产资源都极其有限。瑞萨电子引领业界,以净化环境、洁净能源为设计理念,开发全系列具备绿色概念的微控制器(MCU)。

而绿能市场趋势在相关电力法规要求下,全球将近2兆美元的公共支出着重在绿色应用。如日本在2010年通过23项工厂与办公室节能法规,2013年将进一步指定节能项目并强化;大陆则在2010年通过TV待机仅1瓦耗能、电锅、电器相关耗能规范,到2013年将进入TV待机0.5瓦耗能,以及灯光╱马达控制的节能规范;韩国则在2010年通过1瓦待机等23项节能规范,2013年将30%的公共灯光设施改为LED并淘汰灯丝灯泡。欧盟在2010年通过9项商品待机1瓦与灯丝灯泡减产,2013年9项商品待机0.5W规范以及淘汰灯丝灯泡。美国2010年对电视、冰箱、电暖器与OA办公室设备耗能开始紧缩,2013年进一步对洗碗机、电热扇、TV操作模式耗能做规范,并导入新照明能源。

市川正臣表示,在节能家电风潮下,MCU微控制器的年复合成长率,从2003年的平均110%,到最近7年加快到115%,市场成长相当快速。可证明MCU是建构绿能社会的重要关键核心。他也指出,要实践智能社区(Smart community)的3大关键,在于绿能连接、绿能系统以及绿能MCU。绿能连接在于智能电网(Smart Grid),深入每一家用户的智能电表(Smart Meter)是建构智能电网的关键,藉由有线或无线连接来监控各地区、社群的用电,并回传实时信息供电力公司做有效率的调配;对家庭而言,将居家照明、电气用品与电动车充电系统纳入监控,在房屋屋顶还可搭配太阳能光电板,以及共生燃料电池等辅助能源的协助,进一步纾解全国电力的尖峰需求。

30年产业经验淬链 绿能MCU导向家庭与工控应用

市川正臣表示,由日立(HITACHI)、三菱电机(MITSUBISHI)半导体于2004年合并成瑞萨科技,并于2010年与NEC电子进一步合并成瑞萨电子,是世界第3大半导体公司。经历从1980年代瓦斯表、90年代水表、90年代中期智能电表,到2000年代中期迈向智能电网,以及2010年智能电表的时代,瑞萨累积超过30年开发微控制器的经验,提供各种智能网格网络的绿能连接方案,例如使用Zigbee低耗能RF无线射频技术的R8C、78K系列,支持PLC电力在线网机制如DCSK的M16C/6S芯片,或OFDM调变如Smart Dragon芯片,提供ASIC等级的智能电表应用。

在绿能系统应用上,针对智能家庭提供家电微功率计(micro power meter)、变频控制与LED照明,智能建筑╱智能工厂方面则提供ERTEC Profinet以太网络自动化控制芯片、功率芯片与工规8~32位元MCU。他指出,对绿能系统来说,由MCU做变频控制(Inverter control),例如32位元RX与V850系列可以使电动车、洗衣机、冰箱、冷气等马达功耗节省30%;针对变频控制应用上,瑞萨针对可驱动三颗马达的RX与适用于单马达驱动的RL78/G14系列,提供直流无刷马达专属计数器╱类比转换电路,RL78/Ix系列的64K变频电控技术节省85%的LED照明功耗,并可支持DALI与DMX512照明专用网络接口;RL78的低耗能特性应用在电表、仪表可达到仅1颗电池维持20年长效运行的目标。另外也可应用于太阳能光电系统上提升转换效率,或是低功耗传感器的应用。

全绿能MCU家族

市川正臣指出,瑞萨电子有全球第1低功耗的MCU设计,辅以低功耗Flash存储器制程技术,以及高效率软件开发技术与布建全球的合作伙伴网络支持,为实践智能化社会推出了全系列绿能MCU产品。在32位元MCU产品线中,SuperH系列具备超纯量(Superscalar)、存储器管理单元(MMU)与多媒体视讯╱音讯加速指令集(Multimedia),采45、65、90纳米制程,执行效能达1,200 DMIPS,目标在服务器、工控与车用电子;V850则是高效能低功耗核心设计,采150与90纳米制程,执行效能为500 DMIPS,效能功耗比为600 µA/MHz,待机功耗仅1.5 µA,应用于医疗、车用电子与工业控制;RX系列则具备高效能浮点运算与数码讯号处理,采90纳米制程,效能达165 DMIPS,效能功耗比为500 µA/MHz,待机功耗仅2.5 µA,可应用于网络、CAN、USB、马达控制、TFT监视器。

传统低阶8/16位元CISC架构的MCU产品线,目前有40 DMIPS、130纳米制程、一般功耗70 µA/MHz与待机0.7 µA/MHz的RL78,25 DMIPS、180/90纳米制程、1mA/MHz与待机100 µA/MHz的保密型R-Secure微控制器,10 DMIPS、130纳米制程、350 µA/MHz与待机1.7 µA的R8C,以及25 DMIPS、150纳米制程、单位效能功耗190 µA/MHz与待机0.3 µA的78K微控制器,而这些8/16位元MCU系列的下一代产品,将纳入RX系列的新产品计画。

瑞萨MCU设计思维─低功耗Flash制程、设计与全球化支持

市川正臣以数据说明,绿能MCU就是要做到最低功耗针对各种绿能应用最佳化,因此瑞萨率先于MCU导入40纳米MONOS Flash制程技术,也是全球第1大内建Flash的MCU供应商,Flash CELL单位面积仅0.075μm2,设计容量最高达16MB;在各种效能╱功耗的应用指标,从最低阶入门的8/16bit CISC架构的78K/RL78/R8C MCU,具备1.27 DMIPS/mW,到中阶32bit CISC架构RX MCU达到1.65 DMIPS/mW,高阶32bit RISC架构的V850与SuperH MCU达到2.56 DMIPS /mW。例如200MHz双核心V850E2/Mx4,在200MHz频率下达到1,024 DMIPS运算效能,每DMIPS仅需0.88mW,比竞争对手单核MCU降低40%。

他进一步指出,瑞萨全系列MCU内建多段变频的石英振荡器(Oscillator;OSC)与快速回复电路,使MCU可依负载控制CPU的运行频率,使整体功耗下降约70%。在2008年,瑞萨就展示过以台灯照射太阳能板供电即可运行的32位元V850 MCU,以及在2011年展示的以1颗柠檬的化学电能来驱动的低功耗78K0/RL78 MCU电路。

市川正臣进一步介绍瑞萨最低功耗的RL78系列MCU,它以3个全球第1─最低功耗、最多元化产品线与最具成本效益─为设计理念。RL78创下一般模式70 μA/MHz、待机模式0.7 μA/MHz与暂停模式下0.52 μA/MHz的超低功耗纪录,从10~128pin脚位的多元化与内建1~512KB 的低功耗Flash ROM,以及低功耗的内建震荡电路。他表示,接下来面临的挑战,是加强内部类比电路的功能及性能,以因应量测与自我校准的市场需求。

RX家族─32位元CISC MCU的最适应用

市川正臣接著介绍32位元CISC架构的RX MCU系列。分为高阶RX600以及入门RX200,两者在脚位上基础兼容,RX600定位在工控╱OA办公室设备╱消费性电子产品,具备单精准浮点运算单元(FPU),每一核心提供100MHz/165 DMIPS单位效能,待机功耗0.5mA/MHz,采2.7~3.6V工作电压,另有4~5.5V的版本支持电源以及马达应用,内建Flash存储器从64KB~2MB,脚位封装从64~176pins;而RX200提供每核心50MHz/78 DMIPS单位效能,待机功耗仅0.2 mA/MHz,采1.62~5.5V广域工作电压,定位在绿能家电、行动装置与量测器的应用。

市川正臣进一步揭露下一个编号未定的32bit RX MCU新成员,将使用更紧密的内建存储器与对外脚位封装技术(不超过100pins),它预计将创下0.5μA/MHz的超低待机功耗,主要瞄准工控、医疗与车用电子的应用领域。

市川正臣最后总结说道,瑞萨电子以绿色节能的设计理念,设计V850、SuperH、RX、RL78以及新的32bit RX MCU,广泛应用到智能建筑、智能行动装置、智能家庭、智能工厂、智能汽车与智能电网的布建,使全世界迈入低耗能的绿能社会。

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