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微控制器在智能电子系统上的应用

消费性电子产品智能化趋势带动微控制器市场蓬勃发展,相关主题研讨会深受业界人士关注。

在由DIGITIMES主办的微控制器技术与应用论坛中,瑞萨电子(Renesas Electronics)微控制器系统事业部总经理市川正臣首先主讲当前绿色MCU设计趋势,以及瑞萨R8C、78K、RL78系列MCU与32位元SuperH、V850、RX MCU相关技术介绍。

新唐科技(Nuvoton)微控制器营销企划部经理黄日安,叙述当前MCU市场与32bit MCU主流趋势,并提出Cortex-M0取代8051单芯片的应用,介绍新唐NUC500/700/900 Soc单芯片、NuMicro Mini51/Nano100 MCU芯片与应用。

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国家实验研究院国家芯片系统设计中心组长 黄俊铭。

意法半导体(ST)产品营销经理杨正廉,介绍全球性能最高且基于ARM Cortex-M4架构的STM32 F4系列MCU,提供实时存储器存取加速、多重AHB汇流排与浮点运算功能,并且拥有高效能低功耗的优势。

国家实验研究院国家芯片系统设计中心组长黄俊铭,针对微控制器在车用电子、通讯、计算机、消费性电子应用,以及多核心、异质性元件的积体构装技术趋势做探讨。

晶心科技智财产品客服部经理李明豪,介绍晶心研发的AndesCore核心─入门N8、中阶N9以及高阶提供DSP加速与FPU浮点运算的N10处理器,列举与竞争对手在效能与功耗上的比较,以及后端集成开发环境(IDE)与函式库上的客户技术支持。

益登科技技术经理苗延骏,介绍由Silicon Labs研发的低功耗无线节点╱网络感测技术。凭借环境能量采集(Energy Harvesting)技术,可作为智能电表、工厂环安、基础工程与生态监控的部署应用。

论坛最后,UL亚太区咨询事业发展经理陈立闵,聚焦智能电网架构面临的独立电源挑战,针对孤岛效应、充电防护、连网设备上的安全威胁进行讨论,并介绍UL2744智能环境标准与IEC 61508-0安全控制标准。

国家芯片系统设计中心组长黄俊铭指出,智能电子系统是台湾今(2011)年5月启动的国家型科技计画的重点项目。目前台湾IC设计业市占率全球第2,但因为过去偏向纯硬件设计与制造,从2008年开始有成长趋缓现象,因此教育部、经济部技术处、工业局、国科会工程处与卫生署成立国家实验研究院,结合产官学研力量,从医疗电子(M)、绿能电子(G)、车用电子(C)、通讯/计算机/消费电子(3C)的MG+4C异质集成与多样化之应用,协助IC设计产业再次跃升。

智能电子国家型计画的推动方向,在医疗电子部分,包括体外诊断/治疗与植入式诊断/治疗技术、医疗电子质量系统与营销管道建立、建构医疗电子产业链等;绿能电子部分则有家电、车用电子、3C/IT的驱动控制╱转换技术与芯片电能管理;生物电子部分则有电能管理与能量采集(Energy Harvesting)技术;车用电子方面,则从多核心嵌入式系统架构与开发工具、多媒体与资通讯技术、行车辅助应用装置以及汽车电源控制技术等项目着手。

MG+4C异质集成多样化的应用

黄俊铭提到,未来高龄化时代对老年化社会的尖端照护,需要多样少量、特殊化的医疗电子产品,可带动无线生医网络技术与产业创新的机会。而优质平价商品市场的时代,业界更需要以产品导向、共通平台与IP多样化来因应,并导入电子异质系统,以半导体为基础扩散至节能、车用、医疗电子以提高附加价值。而CMOS制程、微机电、多核心、感知&致动器,以及3D IC、TSV都是当前欠缺关键技术但未来看好的项目;微缩制程持续突破、18寸晶圆/机台导入,以及新材料、新元件、新配线的概念,将持续吸引学研机构前瞻研究与产业持续投资。

智能电子产品的实际SoC案例

黄俊铭举例,譬如Nintendo 3DS掌中游戏机,内部采用Nintendo的1048 0H SoC芯片;苹果Apple的iPod shuffle内部则采用Sigmatel STMP3550 SoC芯片。2011年推出的Apple iPad 2平板计算机,使用由ARM授权、Apple自行开发的A5双核心SoC芯片;微软Microsoft Kinect使用PrimeSense公司的PS1080-A2 SoC芯片。另外由Parrot公司研发的无线遥控AR Drone直升机,内部采用由ARM授权的Parrot6 SoC芯片。Cirrus EP9312芯片,采ARM 920T CPU核心,工作时脉200 MHz,内建MaverickCrunch与MaverickLock Security Features保全编码功能,可作为网络音乐点播机的应用。

结合DSP数码讯号处理单元与ARM的SoC应用,有TI OMAP5910采150MHz TI TMS320C55x DSP与150MHz ARM925核心SoC,而Freescale MSC8144 DSP Farms处理器内建4个Starcode SC3400核心;Cradled的CT3616 MDSP更是异质性多核心的代表,具备两个多核处理单元,每个单元有4个GPP、8个DSP与8个存储器控制芯片所组成的SoC芯片。Triscend开发出A7 Configurable SoC芯片,由ARM7TDMI CPU核心搭配可组态SoC逻辑矩阵电路闸(FPGA)所组成。

在其它异质性集成应用上,像德仪(TI)发表的TI eZ430-Chronos运动型手表,采TI CC430F613x内建无线射频的SoC单芯片,可感测到配戴手表者的运动情况,以无线方式传回计算机网络上。另外还有Energy Harvesting System─利用阳光、热能、动作、无线产生能源的能量采集应用实例。

MCU集成技术演进与未来趋势

黄俊铭指出,MCU从过去简易的8051演变到今日像TI Stellaris复杂的SoC ,开发平台从过去与主板一样到今日与USBU盘大小相当,Parallax BASIC Stamp 2微控制器模块和1张邮票差不多。再发展下去,Heterogeneous Integration(异质性集成)将CMOS制程逻辑芯片、光通讯芯片、微机电、砷化镓雷射芯片、存储器芯片一起集成成单一芯片外观。例如TI的OMPA35x SoC就是由以PoP技术堆叠的存储器芯片,透过Back to Face的方式与下方OMAP3处理器芯片结合,再连接到下方的Substrate基板形成1个3D IC芯片。

国家实验研究院开发出MorPACK三维异质集成系统平台,集成CMOS逻辑闸、光通讯、RF无线射频、存储器、微机电、生物芯片等异质性芯片,可缩短讯号传输距离、提高效能并具备环保与低成本效益。下一个阶段研究的是Wafer Stacking and Die-on-Wafer Stacking(DSD),将不同制程的矽芯片藉由Face to Face、Face to Back、back to back与back to face四种堆叠组合模式,辅以凸块(Bumper)、矽穿孔(TSV)以及绕线(Wire bone)方式连接到最底层承载基板。

黄俊铭总结,SoC MCU的应用将走向多样化,藉由异质集成技术,把多种功能芯片集成成1个芯片外观,同时兼顾低耗能的趋势,把尺寸与体积进一步缩小。

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