MCU节能设计的改善与方案
- DIGITIMES企划
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因应数码化趋势下的智能电子产品发展，以及日益庞大复杂的数码信息处理，微控制芯片不单朝向32位元前进，也开始出现双核、四核心设计方案，以因应大量运算处理需求。此一发展方向虽然解决了巨量运算需求，但多核心设计方案的内部传输通讯耗用的整体功耗，却也在持续增加之中...
在数码产品上进行巨量数据处理，以往除了MCU之外，大多必须透过DSP或是通用处理器进行的巨量运算，但在MCU芯片多核心发展趋势下，MCU开始导入浮点运算功能，强化运算功能，让MCU也能以相对有限的硬件资源，因应巨量数据的运算工作。
尤其是目前常用的高度运算密集型移动应用，实时传输的数据量相当惊人，不只是众应用核心彼此间的传输数据量增加，内部传输距离也因此变长，处理数据量或是线路数量，也会呈现倍数成长状态。而架构在大量内部数据传输的同时，也代表着芯片内部因通讯处理所产生的功耗状态为何会高达30%以上。
也是因为嵌入式设计方案，已经开始走入人们生活，在手机里、平板电脑甚至是各式数码家电，都能找到MCU产品的内嵌设计，但早期MCU并未需要处理这类高度运算需求，因此，相关设计可以很轻松地在有限硬件资源下进行产品的功耗最佳化设计。
MCU朝多核发展 元件功耗表现改善成首要目标
但反观目前的应用环境，不仅要求MCU需要朝高效能方向进展，近几年MCU应用更逐渐出现多核心的设计，甚至跃升至对称式双核心应用设计。虽然透过多核设计的架构整合，可以出现倍数的效能改善，但实际上也会因为内部连接设计，在数码内容档案容量持续暴增下，造成单次传输数据量同步飙升，这造成产品核心内的数据传输管道不只在数量上的暴增，传输距离也有持续拉长的现象。
目前MCU应用主流，已经持续朝双核心设计方案，甚至可能朝更高核心数设计方案，因为对于设计平台架构来说，芯片的外频提升在有限的驱动能量与芯片物理特性上，提高系统外频时脉可强化单核处理元件的运行效能，但只要在外部频率提高到一定程度，就必须在芯片核心进行高频运行化支持的制程改善；这对于MCU的低成本要求等于产生冲突，因为前卫的制程技术肯定代表着高成本，若要在有限的成本下达到跳跃性的效能增益，在MCU应用趋势上反而是朝多核心技术进行元件效能改善，会更具务实效益。
核心数增加 凸显内部信号传输功耗问题
目前已有采SMP(Symmetric Multiprocessing)对称架构的双核心量产产品，未来亦不排除有更多核心数整合的MCU产品，这对于嵌入式应用来说，可利用多核心整合技术满足用户冀求接近常规电脑的运行效能与使用体验要求。但大量处理引擎核心(PE)，对于支持高度平行的数据处理密集运算的确有效能提升效益，但多PE也会形成相对的软件堆叠于处理器上进行运作。
除了内部通讯的功耗问题改善外，MCU相关技术仍有散热需求需要硬件设计来处理，因为IC技术的高整合优点，正是造成了单位芯片的功耗密度，即便是IC单元的晶体管尺寸被大幅微缩、单位工作电压显得更低，但MCU内的晶体管数量却急剧增加，运作的外部频率亦同时快速提升，这种结果往往导致设计方案的散热问题，集中发生在PC载板的特定区块上。显然，要让MCU系统顺利运行，就必须利用重点散热机制，来改善热处理问题。
虽然目前多数多核产品，多采行对称式设计型态，但在MCU应用中，采用非对称式的设计架构似乎正有逐步增加的趋势，因为开始有芯片业者推出多种非对称式多核MCU产品，例如以ARM Cortex M4搭配M0核心的非对称设计。而这种非对称式设计方案，在多核心的特性挹注下，可以让开发架构拥有更多设计弹性，例如针对不同核心编写各自的演算法，甚至分配不同的运算关系，在前端应用设计时的架构弹性，往往在部分设计案中会比对称式的MCU来得有更多的设计空间。
高度整合设计 元件运行温度相对较高
尤其是内部IC集成电路高温，往往出现极高温度表现，虽然在安全运行的温度之下，但实际上已经对周遭与机壳内的温度造成影响，一般设计会在关键芯片上，如MCU上贴附石墨散热片或是金属散热片，或利用主动散热之风扇进行处理器的表面散热加强设计。
但新的设计方案为透过电源电压调节，来进行系统载板的整体电源管理策略，例如，利用控制MCU内核之工作电压调配，达到确保系统所开发的功能可以在某些运作条件下，区隔出高、中、低运作负载条件，针对不同运行状态动态调整MCU的驱动电压，达到处理系统运行功耗可被显着降低。
因为功耗的换算方式，即等于组件之工作电压的平方，因此在负载与数码处理条件均可满足设计项目要求的前提下，利用核心电压的动态调整，可让整体集成电路再额外节省至少20%~30%功率消耗。虽说藉由控制核心电压，可达到整体功耗的大幅改善效用，但想达到动态电压控制设计方案，必须在已有的参考设计中追加更多外部元件，这对整体设计方案的成本会造成部分增加问题，趋于复杂的电路设计也会造成开发上的负荷。
若采用定制化之电源管理解决方案，其实在成本方面是相对昂贵的选择，设计方案也会让载板出现大量离散式元件，而为了准确提供系统载板多个准位的工作电压动态调整设计，必须审慎考量整体电源管理设计方案。例如，电源管理系统必须针对系统所有电压进行监测功能，同时电源需进行定序，搭配多目标通讯I2C连结，来达到先进电源管理整合的设计优势。
