宏观微电子采用ARM Cortex-M架构新品通过Matter 1.0认证

图（一）建构通用型低功耗 IoT 无线 SoC 平台。ARM

成立于2006年的宏观微电子，是一家总部位于新竹的IC设计公司，已于2016年公开发行。该公司成立之初专门研究电视和卫星调谐器IC组件，现已是全球前三大矽晶调谐芯片供应商，也是台湾IC设计业者中唯一可提供电视机与机顶盒射频信号接收芯片的供应商。此外，它提供领先全球的卫星广播IC接收器，多通道LNB IC市占率超过50%。
 
以宽频RF核心技术为基础，监于近年IoT市场的兴起，凭藉其在RF电路开发方面的强大能力，宏观微也积极开发IoT RF芯片，已可提供支持各种规格的蓝牙低功耗/Zigbee/Thread和Sub-G组合的多协议RF解决方案。
 
宏观微与ARM 合作开发支持Matter的IoT无线SoC

图（一）是宏观微建构的通用型低功耗无线IoT SoC平台架构，由无线电RF子系统、MCU、存储器、电源管理以及IO和周边元件，及其他混合信号单元（如ADC）所组成。此平台可视为其既有IoT RF IP与MCU IP的整合与扩展，因此MCU IP的选用便成为此新产品开发是否成功的重要关键。
 
此平台的另一个特色是，为了灵活扩展程序码大小，透过标准的串行SPI界面将外部快闪存储器封装整合到系统中。此外部快闪存储器可以是KGD或IC组件，为了加速其与SoC之间的数据传输速率，特别选用了 Quad SPI（QSPI）来增加带宽，并可直接在具有内建执行（XIP）功能的快闪存储器内部执行程序。
 
由于这是IoT用的低功耗无线SoC，因此电源管理方案至关重要。在此平台中，需要正确的电源管理单元（PMU）逻辑。宏观微设计了LDO和DC/DC以与PMU配合使用，具体取决于功率预算。在许多电池电源应用中，待机电源或睡眠模式对于延长电池寿命的良好管理扮演了重要角色。
 
由其他方案转向使用ARM Cortex-M MCU架构之优势
 
在为此IoT无线SoC平台选用MCU IP时，初期宏观微曾评估过不同的技术方案，最后决定转向采用ARM Cortex-M系列IP，不仅因为它非常易于构建SoC平台骨干，而且在整个开发过程中，ARM提供的IoT全面解决方案、完整开发环境、软件生态系统、平台安全架构等各种技术，加上在地可实时技术支持的能力，能节省大量的人力资源和验证工作，使宏观微能在极短时间完成产品开发，在Matter标准底定之初便能推出新产品，显着提升其竞争优势。

ARM Cortex-M系列是ARM架构处理器核心中端系列的统称，是专为低成本、高能源效率的微处理器而优化设计，具有完善的开发环境与技术支持、最高的效能功耗比，同时软件编译过的代码也很小，可以减少SoC系统对于存储器的需求，进而节省功耗。
 
宏观微针对此IoT SoC平台开发的第一款产品是采用台积电（TSMC）超低功耗CMOS ULP制程，整合了 ARM Cortex-M3核心和256KB SRAM的双天线无线SoC。透过与ARM的密切合作，使其能在短短16个月内实现从样品到测试认证并开始量产，而且与先前采用的其他核心架构相比，芯片尺寸缩小20%，功耗减少 10%。
 
采用ARM解决方案的另一项重要因素是，它的架构可符合Matter 标准的安全需求。随着智能家庭应用的起飞，安全性已成为设计的重要考量。但目前各家智能家庭平台都有自己的安全和认证方式，导致开发复杂，同时消费者也有部署上的风险。对此，Matter专注于提供装置身份认证及韧体安全性，所有装置均须完成安全认证，而装置拥有者须提供装置口令以判断是否通过认证。
 
采用ARM  Cortex核心，可将密钥及核心软件可储存于ARM  TrustZone区域内，以隔绝外界所有的窃取管道，相较于其他RISC架构的MCU, TrustZone更可以确保密钥及数据的安全，同时将芯片内核的关键程序彻底保护，外界无法进行修改。此外，ARM的专业团队可确保开发环境与软件更新，并有完整的资源可支持全产业链的Matter应用开发。
 
宏观微电子总经理李耿民表示，「非常高兴透过使用ARM Cortex-M IP开发出效能突出的SoC产品，并领先业界通过Matter 1.0的官方认证。利用此设计方式，使我们可以用有限的资源并能减少设计时间。大多数人可能无法想像设计出能真正投入量产的无线SoC的复杂性！设计过程中除了需要运用长期累积的深厚经验和RF 专业知识外，无线SoC的测试和验证更是整个设计过程中最困难的部分。射频效能、功率分布、通讯可靠性、错误率和抗扰性、FCC认证、合规性、兼容性和生产测试都是需要注意的重要事项。软件开发也是另一项主要工作。宏观微电子是一家高技术力的公司，我们将宝贵的资源放在可以产生最高技术价值的地方，藉由ARM为我们提供的协助，我们相信，缩短上市时间及卓越的效能将可为系统厂商等客户带来满意的收益与回报。」

宏观微的双频段、多协议无线 SoC

针对IoT应用，宏观微发挥其无线RF芯片的技术优势，已开发出多款独具特色的双频段，及支持多协议演算法的产品。
 
以日前发布的RT58X系列IoT无线网络SoC为例，这是一系列内建ARM  Cortex-M3核心，具有单／双频 （2.4GHz/Sub-GHz）RF和嵌入式多协议IEEE802.15.1/IEEE 802.15.4 MAC的创新产品，适用于Matter应用，支持蓝牙低功耗（Bluetooth LE）、Zigbee、Thread和Wi- SUN等协议。
 
RT58X的独特架构使其能在2.4G和／或Sub-GHz射频同时运行，并执行不同的通讯协议。一个典型的应用是使用蓝牙和手机连接，同时控制和管理透过基于Sub-GHz网状网络连接的IoT设备，例如居家安全网络等。
 
此外，RT58X的超低功耗可提供出色的电池使用寿命，允许使用电池运行。不同的RF协议命令储存在ROM或RAM中，确保超低功耗和应用的灵活性。
 
宏观微全系列无线IoT芯片产品的另一项特点是，其芯片软／硬件均已完成完整的标准认证，包括Matter 1.0 、 Zigbee 3.0、BLE 5.3、BLE SIG Mesh、以及Thread 1.3。如图（二）所示，在宏观微开发的「双频段、多协议IoT平台」中，底层是宏观微提供的RF SoC芯片，黄色的软件部分则是宏观微提供给系统客户的软件协议。透过提供业界标准协议及可自订的高速通讯协议，能协助客户缩短新产品开发时程，争取上市时间。

在宏观微提供软件支持中，ARM Project Centauri提供的丰富软件资源以及安全性技术也扮演了重要角色，协助宏观微能够在最短时间内，实现从射频子系统到完整系统单芯片的开发，以建构更完备的系统解决方案。

ARM 的技术方案能够协助台湾像宏观微这样具有实力的中小型 IC 设计业者，加速新产品的开发与创新，以因应市场的演进与改变，并获得丰富的生态系统支持。

未来宏观微也将进一步导入ARM v8-M架构来开发下一代新产品，将其芯片的安全技术升级至硬件式安全，以建构更安全、更高效能的无线IoT SoC产品组合。

请点此下载白皮书「ARM 协助业者加速开发符合 Matter 标准的 IoT 产品 – 以宏观微电子为例」，以了解物联网市场、如何开发高效能产品，以及宏观微电子的最新产品。