智能终端核心升级 MCU引领边缘AI趋势走向多元应用
- 郑茨云／DIGITIMES企划
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MCU架构快速演进，从传统8位元一路发展至32位元，应用场景也从简单指令运算升级为多元复杂。DIGITIMES于8月9日举办「D Forum 2024微控制器论坛：引领明日智能，MCU创新设计应用」，邀请产业专家深入探讨MCU的最新发展。
AI技术快速进展，运算趋势呈现多元化特点，工研院电子与光电系统研究所副经理苏建维指出，AI模型复杂度不断提升，对算力和能效要求大幅增加，传统von Neumann架构面临多重瓶颈。为解决这些挑战，存储器内运算技术（CIM）应运而生，透过存储器阵列中的储存权重，以并行乘加运算，有效降低数据移动耗能。目前CIM技术已涵盖多种存储器类型，应用范畴广泛。工研院在CIM引擎应用已有卓越成绩，他表示未来AI技术持续优化类神经网络设计，开发低位元数网络和CIM芯片，结合硬件软件补偿技术，以应对AI应用挑战，推动智能化时代发展。
在MCU领域成绩斐然的雅特力科技（ARTERY），至2024年的产品累计销售已超过1亿颗，产品与行销处长黄源旗提到，该公司产品线以ARM Cortex-M4/M0+核心为基础，采用55纳米制程，应用涵盖多元领域。其AT32A423和AT32A403A两款车规级MCU已透过AEC-Q100认证，适用各式车载系统；马达控制专用的AT32M412/M416 MCU，可提供全方位解决方案；低功耗AT32L021 MCU则因应物联网等应用需求。雅特力MCU以高效能、先进安全技术和宽温度适应性见长，并提供完整开发工具生态，透过多元化产品布局和领先技术，为各领域客户的智能化转型提供强力支持。
恩智浦（NXP）作为MCU大厂，旗下拥有完整产品生态系，恩智浦半导体大中华区市场行销经理黄佳琪表示，该公司的MCX 系列包括高效能MCX N、可扩展的MCX A、超低功耗MCX L、无线连接MCX W和入门级MCX C，此系列产品引入多项技术创新，如首款内建神经处理单元的MCU、专利低功耗技术和强大的混合信号处理能力。安全方面，内建EdgeLock® Secure Enclave支持多种安全认证。AI/ML应用上，整合的ML加速器大幅提升推论速度并降低功耗。MCX系列在技术、安全、功耗和开发生态系统上的优势，使其成为边缘运算和物联网应用的理想选择。
意法半导体（ST）的STM32是业界知名MCU系列，技术行销曾伃妏指出，此系列MCU透过分布式方式将人工智能能力带到边缘设备，边缘AI具备提升功效、改善隐私安全性和增强准确性优势。STM32的多样化硬件选择和丰富软件工具，可加速边缘AI应用开发。STM32产品线涵盖高效能、超低功耗和无线连接等多个系列，适应不同应用场景。STM32Trust安全架构可确保应用的安全性，而STM32U5系列则满足高整合性和低功耗需求。随着边缘AI市场的成熟，未来将有更多产品在设计初期整合此技术，提升性能、加强安全性并加快回应速度，彰显STM32在多样化应用中的关键角色。
全球电子元件大厂德州仪器（TI）长年投入MCU发展，现场应用工程师陈彦廷提到，该公司的MSPM0系列MCU基于ARM Cortex-M0+核心，是专为成本优化设计，提供小巧封装和先进类比整合。MSPM0C系列有8~16 KB存储器和多达6个GPIO，适合低成本应用，此系列MCU支持精确控制和多种通讯界面，在汽车照明、咖啡机和刮胡刀等多种应用中具备优势。TI同时提供统一的软件开发工具包和LaunchPad开发套件，配合SysConfig和类比配置工具，可加速产品开发。MSPM0C系列广泛适用于家电、自动化设备、个人电子产品等场景，其低功耗特性特别适合电池供电设备。
近年ESG与AI成为产业两大趋势，合泰半导体经理何祖盛指出，该公司的BLDC马达MCU技术可在相关领域发挥强大效益。盛群专注于IC小型化、高性能控制算法和UL-60730安规认证，提供从8位元到ARM Cortex-M0+的多样化MCU系列，其SoC MCU整合多种周边电路，简化马达驱动系统并支持小型化。盛群的技术已应用于AI服务器散热风扇和AI视讯云端平台等新兴领域。在高压吹风机、电动牙刷和电动二轮车等应用中，该公司MCU透过专利技术实现精准控制和高效能驱动，采用2-shunt FOC、硬件CORDIC和PID引擎等先进技术，进一步提升产品竞争力。盛群的技术不仅推动BLDC马达应用，也为ESG目标和AI产业发展做出重要贡献。
国内MCU大厂万亿易创新（GigaDevice）近年积极投入产品研发，无论是产品创新或市场行销都有亮眼成绩。GIGASEMI APAC Microcontroller FAE Chester Hsu在论坛中介绍，该公司基于ARM Cortex-M7核心的GD32H7系列MCU，此产品主频可达600MHz，整合高达3840KB Flash和1024KB SRAM，此系列的硬件加速器，可提升数学计算和数据处理效率，并有丰富通讯界面。安全方面，GD32H7可支持安全启动、OTP密钥存储和硬件加速加密算法。其应用范围广泛，性能测试显示GD32H759优于市场主流高性能MCU，具100K次Flash擦写耐久性和宽广操作温度范围，在高效能嵌入式设备的应用潜力深厚。
AI与MCU融合加速 YOLOv9到边缘运算全面突破
YOLO是近年备受市场瞩目的AI物件识别演算法，中研院信息科学研究所助研究员王建尧在演讲中提到，YOLOv9是物件侦测技术的最新进展，它引入可规划梯度信息技术，优化模型学习，提高泛化能力和多任务处理效能。相较前代，YOLOv9显着降低计算成本和存储器流量，可同时保持卓越性能。广泛应用于交通分析、自驾车和边缘设备，支持实时监测、复杂场景理解和3D物件侦测。特别适合低功耗环境，运行速度比最先进方法提高135倍，模型尺寸减少17倍。YOLOv9进一步提升可靠性和可信度，在人类安全和信息安全相关应用中表现突出。支持多任务同时执行，在边缘设备上达到媲美云端解决方案的效果，将成为智能城市、自动驾驶和监控系统等领域得重要AI演算法。
在物联网领域位居领先的英飞凌（Infineon），旗下拥有包括MCU在内的完整智能化解决方案，Infineon Application Principal Engineer Lossio Rodolfo提到，因应近年快速崛起的边缘运算AI，Infineon推出了PSOC™ Edge平台，整合ARM Cortex M55/M33核心、Helium™ DSP指令集和NNLite神经网络协处理器，实现低功耗AI运算。该平台支持多种周边界面，并具备强大的图形处理能力。Infineon同时提供Imagimob Studio和ModusToolbox™等工具，协助开发者从训练到部署全程打造AI应用。PSOC™ Edge可应用于面部识别、物体侦测等场景，具有高效能和低成本优势，展现出该公司在IoT和AI领域的技术实力和前瞻视野。
凭藉创新边缘AI解决方案，在市场上占据领先地位的ALIF，近年的MCU产品备受市场瞩目，亚洲区市场行销协理陈永章表示，ALIF提供的高效能低功耗AI/ML MCU，适用于各种嵌入式设备。其边缘AI技术将数据处理集中于设备本身，可大幅降低成本、能耗和延迟，特别适合安全性和隐私要求高的应用场景。ALIF解决方案已广泛应用于工厂安全、健康监测、智能镜头等领域，并在智能购物车、房间占用传感等创新应用中展现优势。在技术层面，ALIF整合Cortex-M55与Ethos-U55，实现超快推论能力和低功耗，未来将持续推动边缘AI发展，针对穿戴式装置和医疗监控等低功耗需求设备，提供最佳化解决方案。
克达科技技术专案经理冯育隆则在此次论坛中介绍了是德科技（Keysight）的MCU与FPGA创新故障分析解决方案CX3300A，他表示此仪器克服传统示波器在精度和灵敏度方面的限制，能够捕捉微小的异常信号。CX3300A的数据记录模式突破存储器深度限制，实现长时间无死区波形记录。内建的AI/ML技术加速从海量数据中识别罕见异常信号的过程。上述功能在物联网设备电源分析、恶意代码检测和机械开关故障诊断等领域展现出卓越效能，CX3300A透过高分辨率、低杂讯的电压电流检测，结合长时间记录和智能分析功能，可大幅提升产品可靠性分析效率，有效降低了大规模产品召回等潜在业务风险。
深耕MCU技术多年的新唐科技（Nuvoton），近期针对机器视觉、语音AI和智能传感等应用的终端AI运算需求，推出全面解决方案。 Nuvoton的NuMicro® M55M1系列MCU搭载ARM Cortex-M55 CPU和ARM Ethos-U55 NPU，运行频率达220 MHz，内建1.5 MB SRAM和2 MB快闪存储器，并支持HyperBus外部存储器界面，可扩充RAM 和 flash容量。该款MCU适用于实现多种终端AI应用，如物件识别、语音识别、手势识别、姿态识别等。基于Tensorflow 的机器学习框架，新唐NuEdgeWise IDE提供了多种机器学习范例程序，客户可参考范例程序或藉由重新训练模型来开发自己的AI应用。在开发板的部分，客户可使用NuMaker M55M1 EVB 或NuMaker EzAI EVB来进行开发。NuMaker EzAI EVB 可以结合Teachable machine，实现no code 的AI模型开发，协助开发者以最短时间评估AI应用。Nuvoton的AI解决方案可广泛应用于AIoT、家电、智能家庭、STEAM 玩具、保全系统等领域，展现了其在终端AI技术和应用生态系的实力。
除了产学专家的精彩演讲，此次论坛也邀请环旭电子（USI） 技术长方永城，与IC之音《姚姚Tech666》节目主持人姚嘉洋，以「从系统级封装的发展，看MCU的动能与机会」为题交换意见。
方永城指出，环旭电子在系统级封装（SiP）领域具有卓越的技术实力，尤其在无线连接技术和微小化、模块化设计方面表现相当亮眼。目前SiP应用主要朝向尺寸缩小和低功耗发展，广泛应用于智能手机、智能手表、AR/VR装置，以及电池供电的摄影机、玩具和医疗内视镜等领域。MCU与SiP的结合可为产品带来诸多优势，例如透过边缘运算减少对云端运算的依赖，并在断网情况下保持基本功能，不过边缘运算架构仍需克服功耗、EMI等挑战，如电磁干扰（EMI）问题，为此环旭电子正与大学合作进行建模研究，希望找出实用的经验公式，以缩短设计时程。
为加快产品上市时间，环旭电子采取多项策略，包括优化内部设计流程、与供应商密切合作、主动与客户互动了解需求，并进行概念验证（PoC），将开发时程提前1至2年。在软件支持方面，环旭电子提供涵盖韧体、网络协定、API等各个层级的全面解决方案，至于MCU核心选择，他表示Cortex-M系列环旭电子均有使用，Cortex-M4则是其中主流。方永城最后表示，SiP技术虽有小体积等挑战需克服，但环旭电子对MCU与SiP的整合前景抱持乐观态度。未来将藉由持续创新和设计流程优化，加强与客户的合作，解决微小化、低功耗、EMI等技术难题，满足市场需求。
从此次论坛可看出，随着市场多元化应用需求浮现，MCU技术正快速演进中，边缘运算和AI已从概念逐步落实到实际产品中，MCU将在此过程中扮演关键角色。目前各大厂商已积极提升效能、降低功耗、强化安全性及整合AI功能。随着边缘AI市场的成熟，未来将有更多产品在设计初期就整合先进AI技术，为各领域业者带来智能、高效的解决方案。
