往高位元架构迈进：32位元MCU应用蓄势待发

MCU的出货量、销售金额、平均单价的全球市场预测。IC Insights；2015/2

因应各种微型控制的市场应用，厂商推出各式各样的微控制器(MCU)，以满足各领域的需求。随着物联网、穿戴式装置与车用电子的兴起，各MCU厂商纷纷朝向高位元架构迈进，并保持低功耗、执行效率高，并具备弹性的硬件架构等诉求，来吸引客户的眼光…

「微」控制器  地位不低微

微控制器(Microcontroller；或Micro Controller Unit；MCU)，整合了运算单元(CPU)、存储器单元(RAM与ROM/EEPROM/Flash)、时脉产生器(Oscillator；Clock Generator)、与扩充相关(Expansion、I/O、ADC电路)等功能，因此MCU内部跟一般的小型电脑相当，搭配软件即可独立运作，适合各种嵌入式应用。

如今，MCU以功能简便、超低功耗、成本低廉等特性，广泛应用于移动通讯、嵌入式装置、家电、事务机、遥控器、场域监控、工业控制、无线感应网络等领域，电机、电子、电器产品若少了MCU，生活将会变得很不方便。

随着智能联网的应用，以及物联网、工业4.0、穿戴式、车用电子的兴起，将需要有更多的运算能力，因此MCU必须具备低功耗、高效能，同时以弹性的硬件架构，来满足市场需求。因此，厂商在新一代的MCU，纷纷以高位元来设计，从早期8位元的架构，推升到16、24位元，到近期以32位元为主流。

一般(General-purpose)功能的MCU产品，大致分成8位元入门级产品，主要应用在简单控制需求的家电控制、遥控器、监控产品、消费性电子(如手表？电子表、计算机、闹钟、玩具)等市场。

而16、24位元的进阶产品，则大多应用在较为复杂的控制与影音运算需求，例如事务机、数码镜头、马达控制、车用电子、医疗电子、各式传感器等等；至于32位元的高端产品，则其功能已与AP(应用处理器，Application Processor)相当，但MCU具备低功耗的特性，因此主打智能手机的传感运算、健康量测、穿戴式电子产品等领域。

拜IoT兴起  MCU市场逐年上扬

据IC Insights的市场研究报告中指出，2015年全球MCU市场产值将达168亿美元(比2014年增长5.6%)，出货量达209亿颗(比2014年提升12.4%)，而平均每颗售价则是0.81美元。而未来到2019年，MCU的销售量仍维持逐年递增(年复合成长率CAGR约为6%)、ASP逐年递减的趋势，但对整体MCU市场规模来说仍是上扬的。

近年来，由于环保议题的发酵，电动车出货量的增长，连带使得车载电子以及其他通讯应用的需求提升，带领IC出货量跟着水涨船高。IC Insights的报告也提到，2015年将有11款IC种类将持续市场成长的趋势，尤其是车载相关的IC，包含车载特殊目的逻辑IC与车载应用目的相关的模拟IC。

其中又因为「智能车」大多使用到32位元MCU，像是驾驶信息系统、油门控制系统、半自动驾驶(如自动泊车、先进巡航控制、防撞系统)等部分，就必须仰赖32位元的MCU来设计与应用。因此在未来的几年内，32位元MCU将预期能在车载应用中达到25%的市场占比。相较于4、8、16位元的MCU，其出货量则是呈现下滑的趋势。

此外，由智能手机开启各行各业的智能应用正方兴未艾，像是医疗电子用品(如智能血糖机、心率贴纸等)、个人健康监测产品(如智能手环、智能手表、智能衣、心率带等等)，加上其他各式各样物联网应用产品，逐渐在市场上成为显学之后，这些需要低功耗、长时间使用、无线通讯的产品，也必须倚赖MCU的特性来实作，因此选用32位元MCU来设计，将有助于提升产品的电池续航力，也兼具产品的弹性扩充能力，将加速32位元MCU出货量超越传统低位元MCU。业界也预期32位元的MCU在2015年将超越以前4或8位元MCU的出货量。

32位元MCU成主流  出货量逐年提升

在MCU的架构设计上，早期MCU大多是8位元为主(例如Intel 8051系列、Atmel AT8/TS8系列、Silicon Labs EFM8系列等等)，且整合开发环境(IDE)也是以8位元为主(例如MCU 8051 IDE)，直到近期MCU的应用多元化以及任务复杂化，MCU开始迈向16或32位元来设计，而相关的软件开发环境也提升到32位元，甚至做到可以向下兼容，让开发环境不受限于某些厂牌的硬件，以提供更具弹性的开发空间，并推升整个产业往更高位元的环境，来设计出Time-to-Market的产品。

由于MCU在各行各业的应用已非常广泛，近年来因应车用电子、物联网、可携式电子与穿戴式装置的推波助澜之下，加上MCU的应用范围开始往高端市场发展，许多MCU厂商推出各式高端、高位元的MCU，并搭配对应的开发工具来抢市，促使MCU市场规模逐年增大。而高位元MCU产品出货量提升，将致使其与低位元MCU的价差缩小，让未来低位元MCU应用将越来越少。

此外，由于8位元与32位元的开发环境不同，再加上许多智能家庭与App应用，都必须具备可扩充性的设计，虽说使用8位元来设计可能比较节省成本，但若考量未来的扩充与维护成本之下，可能不符合未来期望。

也许改用32位元来设计，可能更具成本竞争力。因此，开发人员近年来便开始在单一平台下，使用同一套软件来开发产品，以减少软件开发成本，让其各阶产品都使用相同平台来开发，以增加产品规划上的弹性。

电脑周边暨智能家电  迈向32-bit新纪元

许多家电产品，大多使用8位元MCU来设计，例如马达控制、面板控制等等。但8位元MCU的功能有限，无法担任复杂的运算需求，在新一代具备变频、直驱、使用永磁式同步马达的白色家电之下，为了达到精准的三相马达控制需求，其演算法就非常重要，例如磁场导向控制(Field Oriented Control；FOC)演算法。而为了提升更好的电磁保护(如过压、过电保护、霍尔效应传感等)，更是需要32位元的MCU才能做得到。

至于电脑周边方面，以NAND Flash Memory (快闪存储器)为例，早期的记忆卡、USBU盘，甚至IDE的SSD，还采用8位元(或16位元)的MCU来设计其控制器。

近年来由于Flash制程演进，在容量倍增之下，NAND Flash IC从主流的MLC开始朝向TLC来设计，由于IC颗粒的良率越做越低，使用寿命也越来越短，NAND Flash Controller为了提升数据存取的精确度，其错误检查与修正码(ECC码)的位元数也必须跟着提升，再加上Flash的电气特性，数据写入时必须有一连串的演算法，来使其写入数据最佳化，减少其写入放大比(Write Amplification Index；WAI)，以增加快闪存储器的寿命，再加上移动设备必须高效能、低功耗，使得Flash Controller IC纷纷采用32位元处理器或MCU来设计，才能符合市场的需求。

如今MCU厂商都有推出自己的32位元的MCU产品。以核心架构来分，大致可以分成Atmel AVR32/AT91SAM、Freescale ColdFire、Imagination MIPS32、Infineon TriCore、Microchip PIC32、Renesas RX/V850、TI C2000等等，而各MCU都有自己所搭配的IDE，利用这些MCU来开发的软件，基本上只适合其MCU家族的产品使用。

至于ARM公司挟其在智能手机与穿戴式装置的优势，推出Cortex-M架构，可说是32位元MCU的主流核心(例如Cortex-M0/M0+/M1/M3/M4/M4F)，由于ARM的MCU具有单一指令架构的特性，搭配其开放式IDE开发环境，让组译出来的程序码能上下兼容。

再加上当今穿戴式装置的各式感应器部分，大多是直接使用ARM的核心与函式库来设计，因此ARM在MCU的智能应用市场上占有许多优势。

业界大多将ARM架构的MCU另归为一类MCU，虽说各厂商采用ARM的指令集，但为将产品差异化，各厂商皆以不同的内部配置方式、运作时脉、存储器大小、扩充性并搭配特殊的功能，来满足各种市场需求。

推出厂商有Atmel SAM、Cypress PSoC 4/5LP、Freescale(已并入NXP) Kinetis、Infineon XMC、NXP LPC系列、Silicon Labs EFM32、Spansion(已并入Cypress) FMxST、STM32、TI MSP432P4x/F28M3x/TM4C、Toshiba TMPM等等。