半导体

物联需求驱动,MCU展现新特征

作者:陈炳欣来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2017-08-03 09:22我要评论

MCU并不像人工智能芯片那样引人注目,也不像智能手机芯片那样广为人知,然而它作为一类成熟的芯片产品,凭借低功耗、低成本,以及广阔的通用性能,拥有其他芯片难以企及的应用范围,其重要性不容忽视。随着物联网的发展,MCU近年来展现出了许多新特征。企业应该如何应对这些新的发展趋势?物联网时代能否给中国MCU企业带来新机会?《中国电子报》邀请主流企业嘉宾,共话MCU行业热点。

采访嘉宾

意法半导体微控制器事业部市场总监Daniel Colonna

华虹宏力执行副总裁范恒

东芝系统LSI战略业务市场统括部、系统LSI战略业务市场部主管李龙军

Cypress全球产品与亚太市场资深经理林明

Silicon Labs微控制器产品高级营销经理Oivind Loe

微芯MPU产品部策略营销高级经理Patrick Heath

微芯32位单片机产品部营销总监Rich Hoefle

瑞萨电子(中国)中国通用解决方案中心高级专家王均峰

微芯8位单片机产品部产品营销经理Wayne Freeman

华大半导体MCU事业部总经理谢文录

瑞萨电子(中国)应用技术中心汽车电子部副部长赵坤

(以姓名首字母排序)

物联网、嵌入式人工智能 新兴领域被看好

记者:您认为2017年市场对MCU的需求状况有何变化?总规模增长,还是持平?在新兴市场方面,您看好哪些市场?

王均峰:2017年市场需求依然保持平稳增长,但是一些细分领域的增长却值得注意,比如智能家居、智能工业、智能基础设施,预计都可以达近10%%的增长速度。在智能家居方面,包括白电、小家电等,以前这些产品的功能相对单一,然而随着智能化的发展,它们被越来越多地连接起来,并与云端或者家庭网关相联系。在此过程中,既需要网络芯片也需要MCU进行智能控制。智能工业实现的基础也是网络,工业以太网与消费级网络相比,有着自身特殊的需求,如安全性、实时性等。随着工业设备被联网,其智能化也要登上一个台阶。智能基础设施是一个相对广泛的概念,光通信等是其中的重要部分。现在光通信网络带宽不断增加,从10G、40G增长到100G、1000G,分支网络节点也在不断增加。网络部署与扩容的过程都将用到MCU。

赵坤:车用MCU市场也在不断增长,首先汽车市场总量仍在增加,其次汽车智能化的趋势非常明显,每车采用MCU的数量不断增长。

谢文录:2017年市场对MCU的需求持续保持增长。物联网应用已经如同春雨润物一般悄悄来到了我们身边,不论是大红大紫的共享单车,还是默默增长的智能锁具和智能表计,各种新兴应用正在不断拓展MCU的应用场景。32位MCU的增长尤其亮眼。

MCU前三大应用,近几年以来基本没有什么大的变化。MCU最重要的应用领域是汽车电子,其次是工业控制领域,最后是消费领域和智能卡领域。目前智能卡类的应用由于指纹、手机支付等技术的快速发展,市场处于饱和状态。而消费类市场(包括家电),由于产品形式越来越稳定,同时由于物联网的概念还没有真正落地到大宗应用,因此短期看来出现“爆品”新应用的机会不大。相反,由于智能制造2025和工业4.0的概念的提出,“机器换人”的节奏在逐步加快。同时随着特斯拉Model 3热卖,我认为在未来最有可能爆发出来的大宗新型市场应该在电动汽车和工业控制领域,比如电机控制、电池管理等应用。

范恒:MCU的市场非常庞大,整体的市场规模保持5%%~10%%的年复合增长率。IHS预计直到2020年,32位MCU芯片需求量将保持20%%以上的增速。同时,8位、16位MCU也在持续增长。毫无疑问,汽车电子应用、工业控制、物联网(IoT)等领域是未来MCU市场持续增长的主要推动力。另外,近期发展火爆的人工智能领域,华虹宏力也看到了一些MCU的机会,对此我们会保持关注并进一步挖掘。

在这些新兴市场中,比较看好车联网。现在车辆越来越多,城市越来越拥挤,因此安全问题也愈发凸显。仅依靠传统的个人、交警和交通规则已经不足以解决此类问题。但通过车联网可以实现近距离雷达警报、自动规划路线及刹车,而自动驾驶甚至能有效地解决现在的交通问题。另外的一些汽车电子应用也使人们的生活更加便利,比如车载娱乐系统、360度无死角侦测、自动泊车等。

Daniel Colonna:整个MCU市场都在增长,并且是稳定增长的趋势,因为MCU 广泛应用于大众市场,细分领域极为众多,新应用新需求不断涌现。但是,我们相信MCU更大的成长来自于32位MCU。IoT市场对MCU尤其是32位MCU的需求、驱动远远超过市场的平均速度。

李龙军:由于国家节能政策的强化,促进了家电变频化需求快速增长,空调市场尤为突出。基于家电市场强劲的需求,2017年对MCU的需求仍然会持续增长。然而,在此夏季旺季天气也将成为决定今年Q4需求的重要因素。以空调为例,能否在旺季消耗掉线下渠道的大量整机库存,是终端厂商后续需求的决定因素。对于新兴市场,比较看好智能家居和厨电。随着城镇家电普及率的提高,以及大中城市换机需求增长,迅速推动了家电市场的产品升级。以空调为例,在大中城市每年换新比例高达70%%,这部分需求要求产品有更高的质量、性能及附加值。

Rich Hoefle:市场对Microchip32位MCU的需求势头一直很强劲。我们看到,对32位单片机的需求在2017年仍在继续增长。有许多发展中市场领域,下面列出了其中几个:一是简化人机接口的应用。智能电话图形与触摸技术使得人们对其他行业的产品提出了要求,希望它们能采用与智能电话相同的强大图形与用户界面。

记者:人工智能、VR/AR、自动驾驶是当前最热话题,在这些新兴领域,MCU有哪些应用空间?

谢文录:人工智能、VR/AR和自动驾驶等新兴领域的发展会给MCU带来新的应用机会。这些新兴应用由于上位系统对信息的处理能力不断提升,对下位传感器的布置种类与数量提出了越来越高的要求。作为衔接传感器与上位信息处理系统的MCU,它具有的高性价比的嵌入式信号链处理能力(ADC、DAC、PWM、比较器、运算放大器能)和连接性能力(UART、SPI、I2C、CAN、USB、Ethernet、RF等),更是人工智能、VR/AR和自动驾驶等新兴领域所亟需的连接模拟世界和数字世界的关键能力。因此,强调连接能力与信号链能力的MCU会在人工智能、VR/AR和自动驾驶的大发展中找到属于自己的发展机会。

王均峰:一般概念上,人工智能需要基于云端服务器以及高带宽网络进行大数据量的运算以及传输,但是这种计算方式是有局限性的。比如工业网络非常强调实时性,机器与机器之间的智能操作,往往在一个小系统里就能完成,只把关键数据上传到云端,其他很多数据都是放在底层进行处理的,对于带宽的占用也会缩小。因此,嵌入式人工智能将是人工智能的另一个重要发展方向。

瑞萨已经开始嵌入式人工智能产品的开发,预计相应解决方案在明年就有可能推出。嵌入式人工智能是一个很大的系统,其中不仅包含MCU,我们还会加入整合可编程控制单元的专用SoC。这颗芯片处理性能更强,它是把SoC和MPU的性能进行融合的一种处理单元,可担负智能工业应用的高速处理需求。

至于VR方面,MCU应用不多。因为VR设备大量需要基于场景的计算,计算量非常大,所以一般会采用MPU和处理能力更强的GPU。

赵坤:随着汽车电子化的发展,车联网的覆盖范围越来越大。通过架构信息平台,车联网能够将ITS、物流、客货运、危特车辆、汽修汽配、汽车租赁、企事业车辆管理、汽车制造商、4S店、车管、保险、紧急救援、移动互联网等信息平台整合在一起。正因为车联网应用范围不断扩大,安全攻击也就相应增多。信息安全成为重中之重。瑞萨电子推出“汽车功能安全和网络安全支持计划”,通过该计划来简化精密的汽车系统的设计复杂性,为实现安全的驾驶体验做出贡献。该计划可支持多款RH850系列MCU产品并计划扩展至R-Car系列SoC产品。该计划旨在减轻一级供应商的负担,通过集成了经ISO26262认证的瑞萨汽车半导体产品、软件、分析工具、工作产品、指导、咨询服务等一整套集成解决方案,可大大简化功能安全特性的实施。采用瑞萨电子的MCU可以在车联网的每一个节点上都进行加密,即使黑客攻破其中一个节点,其他节点还可以起到防护作用。此外,MCU内置高等级的密钥系统,如黑客采用穷举法,理论上攻破一个节点需要10年的时间。

Patrick Heath:人工智能、VR/AR和自动驾驶这些类型的应用对代码长短有要求并且需要较快速的处理能力,因此很可能需要双核或四核MPU来运行Linux。

MCU与MPU互融 新技术趋势明显

记者:低功耗是MCU开发的一个发展方向。公司在低功耗MCU产品开发上有哪些新的进展?

Daniel Colonna:如今越来越多的电子设备是电池供电,如消费电子应用、传统的马达控制、无人机的马达控制以及GPS定位设备等。供应链的不断改进、能效的提升都能帮助客户提升用户体验。这是非常关键的。

王均峰:为了让MCU的耗电量达到最低,方式一般有三种:一是降低工作模式的功秏。MCU的工作状态是最耗电的,降低工作模式时的功秏最先被考虑,我们一般可以通过控制系统频率或运行电压来节省功耗,当然前提是不能影响产品的效能。二是减少休眠模式的功秏。我们可以通过压低休眠时的最低功秏,或者提供不同等级的待机模式来降低休眠模式下的功秏。三是缩短唤醒时间,将MCU从待机状态快速转到工作状态。瑞萨通过专有的寄存器,以及外设技术、芯片唤醒技术,软件与硬件的结合,可以使MCU被快速唤醒。另外,制造工艺也是影响MCU功耗的重要一环。瑞萨也正在开发超低功耗的工艺。

谢文录:我们公司今年在原有国内首个量产的16位超低功耗MCU HC16L产品系列的基础上,新推出了全新的基于RISC内核的32位超低功耗MCU HC32L产品系列,大大拓展了我们公司的超低功耗MCU产品线,使得产品的适用面更广,尤其是能满足许多新兴高端应用对超低功耗MCU的强烈需求。

目前我们公司在超低功耗设计上已经攻克了多级片上稳压电源、分区多域多级电源管理、纳安级实时时钟、纳安级休眠定时器、纳安级低功耗计数器、纳安级低功耗高精度内置时钟源等多项关键核心技术,产品的超低功耗性能已经跻身国际同行业的先进行列。

我们公司的HC32L系列MCU的待机功耗已经达到0.43微安的国际先进水平。在传感器类典型应用的超低功耗运行模式下,电流消耗仅为国外对标产品的40%%~60%%,达到惊人的0.89微安的国际领先水平。在仪表类典型应用的32kHz低功耗运行模式下,电流消耗也仅为国外对标产品的20%%~60%%,达到同样惊人的5微安的国际领先水平。

范恒:低功耗方面,华虹宏力在0.11um节点特意开发了一个超低功耗的平台,设计多种低功耗标准单元库来降低各种模式下的功耗,目前受到很多客户的青睐。其静态功耗只有0.2pA,标准操作电压可以下降到1.2V。在IP面积方面,由于我们不断缩小cell的面积,优化IP的外围电路,所以Flash IP面积可以和目前12英寸嵌入式非挥发性存储器工艺相比拟。

林明:PSoC 6采用了先进的40纳米超低功耗工艺和优化的MCU架构平台,使这个产品系列在同类竞争中处于绝对领先优势。

Wayne Freeman:对于Microchip目前及今后的MCU产品来说,低功耗是始终不变的重要设计目标之一。Microchip的MCU不仅具备一流的静态功耗及工作功耗,并且其片内外设可在无需CPU持续干预的情况下正常工作,能直接与其他外设通信,以形成灵活的反馈回路。这些具有可配置硬件智能的“独立于内核”的模块,所需的代码极少或根本无需代码,并且功耗也极低。

Oivind Loe:为了降低MCU产品的能耗,Silicon Labs一直关注多个重要领域。最明显的领域是在执行代码、无线传输或接受数据包时的能耗。这些时候的电流应该尽可能地低,这将给大多数时间都处于工作模式的应用带来好处。然而许多应用都使用非常小的电池,所以在这些场景中,让MCU尽可能多地处于睡眠模式是很重要的。睡眠时的电流非常重要,但对于MCU更重要的是,在其处于睡眠模式时还能执行工作的功能。

记者:MCU与MPU的应用是否会相互延伸渗透?

谢文录:MCU与MPU确实存在相互延伸渗透的可能性。其时只要回顾一下嵌入式处理器的发展历史,就会发现这种相互渗透是一直就存在的,并非今天才出现的新鲜事。

如今的32位MCU动辄主频可以达到100MHz以上,而这可是上世纪90年代早期个人电脑的处理能力。高端MCU由于有BOM整体成本方面天然的性价比优势,其实一直在向低端MPU的应用进行渗透。另一方面,MPU产品作为一个产品门类,通过自身整体性能的不断提升,始终占据着属于自己的高端嵌入式应用。在对处理性能有较高新增要求的某些应用领域甚至会出现MPU反向渗透MCU应用的场景。虽然MCU与MPU的应用相互渗透的现象会长期存在下去,但是MCU将始终突出其缩写中“C”所代表的控制能力及其所体现出的对连接、传感、模拟等周边器件的整合能力;而MPU将始终突出其缩写中“P”所代表的处理能力,其产品主频将向着1GHz以上发展,产品计算能力将超过1000DMIPS并向着5000DMIPS以上发展。MCU与MPU也还是会保持各自的发展轨迹与竞争力,满足属于各自的特定应用需求,并将长期共存下去。

林明:高端MCU和低端MPU的应用有融合的趋势。但是关键点在于软件和操作系统的支持以及开发生态系统的兼容性。另外存储器的选择也很重要。

Patrick Heath:这是由应用决定的。一旦应用的程序和数据尺寸超过2MB(目前Microchip 32位单片机所能提供的最大片内闪存),或者MCU的处理速度(目前我们的最快速度是120MHz)太慢,不足以达到应用理想的响应时间时,基于MPU的解决方案就是最佳方案。请注意,MPU解决方案的BOM成本并不一定比基于MCU的方案高,尤其对于大闪存MCU器件更是如此。半导体行业的一个大趋势是软件开发已经成为设计周期中时间、人力和资金成本的最大部分。

王均峰:MCU作为一个产品类型一定会长期存在,它的低功耗与性价比,是其他芯片类型所不能替代的。比如在物联网的底层节点部分都离不开MCU,因为节点对功耗的要求更敏感。MPU的性能更强,但是功耗与价格都更高,所以将各司其职。

Oivind Loe:市场上已经存在将MCU和MPU的功能结合到单个芯片上的产品。MPU以及这些集成化的产品所面临的挑战是:为了有效地发挥作用,它们通常需要外部DRAM和外部闪存。这种做法增加了系统成本和复杂度,并且可导致终端应用拥有非常高的功耗。

产业格局变化 中国企业存机遇

记者:你认为中国MCU市场需求有何特点?如何适应中国市场的需求?

王均峰:以前中国市场给人的印象,一是变化速度快,二是产品价格便宜。但是近年来这两个特点有了一些新的变化。随着物联网的发展,中国市场对于新兴技术的应用是很超前的。这就需要国际公司更加注重与本土企业进行更加紧密的合作,及时推出创新型的产品。

范恒:中国的MCU市场庞大,占全球MCU市场的50%%以上。虽然国内的IC设计公司近年来发展快速,并逐渐缩小着与国际先进水平的差距,但全球排名前十的MCU设计公司中还没有中国设计公司的身影。为了改变这一现状,更好地促进国内MCU的发展,更好地服务于我们的设计公司,华虹宏力开发了一系列的工艺平台:从简单控制应用的95nm低成本高效能CE平台,到0.11um低功耗(LP)、90nm超低漏电(ULL)平台,搭配不同功能的存储器,比如OTP、MTP、Flash、EEPROM,以满足客户不同市场应用的MCU的产品需求。我们在工艺上精益求精,实现了业界最少的光罩层数,提供给客户具有竞争力的领先解决方案。

为响应IoT、云计算、大数据、智慧城市及虚拟现实(VR)等新兴应用不断增长的市场需求,华虹宏力持续在MCU平台上进行创新,目前上述两个平台均已实现了RF和MCU集成在一颗芯片上,极大增加了可用MCU解决方案的数量,而且不需要额外的光罩。随着集成电路的高速发展,顺应《中国制造2025》和工业4.0的规划,终端产品的功能将越发广泛。为满足要求Flash的速度、面积优势以及EEPROM的高性能需求,华虹宏力现可以提供Flash + EEPROM的单IP解决方案,同时也不需要额外的光罩。在保持高性能的前提下也同时兼具高可靠性——长达100年的数据保存时间和高达10万次的擦写次数,可以帮助客户发展高规格的MCU产品,满足多元化的市场应用。

林明:功能和性能需求多样性、全面的技术和方案支持、快速和灵活的供应链支持。国际MCU厂商应该高度依赖本地团队,做到产品、技术、支持全面本地化,以适应中国市场的需求。

李龙军:中国市场已成为全球最大的MCU市场,对MCU供应商各方面的要求也是非常严苛的。技术方面MCU供应商需要开发整套的方案,并在终端厂研发阶段提供全方位的技术支持。成本方面,由于近年来中国市场的急速成长,整体规模持续快速增长,相比欧美、日韩市场价格竞争尤为激烈。为了适应中国市场的需求,MCU厂商需要针对细分市场开发低成本MCU,并提供整体解决方案。

Oivind Loe:在快速发展的中国嵌入式市场中,系统成本通常是一个关键考量因素。为了满足中国市场的需求,Silicon Labs提供了带有不同的硬件集成度和连接功能的MCU和无线MCU,以提升整体的系统集成度,并帮助开发人员降低系统成本。Silicon Labs也为嵌入式产品开发人员提供一种灵活易用的开发环境,以便他们能够及时定制任何设计。

谢文录:中国MCU市场需求的首要特点就是价格敏感,这可以直观地反映在各大MCU厂家在中国所执行的价格政策上。其次,中国MCU市场中面向本土市场应用的产品比例正在随着中国消费市场的不断壮大而日益增长。体现在产品规格上,过去都是照搬国外已有技术方案的产品规格,而现在越来越多的国内MCU客户开始具备自己提出系统方案以及产品规格需求的能力。这要求各MCU厂家的产品定义必须贴近国内市场与客户。虽然由于国内外技术发展成熟度的不同,国内客户对技术问题的理解与把握未必总能切中要害,但是否认真倾听国内客户的需求,必定会直接关系到各MCU厂家在中国市场的竞争力发展。


责任编辑:陈炳欣
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