MCU 被譽(yù)為現(xiàn)代電子設(shè)備的 “神經(jīng)中樞”，是嵌入式電子系統(tǒng)中控制各種功能的核心器件。當(dāng)前，邊緣 AI、具身智能、新能源汽車(chē)、制造業(yè)數(shù)智轉(zhuǎn)型等新業(yè)態(tài)，正在為 MCU 開(kāi)辟更多增量市場(chǎng)，并倒逼 MCU 技術(shù)升級(jí)。MCU 廠商通過(guò)架構(gòu)創(chuàng)新、工藝迭代、工具鏈等一系列創(chuàng)新舉措，推動(dòng) MCU 的功能擴(kuò)容和性能躍遷，滿(mǎn)足下游應(yīng)用對(duì)定制化設(shè)計(jì)與貼身化方案的需求。在市場(chǎng)需求與技術(shù)創(chuàng)新的碰撞下，MCU 五大趨勢(shì)脫穎而出。
打破 eFlash 限制 邁向 22nm 及以下制程
MCU 制程已經(jīng)突破 40nm，正在向 22nm、18nm 乃至 16nm 下探。今年 3 月，恩智浦發(fā)布 S32K5 系列汽車(chē) MCU，為業(yè)界首款帶有嵌入式 MRAM (磁隨機(jī)存儲(chǔ)器) 的 16nm FinFET MCU。據(jù)悉，該系列 MCU 采用臺(tái)積電的 16nmFinFET 嵌入式 MRAM 技術(shù)，具有 100 萬(wàn)個(gè)更新周期的耐久性，支持回流焊，在 150℃條件下數(shù)據(jù)可保留 20 年。意法半導(dǎo)體推出了基于 18nm 全耗盡型絕緣體上硅 (FD-SOI) 工藝并集成 ePCM (相變存儲(chǔ)器) 的制程技術(shù)，首款基于該技術(shù)的 STM32 MCU 計(jì)劃 2025 年下半年投入量產(chǎn)。相比當(dāng)前采用的 40nm 嵌入式 eNVM (非易失性存儲(chǔ)器) 技術(shù)，18nm FD-SOI 與 ePCM 的組合將帶來(lái) 50% 以上的能效比提升，2.5 倍的非易失性存儲(chǔ)器密度提升。據(jù)悉，該技術(shù)由意法半導(dǎo)體與三星代工聯(lián)合開(kāi)發(fā)。
不難看出，MCU 廠商采用更先進(jìn)制程的同時(shí)，也同步嵌入新型存儲(chǔ)。此前，MCU 常用的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 eFlash，但傳統(tǒng)的 eFlash 方案在 28nm 以下工藝節(jié)點(diǎn)面臨成本和可靠性挑戰(zhàn)，也限制了 MCU 的制程微縮。在此趨勢(shì)下，MRAM、RRAM 等新型存儲(chǔ)器被視為 28nm 及以下工藝節(jié)點(diǎn)中嵌入式存儲(chǔ)的主要解決方案。恩智浦方面表示，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器更新 20MB 的代碼需要約 1 分鐘時(shí)間，而 MRAM 只需 3 秒左右，縮短了軟件更新帶來(lái)的停機(jī)時(shí)間。此外，MRAM 提供 100 萬(wàn)個(gè)更新周期，耐久性遠(yuǎn)超閃存。瑞薩電子于今年 7 月推出的 22nm RA8P1 MCU，也集成了嵌入式 MRAM。瑞薩方面表示，與閃存相比，MRAM 具備更快的寫(xiě)入速度、更高的耐久性和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)保持能力。
具身智能與人形機(jī)器人成為新藍(lán)海
具身智能被視為 AI 的下一個(gè)浪潮，人形機(jī)器人是具身智能的最佳載體。前者對(duì) MCU 提出了新的設(shè)計(jì)要求，后者則拓寬了 MCU 的市場(chǎng)容量。從數(shù)量來(lái)看，僅全身關(guān)節(jié)控制這一類(lèi)任務(wù)，就可能用到 30 個(gè)以上的 MCU。兆易創(chuàng)新 MCU 事業(yè)部產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)李懿在 NEPCON China 的演講中表示，一個(gè)機(jī)器人有 20 個(gè)左右的自由度和關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都有特定的負(fù)載要求。在完成一個(gè)動(dòng)作時(shí)，各關(guān)節(jié)之間需要精準(zhǔn)協(xié)調(diào)。兆易創(chuàng)新采用 Arm Cortex-M33 內(nèi)核的 GD32G553 系列 MCU 適合控制大的關(guān)節(jié)，采用 Arm Cortex-M7 內(nèi)核的 GD32H7 系列 MCU 更加合適需要精密運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)算法實(shí)時(shí)性要求更高的精細(xì)關(guān)節(jié)�！坝械目蛻�(hù)一個(gè)機(jī)器人整體算下來(lái)會(huì)用到 20 多個(gè) M7 內(nèi)核的 MCU，再加上十多個(gè) M33 內(nèi)核的 MCU 去做不同的關(guān)節(jié)任務(wù)，這些關(guān)節(jié)之間通過(guò)內(nèi)置的總線(xiàn)進(jìn)行通信，以保障每個(gè)關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)同步和數(shù)據(jù)同步�！� 李懿表示。
而具身智能這一技術(shù)范式，將人工智能融入機(jī)器人等物理實(shí)體，賦予其像人一樣感知、學(xué)習(xí)及與環(huán)境動(dòng)態(tài)交互能力，也對(duì) MCU 提出了多項(xiàng)需求。一是更高集成度，將算力、存儲(chǔ)、ESC (EtherCAT 從站控制器)、PHY (外部信號(hào)接口芯片) 等集成到更緊湊的封裝中;二是更高的實(shí)時(shí)性與通信數(shù)據(jù)帶寬，且能夠與傳感、AI 推理、伺服、執(zhí)行器等單元實(shí)現(xiàn)低延遲通信，比如通過(guò) I3C 串行通信協(xié)議與更多傳感器進(jìn)行高速、低功耗的通信;三是構(gòu)建從配置可信的啟動(dòng)、執(zhí)行到加密存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)安全機(jī)制。
MCU+AI 趨勢(shì)深化
AI 向邊側(cè)、端側(cè)下沉的趨勢(shì)，使邊緣 AI 成為 MCU 廠商的必爭(zhēng)之地。為增強(qiáng) MCU 的 AI 計(jì)算能力，越來(lái)越多的廠商在 MCU 集成 NPU 等 AI 加速器，以提升 AI 推斷與訓(xùn)練任務(wù)的執(zhí)行速度。意法半導(dǎo)體認(rèn)為，將 NPU 引入 MCU 將觸發(fā)邊緣 AI 應(yīng)用新場(chǎng)景的 “aha moment”。其 STM32N6 搭載了意法半導(dǎo)體自研 NPU，運(yùn)算吞吐量達(dá) 600 GOPS (每秒 6000 億次操作)，比不具備 NPU 的 STM32H7 高出 600 倍。相比在 STM32N6 的 Cortex-M55 內(nèi)核運(yùn)行圖像分類(lèi)、對(duì)象檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在 STM32N6 的 NPU 運(yùn)行這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，推理性能提升了 26 倍到 134 倍。
隨著 AI 用例復(fù)雜性提升，多模態(tài)場(chǎng)景更加廣泛。MCU 需持續(xù)提升系統(tǒng)集成能力，配置豐富的硬件接口，以滿(mǎn)足高實(shí)時(shí)性場(chǎng)景下的多模態(tài)處理需求。比如 XMOS 推出了集成 AI 加速器、高性能 DSP、控制 MCU 和靈活 I/O 的邊緣多核控制器，支持音頻、圖像、視覺(jué)和其他多種傳感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、持續(xù)工作的 AI 應(yīng)用。該控制器也可以作為大模型、云和網(wǎng)絡(luò)的接口，提供傳感器信息預(yù)處理，用于人臉檢測(cè)、特征提取、身份驗(yàn)證、圖像分類(lèi)、離線(xiàn)本地自主運(yùn)行、智能傳感器接口。由于邊側(cè)、端側(cè)設(shè)備往往靠電源供電，還需要 MCU 優(yōu)化能效比，在完成 AI 負(fù)載的同時(shí)保證設(shè)備的續(xù)航能力。此外，MCU+AI 運(yùn)行人臉檢測(cè)、語(yǔ)音交互等功能時(shí)，會(huì)涉及用戶(hù)的個(gè)人數(shù)據(jù)，需要 MCU 的安全標(biāo)準(zhǔn)從 “功能安全” 向 “AI 可信計(jì)算” 升級(jí)。
積極擁抱 RISC-V
為更好地滿(mǎn)足下游應(yīng)用的定制化需求，MCU 正在積極擁抱 RISC-V 開(kāi)源架構(gòu)，在汽車(chē)、智能終端、行業(yè)領(lǐng)域多點(diǎn)開(kāi)花。在汽車(chē)領(lǐng)域，基于 RISC-V 架構(gòu)設(shè)計(jì)的車(chē)規(guī)級(jí) MCU 將在今、明兩年加速上車(chē)。今年 4 月，東風(fēng)汽車(chē)研發(fā)總院宣布，其完全國(guó)產(chǎn)化的車(chē)規(guī)級(jí)高性能 MCU 芯片 DF30 已完成第一次流片驗(yàn)證，計(jì)劃明年量產(chǎn)上市。據(jù)悉，DF30 芯片基于 RISC-V 多核架構(gòu)，采用國(guó)內(nèi) 40nm 車(chē)規(guī)工藝，功能安全等級(jí)達(dá)到 ASIL-D。近日，南京紫荊半導(dǎo)體宣布其高性能車(chē)規(guī)級(jí) MCU M100 的量產(chǎn)版本順利回片，預(yù)計(jì) 2025 年第三季度進(jìn)入量產(chǎn)階段，將率先應(yīng)用于長(zhǎng)城汽車(chē)藍(lán)山、高山、坦克 300、坦克 400、坦克 500 等車(chē)型。據(jù)悉，紫荊 M100 基于開(kāi)源 RISC-V 內(nèi)核構(gòu)建，采用模塊化設(shè)計(jì)、內(nèi)核可重構(gòu)，4 級(jí)流水線(xiàn)使其具備更快的處理速度和更少的耗時(shí)，滿(mǎn)足 ASIL-B 等級(jí)要求。
在終端領(lǐng)域，海思面向白電的智能化需求，在今年 3 月上新 Hi3066M。該 MCU 使用海思自有 RISC-V 內(nèi)核，內(nèi)置 eAI 引擎，支持 200MHz 主頻，可應(yīng)用于空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)的端側(cè) AI 等創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景，如支持空調(diào) AI 節(jié)能，洗衣機(jī) AI 稱(chēng)重和偏心檢測(cè)以及冰箱 AI 降噪和節(jié)能。此外，上海海思正在推動(dòng) RISC-V 與 OpenHarmony 深度適配，累計(jì)向開(kāi)源社區(qū)貢獻(xiàn)代碼數(shù)百萬(wàn)行。海思技術(shù)有限公司 RISC-V 首席專(zhuān)家張濤在今年 5 月的演講中表示，RISC-V 打造核芯底座，支撐技術(shù)創(chuàng)新，OpenHarmony 提供統(tǒng)一底座，支撐產(chǎn)業(yè)生態(tài)。二者深度融合，為開(kāi)發(fā)者提供了統(tǒng)一、豐富、高效的軟件平臺(tái)，能夠有效降低開(kāi)發(fā)成本，提升開(kāi)發(fā)效率，從而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的繁榮發(fā)展。
聚焦特定應(yīng)用 提供貼身化方案
如今，消費(fèi)、汽車(chē)、工業(yè)等不同領(lǐng)域的智能化變革，正不斷拓寬 MCU 的應(yīng)用邊界。不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求千差萬(wàn)別，促使 MCU 廠商深入理解特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求，提供貼身化的產(chǎn)品方案。在汽車(chē)領(lǐng)域，新能源汽車(chē)的 “三電” 系統(tǒng) (電池、電機(jī)、電控) 對(duì) MCU 的算力、可靠性、安全性都提出了嚴(yán)苛要求。以電池管理系統(tǒng) (BMS) 為例，需要 MCU 精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)電池電壓、電流、溫度等參數(shù)，對(duì)電池的充放電過(guò)程進(jìn)行精細(xì)控制，以保障電池的性能、壽命與安全性。英飛凌的 AURIX TC4x 系列 MCU 專(zhuān)為汽車(chē)動(dòng)力總成、底盤(pán)和安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)，支持功能安全 ASIL D 系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對(duì)可靠性和安全性的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。
在工業(yè)領(lǐng)域，工廠自動(dòng)化、過(guò)程控制、機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)景需要 MCU 具備高實(shí)時(shí)性、高可靠性以及豐富的通信接口。例如，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，MCU 需要實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。瑞薩電子的 RZ/T2M 微控制器專(zhuān)為工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，集成了雙核 Arm Cortex-R5F 內(nèi)核，具備卓越的實(shí)時(shí)性能和通信能力，可滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化對(duì)高速、可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨�。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，隨著智能家居、可穿戴設(shè)備的普及，MCU 需要在低功耗、小型化、成本控制方面表現(xiàn)出色。例如，在智能手表中，MCU 不僅要驅(qū)動(dòng)顯示屏、處理傳感器數(shù)據(jù)，還要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信等功能，同時(shí)要保證設(shè)備的續(xù)航能力。恩智浦的 i.MX RT1010 crossover MCU 采用低功耗設(shè)計(jì)，集成了豐富的外設(shè)，能夠滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備對(duì)高性能、低功耗的需求。
總體來(lái)看，MCU 正站在變革的十字路口。隨著技術(shù)的演進(jìn)和市場(chǎng)需求的多元化，這五大趨勢(shì)將持續(xù)重塑 MCU 的產(chǎn)業(yè)格局。從制程工藝的突破到新興應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，從 AI 融合帶來(lái)的功能升級(jí)到 RISC-V 架構(gòu)的創(chuàng)新，以及針對(duì)特定應(yīng)用的深度定制，MCU 廠商唯有緊跟趨勢(shì)，不斷創(chuàng)新，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)，推動(dòng) MCU 在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力產(chǎn)業(yè)的智能化升級(jí)。 |
