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邊緣運算勢在必行 微控制器成要角

2019/09/12 - DIGITIMES企劃

在物聯網(IoT)及智慧化趨勢演進下,人工智慧(AI)功能從雲端往終端設備邁進,為因應數量龐大的資料與即時處理需求,並分擔傳統雲端運算的負荷,使得邊緣運算順勢而起,而且勢在必行。另外,著眼於即將到來的5G聯網應用,包含虛擬實境(VR)、AI等將會帶來更大的運算量,進而產生更多不同的運算需求。整體而言,物聯網的應用相當廣泛,對於功耗、效能以及安全性等要求各有不同,促使微控制器(MCU)產品越來越多元。未來若想讓AI應用在生活各層面,微控制器將被賦予更重要的角色。

微控制器是一種無所不在的嵌入式控制晶片,一般分為8位元、16位元和32位元的處理器,負責智慧管理控制、網路連結、無線傳輸、人機介面互動系統等工作。簡單地說,微控制器就好比是一台迷你電腦,用來控制運算量相對於微處理器(CPU)為少的嵌入式系統,像是電熱水瓶、馬達控制等,在生活中不難見到微控制器的蹤跡。

邊緣運算興起,微控制器獲看重

過去,人工智慧運用於生活層面時,常因網路頻寬有限、缺乏網路覆蓋、通訊延遲、資料隱私及安全性等問題,面臨極大挑戰。隨著現今進入智慧物聯時代,處於裝置終端的邊緣運算模式,隨著人工智慧應用開始普及,需求逐漸上揚。這也代表著一般的CPU或機器學習晶片,甚至於微控制器都需要更高的處理效能。其中微控制器必須提供低功耗、無線連接與支援人機介面等功能,因而所扮演的角色將益趨吃重。

配合著智慧裝置、物聯網等產業快速發展腳步,無線射頻(RF)、感測器、電源管理等搭配微控制器成為新趨勢。微控制器的優點在於體積小、價格便宜、省電,但如今作為物聯網邊緣裝置核心的微控制器,效能也不能太差,但也必須兼顧原有低功耗的優勢,所以微控制器業者在基於ARM Cortex-M核心架構下,以自身的技術能力,推出低功耗與高效能兼具的微控制器,以滿足物聯網市場對裝置的需求。

智慧應用多元,帶動微控制器需求

在智慧生活的應用中,關於家庭生活裝置的控制、能源、感測器、安全監控影像辨識、語音控制等管理功能都仰賴微控制器,於是相關介面都整合在微控制器中,帶動微控制器設計架構的改變。

以上趨勢也同樣發生在車聯網。汽車具備連網功能的目的是為了提高行車安全,隨著汽車系統的要求益趨提升,提升處理能力、節能、低耗、大儲存容量等需求,在在推動著微控制器廠商開發新的車用微控制器架構。

此外,智慧工廠、機器人和自駕車為微控制器帶來更大的商機。以智慧工廠為例,產線自動化需要更為安全的管理能力、強大的資料分析與整理能力,這些應用背後都需要透過微控制器達成。簡言之,只要看得到馬達、感測器、連線模組等都會使用到微控制器。

綜觀而言,受惠於嵌入式系統的廣泛應用、感測器增加以及物聯網終端應用的熱潮,未來幾年微控制器的營收和出貨量可望將持續大幅成長。根據研究機構IC Insight預估,微控制器在2022年將達到約239億美元,單位出貨量達到約438億個,年複合成長率則是11.1%。另依市調機構IHS則預估,針對車聯網、可穿戴式裝置、智慧建築、智慧家庭等物聯網相關應用的微控制器產業,在2019年將達到28億美元的市場規模,估計年複合成長率約略落在10%到15%之間。

因應多元應用,微控制器須高度整合

低成本、低功耗、高穩定性、高整合度的微控制器產品是未來的發展方向。高度整合的微控制器不僅可以方便客戶開發產品,並且可減少印刷電路板(PCB)的佔用空間,進而能夠降低成本,具有市場潛力。

全球主流MCU的產品大都是基於ARM或8051架構,凸顯MCU產品更強調通用性。惟在市場上的產品趨於同質化的環境下,各家MCU廠商無不專注於應用領域,以取得差異化競爭優勢。

瑞薩電子(Renesas)宣布推出四款新型RX651 32位元微控制器,分別針對工業、網路控制、建築物自動化,以及在物聯網雲端邊緣裝置的智慧型量測系統,這些微控制器可滿足採用感測器和通訊模組的終端裝置對高階安全的需求。

意法半導體(ST)日前推出新一代的微控制器系列STM32G4家族。為了馬達控制與數位電源等應用市場,積極開發效能更高的產品線。STM32G4透過降低電路板尺寸與物料成本,達到全功能合一的系統單晶片解決方案,可以在高度整合的狀況下,維持低成本的優勢。

東芝(Toshiba)在2019年針對辦公室自動化設備、視聽設備及工業設備推出M4系列微控制器,後續擴大採用ARM Cortex-M4的TXZ系列的微控制器產品陣容,以滿足馬達控制和全球感測器市場的需求。

德州儀器(TI)的C2000 F2838x 32位元微控制器,整合三項工業通訊協定,可讓設計人員使用單晶片於交流電伺服驅動器和其他工業系統中實現連接EtherCAT、乙太網路和具有彈性資料速率的控制區域網路(CAN FD),無需外部ASIC,減少尺寸和材料用量。

著眼於未來新興應用領域,像是低能耗的電機控制、行動式醫療裝置、高階工業儀器控制等,對產品可靠性和穩定性等都有較高的要求。此外,物聯網、節能環保等領域也需要大量低成本、低功耗、高整合、高穩定性的微控制器。由此看來,高整合度的微控制器產品仍是未來物聯網應用的發展趨勢。

有鑑於微控制器(MCU)的重要性日益提升,2019年度「微控制器論壇」將於9月24日(二)假台北喜來登大飯店舉辦,除邀集到德儀(TI)、意法(ST)、Microchip、NXP、東芝…等9家廠商聯袂發表最新產品技術方案之外,最大亮點是台大與交大兩位教授聯手演示最前瞻的研究成果與觀察,對終端智能產品開發商/工程師來說是不可多得的機會,歡迎即刻報名


圖說:在物聯網(IoT)、人工智慧(AI)及5G並行下,微控制器產品越來越多元,被賦予更重要的角色。圖為盛群的MCU產品。


圖說:智慧工廠的產線自動化等應用,須透過微控制器達成。圖為佳世達的智慧工廠產線。