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物聯網開啟智慧商機 MCU技術全面進化

  • DIGITIMES企劃
物聯網感測節點的低耗電、高整合與通訊需求,帶動了MCU技術的另一波發展。PHYS.org

在物聯網、車用電子、醫療...等智慧化市場的快速啟動下,MCU產業迎來過去少見的榮景,從供貨狀況就可得知目前市場狀況。從2017年開始,市場已然開始缺貨,大型MCU廠商的交貨期從過去的4個月延至6個月;在供不應求的態勢下,MCU價格也開始往上調升5%~10%。隨著各垂直產業智慧化腳步加快,未來MCU的需求將持續上揚,且除了市場量放大外,在技術方面也會不斷突破。

先從應用市場來看,目前工業、車用、家庭、消費性設備是MCU的四大主要應用市場,其中工業與車用領域的成長最快,從2017年起MCU開始缺貨的主因,就是因為多數大廠將產能轉往這兩大應用領域。

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MCU市場啟動,除產品與開發工具外,大廠也開始致力打造生態供應鏈,提供客戶更完善的服務。DIGITIMES

智慧化應用驅動MCU成長

MCU在工業領域的應用主要以馬達控制為主,馬達是製造設備的主要動力來源,透過MCU可以控制馬達轉速,進行準確定位。馬達可分四種,包括直流(DC)馬達、交流(AC)馬達、步進馬達與特殊用途馬達,其中又以直流馬達與交流馬達最常見,近年來環保意識抬頭,能量轉換效率較佳的直流馬達逐漸受到歐美國家重視,以外銷為主的台灣機械業者,其使用頻率逐漸攀高,因此直流馬達的控制已成為台灣廠商的設計重點。

目前應用於馬達控制的MCU,8位元與32位元都有,其中8位元主要是用於峰山之類的簡單控制,而較複雜如直流無刷、伺服馬達等,就會用到32位元MCU,不過即便是簡單的8位元MCU,其馬達控制也都會涉及霍爾效應感測、有刷無刷、單相三相與電壓電流功率等不同演算法,這些通常需要MCU廠商提供相關的技術支援。

在MCU產業,車用領域是僅次於消費性電子的第二大市場,在車用系統扮演核心處理器的ECU就是將MCU、CPU與各種I/O介面、定時/計數器整合為一,MCU雖然可分為4位元、8位元、16位元、32位元等四種層級,不過目前主流仍是8位元與32位元,在車用系統中也是如此。

8位元MCU在汽車系統中,主要是控制簡單的車體設備,像是照後鏡、車窗、空調等,需要高處理能力的剎車、安全氣囊等,過去以16位元MCU為主,不過隨著此等級MCU產品逐漸從市場淡出,現在車廠已多採32位元產品。此外近年來ADAS成為汽車產業的重要設計,多數車廠已在新車導入相關系統,各類型行車輔助或車載資通訊娛樂系統都會應用到32位元MCU。根據DIGITIMES Research指出,2017~2021年之間,全球車用MCU市場銷售額年複合平均成長率將達3%,而車用的32位元MCU年複合平均成長率將達6.6%,此一商機大開,讓多數MCU大廠的產能紛紛轉向,是造成市場上MCU缺貨的原因之一。

智慧家庭也是MCU近期發展的重要動力,根據Strategy Analytics研究指出,2020年智慧家庭將是全球物聯網最重要的應用場域。從架構面來看,智慧家庭主要採物聯網系統,將各家電產品與基礎設備連上家庭控制系統,再由使用者以觸控螢幕或語音等介面進行控制,因此MCU在其中的應用就可分為系統與家電設備兩部分。

先看家電部分,MCU在家電的應用已久,目前幾乎所有家電都有內建MCU,不過以往的家電只需簡單控制,因此4位元、8位元等級的MCU已然足夠,但近年來節能環保概念抬頭,家電開始採用較省電的直流無刷馬達,在此同時,現在家電功能走向複雜化,且智慧家庭控制系統需要有連網功能,因此32位元在此領域的應用漸廣。至於在家庭控制系統方面,無論是觸控螢幕或是語音識別,所需要的控制都更為繁複,尤其是近年來Amazon的Alexa帶動語音輔助平台,其語音和語意的識別都需要一定程度的處理能力,因此32位元MCU在此的應用大增。

效能、功耗、整合是主要技術趨勢

再就各MCU大廠的產品研發看技術面,目前MCU的主流設計趨勢包括高效能、低功耗、高整合等三大趨勢。在高效能方面,目前32位元已成為MCU主流,尤其近年來物聯網落地速度加快,更讓32位元MCU快速普及。

從價位來看,目前8位元與32位元的MCU價差已逐漸縮小,再加上運算效能都在100MHz以上,執行效能更佳。32位元MCU的核心多為ARM Cortex-M4到M7,可支援DSP與單精度浮點運算指令,時脈運算頻率也都可達400MHz,對於具備邊緣運算設計的物聯網來說相當適用。

另一趨勢則是低功耗,雖然低功耗一直是MCU的設計重點,不過在物聯網時代,這部分會進一步強化,尤其是依靠電池供電的行動裝置,低功耗幾乎是永無止盡的需求。

物聯網架構運作的第一步,是集結大量底層設備所傳輸的訊號,而這些底層設備往往散置在寬廣場域,無法布置供電線纜,而由於數量龐大,不可能耗費人力頻頻更換電池,對此低功耗設計就成為必然。針對這類型應用,多數廠商都提出了超低功耗的MCU產品,讓各感測節點與設備可維持長時間運作。

在高整合部分,由於物聯網的功能多元,單一設備必須盡可能將多數軟硬體整合進去,除了增加功能外,也可進一步降低系統的總材料成本。目前MCU的整合有幾個方向:在I/O介面,UART、USB、乙太網路等,都是常見的整合技術;其次則是加解密設計,過去主要是透過軟體運算,不過此一作法會加長系統的反應時間,運算時也會需要電能,因此現有廠商將之設計在硬體內,以硬體執行此功能,不但加快運算流程、降低功耗,硬體被破解的難度也較高,可提升安全性。

另一個整合趨勢則是無線技術,無線是物聯網系統中最重要的通訊方式,且其標準相當多,包括Wi-Fi、BLE、Thread、Zigbee等均是,過去的做法是讓MCU加上無線通訊模組,近來廠商則紛紛推出兩者整合的系統單晶片(SoC),像是ST就有ARM Cortex-M0+與M4的雙核心MCU,另一大廠SILICON LABS則是推出具有雙模通訊設計的MCU產品,目前無線MCU已成為各大廠布局物聯網的重要產品策略,隨市場的逐漸放大,這類型產品種類與功能將會越來越多。

觀察MCU的發展趨勢,物聯網無疑是近期最重要的成長動力,此一趨勢不但帶動市場成長,同時也讓MCU的技術不斷往上突破,而從技術面觀察,高效能、低功耗、高整合將會是MCU最重要的設計方向,也會是系統與設備廠商選擇MCU的必要考量。

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