為綠色社會打造的MCU技術趨勢與產品

瑞薩電子微控制器系統事業部總經理 市川正臣(Masaomi Ichikawa)。

綠色風潮席捲全球，引領行動裝置、家電、交通設施以及公共設施的全面節能化，而節能的控制中樞微控制器(MCU)，成為驅動這股全球綠色風潮的關鍵核心…

瑞薩電子(Renesas Electronics)微控制器系統事業部總經理市川正臣於演講中指出，我們住在一個資源有限的星球，無論是空氣、石油、瓦斯、水、礦產資源都極其有限。瑞薩電子引領業界，以淨化環境、潔淨能源為設計理念，開發全系列具備綠色概念的微控制器(MCU)。

而綠能市場趨勢在相關電力法規要求下，全球將近2兆美元的公共支出著重在綠色應用。如日本在2010年通過23項工廠與辦公室節能法規，2013年將進一步指定節能項目並強化；大陸則在2010年通過TV待機僅1瓦耗能、電鍋、電器相關耗能規範，到2013年將進入TV待機0.5瓦耗能，以及燈光╱馬達控制的節能規範；南韓則在2010年通過1瓦待機等23項節能規範，2013年將30%的公共燈光設施改為LED並淘汰燈絲燈泡。歐盟在2010年通過9項商品待機1瓦與燈絲燈泡減產，2013年9項商品待機0.5W規範以及淘汰燈絲燈泡。美國2010年對電視、冰箱、電暖器與OA辦公室設備耗能開始緊縮，2013年進一步對洗碗機、電熱扇、TV操作模式耗能做規範，並導入新照明能源。

市川正臣表示，在節能家電風潮下，MCU微控制器的年複合成長率，從2003年的平均110%，到最近7年加快到115%，市場成長相當快速。可證明MCU是建構綠能社會的重要關鍵核心。他也指出，要實踐智慧社區(Smart community)的3大關鍵，在於綠能連接、綠能系統以及綠能MCU。綠能連接在於智慧電網(Smart Grid)，深入每一家用戶的智慧電表(Smart Meter)是建構智慧電網的關鍵，藉由有線或無線連接來監控各地區、社群的用電，並回傳即時資訊供電力公司做有效率的調配；對家庭而言，將居家照明、電氣用品與電動車充電系統納入監控，在房屋屋頂還可搭配太陽能光電板，以及共生燃料電池等輔助能源的協助，進一步紓解全國電力的尖峰需求。

30年產業經驗淬鍊 綠能MCU導向家庭與工控應用

市川正臣表示，由日立(HITACHI)、三菱電機(MITSUBISHI)半導體於2004年合併成瑞薩科技，並於2010年與NEC電子進一步合併成瑞薩電子，是世界第3大半導體公司。經歷從1980年代瓦斯表、90年代水錶、90年代中期智慧電表，到2000年代中期邁向智慧電網，以及2010年智慧電表的時代，瑞薩累積超過30年開發微控制器的經驗，提供各種智慧網格網路的綠能連接方案，例如使用Zigbee低耗能RF無線射頻技術的R8C、78K系列，支援PLC電力線上網機制如DCSK的M16C/6S晶片，或OFDM調變如Smart Dragon晶片，提供ASIC等級的智慧電表應用。

在綠能系統應用上，針對智慧家庭提供家電微功率計(micro power meter)、變頻控制與LED照明，智慧建築╱智慧工廠方面則提供ERTEC Profinet乙太網路自動化控制晶片、功率晶片與工規8~32位元MCU。他指出，對綠能系統來說，由MCU做變頻控制(Inverter control)，例如32位元RX與V850系列可以使電動車、洗衣機、冰箱、冷氣等馬達功耗節省30%；針對變頻控制應用上，瑞薩針對可驅動三顆馬達的RX與適用於單馬達驅動的RL78/G14系列，提供直流無刷馬達專屬計數器╱類比轉換電路，RL78/Ix系列的64K變頻電控技術節省85%的LED照明功耗，並可支援DALI與DMX512照明專用網路介面；RL78的低耗能特性應用在電錶、儀錶可達到僅1顆電池維持20年長效運作的目標。另外也可應用於太陽能光電系統上提升轉換效率，或是低功耗感測器的應用。

全綠能MCU家族

市川正臣指出，瑞薩電子有全球第1低功耗的MCU設計，輔以低功耗Flash記憶體製程技術，以及高效率軟體開發技術與布建全球的合作夥伴網路支持，為實踐智能化社會推出了全系列綠能MCU產品。在32位元MCU產品線中，SuperH系列具備超純量(Superscalar)、記憶體管理單元(MMU)與多媒體視訊╱音訊加速指令集(Multimedia)，採45、65、90奈米製程，執行效能達1,200 DMIPS，目標在伺服器、工控與車用電子；V850則是高效能低功耗核心設計，採150與90奈米製程，執行效能為500 DMIPS，效能功耗比為600 µA/MHz，待機功耗僅1.5 µA，應用於醫療、車用電子與工業控制；RX系列則具備高效能浮點運算與數位訊號處理，採90奈米製程，效能達165 DMIPS，效能功耗比為500 µA/MHz，待機功耗僅2.5 µA，可應用於網路、CAN、USB、馬達控制、TFT監視器。

傳統低階8/16位元CISC架構的MCU產品線，目前有40 DMIPS、130奈米製程、一般功耗70 µA/MHz與待機0.7 µA/MHz的RL78，25 DMIPS、180/90奈米製程、1mA/MHz與待機100 µA/MHz的保密型R-Secure微控制器，10 DMIPS、130奈米製程、350 µA/MHz與待機1.7 µA的R8C，以及25 DMIPS、150奈米製程、單位效能功耗190 µA/MHz與待機0.3 µA的78K微控制器，而這些8/16位元MCU系列的下一代產品，將納入RX系列的新產品計畫。

瑞薩MCU設計思維─低功耗Flash製程、設計與全球化支援

市川正臣以數據說明，綠能MCU就是要做到最低功耗針對各種綠能應用最佳化，因此瑞薩率先於MCU導入40奈米MONOS Flash製程技術，也是全球第1大內建Flash的MCU供應商，Flash CELL單位面積僅0.075μm2，設計容量最高達16MB；在各種效能╱功耗的應用指標，從最低階入門的8/16bit CISC架構的78K/RL78/R8C MCU，具備1.27 DMIPS/mW，到中階32bit CISC架構RX MCU達到1.65 DMIPS/mW，高階32bit RISC架構的V850與SuperH MCU達到2.56 DMIPS /mW。例如200MHz雙核心V850E2/Mx4，在200MHz頻率下達到1,024 DMIPS運算效能，每DMIPS僅需0.88mW，比競爭對手單核MCU降低40%。

他進一步指出，瑞薩全系列MCU內建多段變頻的石英振盪器(Oscillator；OSC)與快速回復電路，使MCU可依負載控制CPU的運作頻率，使整體功耗下降約70%。在2008年，瑞薩就展示過以檯燈照射太陽能板供電即可運作的32位元V850 MCU，以及在2011年展示的以1顆檸檬的化學電能來驅動的低功耗78K0/RL78 MCU電路。

市川正臣進一步介紹瑞薩最低功耗的RL78系列MCU，它以3個全球第1─最低功耗、最多元化產品線與最具成本效益─為設計理念。RL78創下一般模式70 μA/MHz、待機模式0.7 μA/MHz與暫停模式下0.52 μA/MHz的超低功耗紀錄，從10~128pin腳位的多元化與內建1~512KB 的低功耗Flash ROM，以及低功耗的內建震盪電路。他表示，接下來面臨的挑戰，是加強內部類比電路的功能及性能，以因應量測與自我校準的市場需求。

RX家族─32位元CISC MCU的最適應用

市川正臣接著介紹32位元CISC架構的RX MCU系列。分為高階RX600以及入門RX200，兩者在腳位上基礎相容，RX600定位在工控╱OA辦公室設備╱消費性電子產品，具備單精準浮點運算單元(FPU)，每一核心提供100MHz/165 DMIPS單位效能，待機功耗0.5mA/MHz，採2.7~3.6V工作電壓，另有4~5.5V的版本支援電源以及馬達應用，內建Flash記憶體從64KB~2MB，腳位封裝從64~176pins；而RX200提供每核心50MHz/78 DMIPS單位效能，待機功耗僅0.2 mA/MHz，採1.62~5.5V廣域工作電壓，定位在綠能家電、行動裝置與量測器的應用。

市川正臣進一步揭露下一個編號未定的32bit RX MCU新成員，將使用更緊密的內建記憶體與對外腳位封裝技術(不超過100pins)，它預計將創下0.5μA/MHz的超低待機功耗，主要瞄準工控、醫療與車用電子的應用領域。

市川正臣最後總結說道，瑞薩電子以綠色節能的設計理念，設計V850、SuperH、RX、RL78以及新的32bit RX MCU，廣泛應用到智慧建築、智慧行動裝置、智慧家庭、智慧工廠、智慧汽車與智慧電網的布建，使全世界邁入低耗能的綠能社會。