站穩32位元MCU市場 64位元蓄勢待發
- DIGITIMES企劃
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微控制器(MCU)的架構，從早期的4或8位元，演進到近期逐漸流行的16、32位元架構，並應用在各式各樣的中高階電子產品領域。然在行動裝置追求更纖細的畫質與更高執行效能之下，業界紛紛推出更先進的製程與處理器架構來因應，尤在蘋果iPhone 5s率先搭載64位元處理器搶佔世人目光之後，更加速行動處理器市場邁向下世代64位元的趨勢，期與桌上型電腦處理器架構分庭抗禮，為下世代先進架構的處理器市場布局…
MCU(微控制器)的產品種類繁多，從匯流排架構來區分，可以分成早期4或8位元，中期16位元，以及如今最廣泛的32位元架構。在8位元架構部分，就有多達20幾家MCU廠商，提供各種微架構(例如AVR、PIC、MCS-48/51、COP8、Z8/eZ8/eZ80、HC08/11/8、PSoC、TLCS-870、XC800)的處理器，以8位元運算、8/16位元的定址能力，7KHz至125MHz不等的運作時脈，來應付基本的運算與處理需求。
一般都是應用在基本的電子玩具、各式家電、家庭自動化、燈控、工控、簡易式消費電子產品(如行動電源、遙控器、單一遊戲機)、胎壓監測系統、簡易WSN等領域。8位元的MCU，價格便宜，程式寫作簡單(支援組合語言、C、Arduino等語言)。
雖說MCU應該維持精簡架構，然而在一些電子產品應用中，其資料的處理已經是以16位元(Word；字組)來運作，若透過傳統8位元(Byte；位元組)分批處理方式，就必須耗費2至3次Cycle Time(時鐘週期)，不僅會造成效能降低，連帶降低系統功效。因此廠商紛紛推出16或32位元架構的MCU，處理Word型態資料只要1次Cycle Time即可解決，讓系統設計人員在程式設計上能夠更精簡，資料處理上能夠更快速，以發揮更佳的整體系統功效。
在16位元的MCU部分，目前有將近10幾家供應商，提供16位元微架構(例如C166、H8S、PIC24/dsPIC、MSP430、R8C、XC2000)，16位元運算、16/24位元定址能力。運作時脈從32KHz到125MHz不等，能夠應用在資料處理量稍大的消費性電子產品。例如語音玩具、音樂玩具等。
由於16位元MCU的處理效能？成本未必有明顯優勢，因此後續超過10多家MCU廠商轉向直接推32位元的MCU，以完整的32位元微架構(例如AVR32、CRX、H8SX、PIC32、TLCS-900、TriCore)、32位元運算與定址能力，運作時脈從400KHz至500MHz都有，直逼AP(Application Processor；應用處理器)的水準，能夠應用在需要複雜運算的工業或嵌入式領域，包含消費性電子、電腦週邊(電競滑鼠？鍵盤、路由器)、車載電子、穿戴式裝置、環境監控、WSN、各式感測裝置等等。
32位元MCU從多樣化核心 朝單一平台聚合
MCU裡面所包含的指令集架構，可區分為CISC(如8051家族)和RISC(如MIPS/SuperH/ARM)指令集，其廠商亦有提供完善的程式開發工具，依照不同的MCU等級，來開發不同的應用。
由於各家的MCU指令架構的不同，功耗表現也不一樣，當開發者要替換不同指令集架構的MCU時，不僅要修改程式碼，甚至得更換整合開發工具，造成研發成本與開發週期的增加，因此採用單一核心架構的MCU家族，逐漸成為系統開發者的趨勢。
目前當紅的ARM Cortex-M家族微架構，有依照不同市場區隔區分成M0至M4的等級，其中，Cortex-M0可用來做初階8/16位元應用，Cortex-M3可做中階的16/32位元應用，而Cortex-M4則可拿來做高階的32位元與DSC(數位信號控制)應用。由於採用單一架構MCU，在指令集向下相容、且用法變化不大之下，便可在單一的軟硬體開發環境下開發，以享有平台一致化與降低整體開發成本的好處。
32位元實已足夠 高階64位元搶先布局
當MCU跨入64位元領域，其運算效能與應用領域已經跟當今64位元CPU、AP相去不遠，因此前幾年雖然有廠商嘗試推出64位元的MCU (例如Freescale和MIPS)來試水溫，但由於應用太少，加上目前32位元的MCU足以滿足各種市場需求，使得廠商退出64位元MCU的開發，轉進特殊應用的MPU或SoC，來進攻行動裝置以外的下世代高速應用市場，例如光纖網路、雲端儲存、Big Data(大數據)等領域。
Freescale (飛思卡爾)的QorIQ家族平台，即是針對虛擬網路、寬頻網路、行動通訊、智慧電網、自動化工廠、智慧醫院、航太、國防等高階應用領域，所推出的64位元CPU，採用ARM或Power微架構設計。
QorIQ共分成LS (採ARM Cortex A7/A15核心)、P (Power e500/e5500核心)、T (採Power e6500核心)系列，LS系列主打入門級網路處理器，內建單核至4核心的處理器，時脈高達1.4GHz，耗電量2~10瓦，效能達到10Gbps，適合拿來設計企業級Router(路由器)、Switch(交換機)、WLAN、儲存設備、安全應用、列印與影像處理，以及工業級的單板電腦(SBC)、機器人、工廠自動化等應用。
中階產品則是在封包、I/O、混合式資料平面的處理效能有所提升，提供雙至8核(Core)的單或雙執行緒(Thread)的處理器，運作時脈達1.8GHz，耗電量7？25瓦，效能可達到20Gbps，適合設計成ISP(網路服務供應商)的Router或Switch、資料中心的CNA(聚合網路卡)？智慧網路卡，以及工業用機械視覺與攝影機。
至於高階產品則在流量控制、處理等功能又更加強，搭配4至24核的單或雙執行緒的處理器，運作時脈達2.4GHz，耗電量15？40瓦，效能可達到80Gbps，適合成為企業的保安應用產品、資料中心的應用交付控制器？伺服器至儲存設備的橋接晶片？64位元伺服器、ISP業者的都會大型基地台。
在MIPS部分，由於其早在1991年就發表第一顆64位元的MPU－R4000，搭配其MIPS64指令集架構，具備64位元定址空間與暫存器，可處理龐大的記憶體資料量(當時只設計到40-bit，可以支援到1TB的記憶容量)，能應用於寬頻網路、辦公自動化、網路？電信基礎設施、新世代行動裝置、伺服器等市場。
使用MIPS64架構的廠商有Cavium(凱為)和Broadcom(博通)。Cavium的OCTEON MIPS64家族，包含4種等級的產品C3xxx(OCTEON)、C5xxx(OCTEON Plus)、CN6xxx(OCTEON II)、CN7xxx(OCTEON III)，採用單核至高達48核的架構，運作時脈從700MHz到2.5GHz。
至於Broadcom的MIPS64架構處理器，則有BCM11xx(單核)、BCM12xx(雙核)、BCM14xx(4核)等家族，以級XLP500系列(多核、多線緒架構)。以提供電信業者、服務供應商、資料中心、企業、家庭或中小企業的不同等級網路傳輸設備來使用。
ARM 64位元來勢洶洶 各廠商紛紛加入
然而上述的64位元的微處理器(MPU)礙於價格與功耗偏高，市場應用上並不普及。2011年ARM發表64位元架構指令集之後，挾其以在行動裝置市場市佔率與低功耗的絕佳優勢，勢如破竹地進軍到高階應用市場。此舉也讓原先採用Power 64、MIPS64架構的處理器供應商，也順勢推出ARM 64位元的網路處理器。
例如前述的Freescale LS系列便是ARM 64架構。Cavium的ThunderX的ARM 64產品可提供高達48核、2.5GHz的頂級處理器，並依市場區格分成ThunderX_CP (運算)、ST (儲存)、NT(網路)、SC(安全運算)等系列。
而Broadcom也發表4核ARMv8-A架構的64位元網路處理器Vulcan家族，高達3GHz的運作時脈，可應用到高階網路應用市場。另外Applied Micro的X-Gene家族，是一款Server-on-a-chip(晶片即伺服器)產品，速度達2.4GHz，適合網頁前端、記憶快取、大數據、雲端儲存等伺服器應用市場。
其餘廠商部分，例如Apple(蘋果)的Cyclone、Qualcomm(高通)、Samsung(三星)、NVIDIA(輝達)的Denver、AMD(超微)的K12等大廠，皆採用ARM 64位元架構，主攻行動裝置處理器市場。軟體方面，除了Apple的iOS7、微軟Windows RT支援64位元環境之外，採Google Android L系列也將完整支援64位元環境，以發揮新世代行動裝置的功能。
