打造環境永續願景 ST MCU產品線協助客戶使命必達
- 賴品如／台北
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隨著環境永續成為全球科技業的重要議題，如何有效提升電子產品的運作效率，藉此達到永續目標，儼然是各大系統整合業者必須著手因應的關鍵任務。也因此，全球MCU大廠ST(意法半導體)以「擘劃永續願景，創造宜居環境」之理念，舉辦「永續．愛地球–2022年STM32線上研討會」，希望藉由ST旗下新一代的MCU系列產品線與開發套件，能協助客戶達到環境永續目標。
ST MCU數位晶片事業部亞太區副總裁Arnaud Julienne於表示，身為全球領導半導體大廠之一，ST展開了一些計劃以減少所有業務直接與間接的溫室氣體排放，理由在於透過減少碳排可以保護地球免受氣候變化的影響，希望能透過這樣的做法，讓2010至2050年的全球暖化控制在攝氏1.5度內。而ST本身也預計在2027年可達到碳中和的目標，屆時將會100%使用再生能源。ST的晶片不僅智慧，同時也相當節能，ST將與台灣客戶群攜手打造更多節能產品。
ST亞太區資深產品行銷經理楊正廉則是談到，這兩年多來，由於COVID-19(新冠肺炎)的影響，造成供應鏈失衡所造成的訂單暴衝，以及無預警與不見斷的封城問題，產業界都在解決相關的問題。ST相信，ST與客戶已經度過最艱難的時期。楊正廉進一步引述研究機構的數據談到，ST在全球通用MCU市場排名在2020年排名第二，但到了2021年，ST就以22.9億美元的營收，成為第一製造商。
就MCU產品藍圖方面，楊正廉指出，過去市場能見度最高，也是客戶經常使用的，莫過於STM32F1與F0系列，但近年來也陸續新增了G0、G4、H7、MP1與U5等系列，而在無線應用方面，也有WL與WB系列，ST也期待市場能給予這些新產品更多的關注與導入。
至於關係到MCU發展的生態系統，楊正廉舉例，MCU需要市場的創意，透過多樣化的韌體賦予MCU不同的功能，但在這開發的過程的確有其辛苦的一面，所以ST在過去發展的歷程中，持續投資來建置良好的開發工具，甚至是採取收購策略，建置良好的圖形開發環境，提升客戶的開發效能。另一方面，ST也讓客戶可以重複使用過去已經開發過的資源，套用在不同的STM32系列產品線。
IoT產品線聚焦2.4GHz頻段，可因應藍牙全標準需求
ST亞太區專案經理Eason Wang表示，IoT的技術本身就存在我們的日常生活當中，從相關的個人裝置、保健器材、白色家電，甚至是需要長距離無線傳輸的水表與電表等，以及智慧工廠等，皆脫離不了與IoT之間的關係，而IoT本身就包含了許多不同種類的無線連結技術，ST自然也不會缺席。
ST在2.4GHz頻段方面，主要的產品線分為BlueNRG與STM32WB兩個系列，這兩大產品線能夠涵蓋絕大多數2.4GHz頻段所需要的無線技術，BlueNRG主要著重BT相關的技術與2.4GHz頻段的無線傳輸工作，而STM32WB的技術涵蓋範圍較大，除了能因應藍牙相關技術範圍外，也能符合Thread與ZigBee等技術應用。
STM32WB的主要規格為搭載了兩顆不同的CPU核心分別為Cortex-M4與M0+，前者系統工作頻率最高為64MHz，具備浮點運算數位訊號處理的能力，而M0+的頻率則是32MHz，主要處理藍牙低功耗無線的運行，週邊介面也相當豐富，也具備一定等級的資安功能。BlueNRG-LP系列，則可以視為藍牙低功耗5.0的系統單晶片產品，主要搭載了Cortex-M0+，CPU頻率達64MHz，Eason Wang進一步表示，不論是BlueNRG或是STM32WB系列，皆已有產品可以支援到BT5.3的規格，STM32WB5x系列，可以透過韌體升級，可以同時支援兩種不同的無線網路協定，像是BT搭配ZigBee或是BT搭配Thread等。
CortexA+M成ST MCU產品主力，開拓全新應用場景
綜觀微控制器近年來的發展，已有廠商陸續導入Cortex-A系列的CPU，進一步強化產品的運算效能與功能豐富度，藉此讓客戶在系統開發上，能更具靈活性，STM32MP1就是一例。ST亞太區專案經理Bossen Wu指出，STM32MP1以依照CPU頻率與工作溫度，進而區分成兩大產品線，其中最大的CPU頻率達800MHz，且工作溫度為-20度到105度的 MP15xD與MP15xF系列。
另外一個產品線則是CPU頻率達650MHz，工作溫度範圍則是達到到-40度到125度的MP15xA與MP15xC系列。這兩系列中擁有F與C的型號，內建了資安功能與硬體密碼學演算法加速器等功能。同時，不論是何種CPU頻率，ST也提供了單核Cortex-A7與雙核的版本，供客戶選擇。全產品線共分四種不同的封裝形式，只要是同一封裝的MP1產品，接腳皆可以相容，開發軟體也是一體適用，此外，ST的供貨時間也長達十年，滿足工控客戶需求。
Bossen Wu進一步談到，以STM32MP157來說，其規格擁有雙核的Cortex-A7，頻率為800MHz，以及單核的Cortex-M4，頻率則能達209MHz，對於Linux OS或是RTOS等，皆能有效對應，同時，STM32MP157也內建GPU核心，可以減輕雙核A7在繪圖工作的運算負擔。
延續F3系列佳績，STM32G4鎖定數位電源與馬達控制應用
針對數位電源與馬達控制應用領域，ST資深工程師 Jeff Chien透露，在經過客戶在過去長期的合作與反饋後，ST推出了STM32G4，該產品主要是由過去STM32F3所衍生的產品線，特別適用數位電源與馬達控制等應用領域。Jeff Chien以ST所推出的STM32G474為例，該產品雖然也是搭載Cortex-M4，但新增了過去產品線所沒有的功能，像是第二代的高解析度計時器、谷底電流偵測、電流斜率補償 以及多達12組的高解析度PWM(脈寬調變)輸出。
目前ST在數位電源領域會相對偏重如伺服器、電信設備與電動車充電樁等，但綜觀來說，即便像是工業自動化所需要的馬達控制與相關電源設計、量測儀器與高階消費性電子產品，甚至是需要動用到SiC(碳化矽)或GaN(氮化鎵)的轉換器架構，都是STM32G4系列產品線所涵蓋的範圍。
Jeff Chien指出，過去MCU在電源設計上，大多會外掛較多的運算放大器、濾波器、比較器與訊號轉換器等獨立的類比與混合訊號元件，但新一代的STM32G4系列很大程度地整合了這些元件功能，以高度整合的系統單晶片的設計概念，大幅地節省了元件成本，降低系統設計複雜度。
除了週邊介面與電源相關的功能之後，在運算功能上，STM32G4系列的CPU率最高可達170MHz，效能可達213DMIPS，除此之外，也內建了三個不同的獨立加速器，分別為ART Accelerator、Routine Booster與Mathematical，ART Accelerator是STM32F7系列原本就搭載的獨立加速器，ST將其下放到G4系列供其使用，Routine Booster則是SRAM的程式運算加速器，若將程式配置於SRAM中，能大幅增加程式運行的效能，而Mathematical則是聚焦數學運算工作，可分為Cordic與FMAC(Fiflter math accelerator)，Cordic為三角函數座標旋轉計算加速器，相較於使用軟體處理三角函數相關的運算工作，使用Cordic的處理效能可高出五倍之多。
FMAC則為濾波演算法加速器，能獨立處理補償器功能，確保數位電源在各種負載下，都能做到精準輸出。
STM32H7成高階MCU發展主力，鎖定工控與HMI領域
STM32H7在ST旗下MCU產品線中為高階定位，ST亞太區專案經理Kevin Liang表示，STM32H7的主要特色是以Cortex-M7扮演主要角色，產品線可以略分為單核與雙核兩種架構。在單核架構上，其最高頻率達550MHz，CoreMark分數為2778分。雙核架構則是採Cortex-M7+M4的設計，M7 CPU頻率為480MHz，M4頻率則為240MHz，CoreMark總體分數則為3224分。
此外，STM32H7也內建圖形加速器Chrom-ART Accelerator，提供快速資料傳輸功能，適用於工業控制、AI與複雜運算的應用。其中，圖形加速器搭配LCD面板控制單元，在圖形的應用，可以減輕CPU負載達90%以上。由於STM32H7內建圖形加速器，也相當適用於智慧家庭與工業自動化的HMI(人機介面)系統，除了能支援不同尺寸的顯示面板，STM32H7也有內建大容量的記憶體(RAM)，可以儲存圖形資料，或是做為顯示圖像的暫存空間(frame buffer)使用。倘若是Cortex-M7加上M4，M7就能扮演HMI與AI運算的工作，而M4則能專心處理馬達控制與感測資料的判讀，能適用於更為複雜且高度整合的應用。另一方面，ST在H7系列產品線，也有提供高性價比的產品，嘗試讓客戶進行產品升級。
Kevin Liang以STM32H723為例，相較於STM32F407與F429，雖然是採用不同的CPU，但在頻率大幅提升的情況下，能提供更為優異的效能，加上週邊介面的豐富度也有所提升，STM32H723具備同等價格，但能提供五倍效能的表現給客戶端。
生態系統以完整軟體面向加速客戶系統開發
ST亞太區專案經理Otis Chan則是針對STM32產品系列的開發軟體STM32Cube與生態系統進行完整的說明，從一開始的產品與軟體的選擇、應用開發的除錯、程式碼與相關燒錄工作，以及即時監控等，STM32Cube都有包含。
宏觀來說，STM32Cube的軟體套件可分成兩大區塊，一塊是直接安裝在PC的軟體開發套件，另一區塊則是嵌入式軟體，主要是被安裝在STM32系列產品上。在開發套件端，可分成四大區塊：負責MCU週邊功能配置(Configuration)的STM32CubeMX、編譯與除錯的STM32CubeIDE、負責燒錄的STM32CubeProgrammer，以及負責debug的STM32CubeMonior。
嵌入式軟體方面，則有兩大面向，一是STM32CubeMCU Package，裡面包含週邊介面的驅動程式、Sample Code與中介軟體（Middleware）等。另外一塊是STM32CubeExpansion，它可以視為是MCU韌體面向的延伸，包含常用與非常用範例的應用場景。與此同時，不論是STM32CubeMCU Package或是Expansion都有內建第三方的中介軟體(Middleware)，其中也支援了微軟AzureRTOS。
STM32U5致力於低功耗之餘，不忘強化資安功能表現
而近年來，資安議題一直是MCU大廠所在意的重點之一，ST在該領域也沒有缺席。ST亞太區產品行銷經理Edward Chang表示，STM32U5系列，是ST在2021年在低功耗產品家族中所推出的產品，除了延續既有的低功耗特色外，在資安功能上也有大幅度的強化。在低功耗功能上，ST導入LPBAM(Low Power Background Autonomous Mode；低功耗背景自主模式)搭配支援低功耗運作模式的週邊來達到無需CPU介入的自主運作功能。
資安方面，則是加上AES與PKA等功能，STM32U5系列的主要CPU為Cortex M33，CPU頻率達160MHz，同時也搭載Arm的資安技術TrustZone，內建的加速器也有如前述所提到的ART (I-CACHE / D-CACHE)、FMAC、CORDIC，以及繪圖方面所需要Chrom-ART加速器等，記憶體規格則是內建高達2MB Flash以及786KB的RAM，I/O介面也整合了觸控控制器與Camera訊號介面。
針對LPBAM技術，Edward Chang進一步說明談到，當CPU休眠的情況下，一些特定的週邊介面仍可以保持資料收集的運作功能，待資料收集或是特定事件完成後，再喚醒CPU執行後續的處理工作。當然在設計初期，客戶也必須了解有哪些週邊支援LPBAM，方能在系統設計上做到最完整的考量。在產品分類上，針對不同的快閃記憶體容量與封裝接腳部分，ST也提供不同的封裝與容量的版本供客戶挑選，其中包含了搭載與未搭載AES硬體加密功能的版本。在資安方面，除了原本就有的TrustZone外，ST也提供了資安軟體的開發套件(SBSFU；Security Boot+Secure Firmware Update)，可協助客戶在安全開機或是韌體升級安裝的設計上取得參考與協助。
綜觀而言，環境永續已是不可忽視的重要議題，消費者需求不斷提升又必須兼顧電子產品運作效率的情況下，MCU的選擇成為相關重要的關鍵，ST MCU不斷回應市場需求，持續推陳出新，相信能協助客戶使命必達，開發出兼顧環保與效能的終端產品。
