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智慧聯網送春風 32位元MCU成顯學

2011-11-25
受到聯網應用的崛起,以及現有系統功能持續升級的驅動,32位元微控制器發展如日中天,讓過去以8位元為主流的微控制器市場,轉變成32位元微控制器當道的新局面。
32位元儼然成為微控制器(MCU)市場新主流。受到物聯網(Internet of Things)與機器對機器(M2M)應用如火如荼的發展,各種應用市場,包括智慧電表(Smart Meter)、智慧電網(Smart Grid),以及聯網相關的應用,對於32位元微控制器的需求日益提升,32位元微控制器也堂堂擠下8位元控制器,成為總體微控制器市場中,出貨量且市場規模皆最大的產品。

分析32位元微控制器從配角搖身一變成為主角的原因,各式聯網應用普及度越來越高功不可沒。除上述的應用外,微控制器整合無線技術的應用、舊系統的功能再升級,以及中國大陸等新興市場的需求,在在都是促使32位元微控制器成為市場主流的關鍵,也讓32位元微控制器成為各家業者競相發展的重點產品。

32位元MCU主流地位確立

根據IDC最新研究報告,每年有五十億顆8051微控制器被用於智慧電表、智慧電網、智慧型手機與智慧電視等「智慧型系統(Smart Systems)」,而32位元的使用數量亦超過二十億顆;不過,整體而言,32位元微控制器的出貨量已超越8位元。預估到2015年,微控制器出貨將超過一百二十五億顆,且貢獻1,000億美元以上的營收。

IC Insights統計與預測數據也指出,在2010年,4/8、16與32位元微控制器市場規模分別為55億2,800萬美元、39億800萬美元、56億9,200萬美元,32位元微控制器市場主流地位明確;2011年各類型微控制器將進一步成長到59億1,500萬、42億6,000萬與68億8,800萬美元,而到2015年,32位元微控制器市場更將擴大至116億4,500萬美元,遠超過4/8與16位元微控制器的市場總和。

而微控制器市場的新興應用項目,包括車用電子的停車輔助、動力總成(Powertrain)與車內娛樂系統,消費性電子的全球衛星定位系統(GPS)手錶、Cywee體感控制器與人機介面(HMI)裝置等,工業控制則有條碼掃描器、銷售端點(POS)及變頻馬達,在電腦周邊則是有/無線滑鼠、通用序列匯流排(USB)隨身碟,而在通訊部分有電子收費系統(ETC)、用戶識別模組(SIM)卡與手持無線電等。

聯網需求增 32位元MCU蠶食8位元市場

其中,全球智慧電網布建蓬勃的展開,對32位元微控制器開創市場助力尤其顯著。為有效傳遞用戶家中電器的用電量,電表及家電產品須內建有線或無線傳輸技術,以便透過聯網進行資料傳遞,因而讓具備更高效能的32位元微控制器需求水漲船高。

圖1 飛思卡爾工業和多元市場微控制器部亞太區市場總監曾勁濤表示,消費性電子產品對於32位元微控制器的需求已越來越高。
飛思卡爾(Freescale)工業和多元市場微控制器部亞太區市場總監曾勁濤(圖1)表示,智慧電網中的智慧電表要能有效傳輸用戶用電資訊,或是即時反應何種電器用電量不正常時,皆須透過有線與無線技術才能真正落實,但目前8位元微控制器由於效能有限,無法再支援通訊技術的訊號控制與處理,因此具備較高效能的32位元微控制器未來將全面在電表市場取代8位元微控制器。

據了解,現階段中國大陸四十四萬到四十五萬顆電表中,都是採用8位元微控制器,但隨著中國大陸國家計畫對於智慧電網的推行,對於電表是否內建聯網技術將有立即的需求。曾勁濤指出,由於中國大陸推動智慧電網力道持續不墜,因此預計5年內,電表內的8位元微控制器將汰換成32位元,對32位元微控制器而言,將是相當大的市場發展推動力。

因為智慧家庭與智慧電網的發展,也讓家電產品具備聯網能力。曾勁濤強調,過去家電產品僅需8位元微控制器即游刃有餘,但在家電產品也須要聯網之後,已有許多家電業者紛紛轉而改採32位元微控制器。

另一方面,除了可支援通訊技術的訊號處理與控制外,價格也是32位元加速取代8位元微控制器的主要因素。曾勁濤認為,隨著許多應用產品大量導入,32位元微控制器的價格也將隨之下探,未來普遍將會落在1美元以下,亦有助提高業者採用的意願。

微控制器結合無線技術成趨勢 

聯網應用崛起,除帶動32位元微控制器的需求外,微控制器與無線技術的整合也成為備受矚目的新發展趨勢,連帶也可推動32位元微控制器的成長。意法半導體(ST)產品行銷經理楊正廉表示,過去微控制器多內建有線的連結技術,如乙太網路、USB等,隨著各式聯網應用邁向無線化發展,包括ZigBee、藍牙(Bluetooth)與無線區域網路(Wi-Fi)逐漸被導入系統。而先前藍牙、Wi-Fi晶片須搭配微處理器(MPU)才能順利執行,但32位元微控制器的效能持續提升,已可肩負複雜的通訊協定處理工作,因此業者繼將ZigBee射頻(RF)晶片與微控制器整合後,也開始計畫將藍牙或Wi-Fi與微控制器整合成系統單晶片。

曾勁濤也指出,如飛思卡爾、意法半導體、德州儀器(TI)與愛特梅爾(Atmel)等業者,目前大多皆已推出整合ZigBee與微控制器的系統單晶片產品;藍牙與Wi-Fi則是下一步發展方向。不過,Wi-Fi通訊協定相對又更複雜,因此目前仍以搭配32位元微控制器的系統封裝(SiP)為主要出貨形式。至於未有藍牙或Wi-Fi晶片的微控制器業者,則是透過與協力廠商合作,因應此一發展趨勢。

圖2 愛特梅爾亞太區策略行銷總監曹介龍表示,該公司與手機和平板電腦廠商合作,特別在電源管理和感測器介面控制中加入微控制器,以減低處理器的負荷。
以愛特梅爾為例,已可提供全系列符合IEEE 802.15.4標準、以IPv6/6LoWPAN為基礎,並獲得ZigBee認證的無線解決方案。該公司亞太區策略行銷總監曹介龍(圖2)表示,嵌入式無線領域是愛特梅爾微控制器策略的重點關注領域之一,因此除了ZigBee與微控制器的整合方案外,愛特梅爾也注意到Wi-Fi和藍牙功能在嵌入式系統中的重要性不斷增加,因此該公司也將與Wi-Fi和藍牙解決方案供應商緊密合作,在其AVR和安謀國際(ARM)微控制器產品系列中,提供成功嵌入這些功能的低功耗和高性能解決方案。

分散式處理架構推升32位元MCU成長

另一方面,為減少目前行動裝置主處理器的負擔,搭配微控制器的分散式處理(Distributed Processing)架構設計也逐漸風行,包括德州儀器、飛思卡爾皆有相似的產品計畫。

德州儀器MCU/DSPS產品亞洲區市場開發行銷經理蕭志盛表示,OMAP4與2012年將推出的OMAP5分別搭配德州儀器Cortex-M3與M4微控制器,這樣的做法可降低功耗,並提高處理器效能,因此已成為大勢所趨。

圖3 美普思產品行銷經理Ian Anderton指出,32位元微控制器持續整合許多周邊功能,在此趨勢下,未來微控制器將整合高階微處理器才能具備的最新通訊介面。
在市場提供MIPS32 M4K和M14K微控制器核心系列的美普思(MIPS)產品行銷經理Ian Anderton(圖3)指出,分散式處理架構正廣泛應用在行動設計中,特別是用來卸載主要處理器的工作負荷,使其能因應日益增加的數據處理量,如從3G提升為4G、更複雜的繪圖使用者介面、更多的連結性,以及在非手機應用中日漸普及的行動功能。而所有美普思處理器都是可合成、不受製程限制的處理器核心,可移植到各種標準單元技術與單元庫中。

此外,M14K/c核心具備高度可擴充性設計,包含與美普思架構相容的協同處理器介面和標準匯流排介面(AHB),能減少多重處理器系統設計的整合與開發工作。更重要的是,M14K/c核心可提供被稱為CorExtend的匯流排擴展,能讓系統設計人員開發自訂邏輯與指令集,以提供至主處理器子系統邏輯的最佳化連接。Anderton透露,日前,宏暘科技已宣布獲得M4K核心授權,將用來開發行動電視系統單晶片;瑞銘科技也取得M14Kc核心,將用來開發鎖定行動和無線寬頻應用的系統單晶片。

舊系統效能全面升級 32位元MCU大顯身手

過去8位元微控制器即可游刃有餘的應用系統設計,隨著新功能不斷的加入,如更貼近消費者使用狀況的人機介面等,導致系統處理的資料量變得更加龐大,此時8位元微控制器的效能將顯得捉襟見肘,促使效能更佳的32位元微控制器有一展長才的機會。

圖4 左起為新唐科技微控產品中心協理林任烈、微控產品行銷企劃一部部經理黃日安
新唐科技微控產品中心協理林任烈(圖4左)表示,現階段,各種應用系統中的操作介面訴求越發人性化,以提供消費者更佳的使用經驗。其中,觸控技術則最受歡迎,舉凡家電、智慧型手機、平板裝置(Tablet Device)等皆逐漸將觸控功能納入標準配備。為能快速反應手指動作,除了主處理器須要提升效能外,周邊效能也須要有所精進才能搭配得宜;隨著微控制器所須處理的訊號資料變多、也須快速的分析資訊並做出反應,因此8位元微控制器相形見絀,也讓32位元微控制器可大舉進入市場。

另一方面,除了人機介面的再升級外,工控與消費性電子現有的系統也不斷改善性能,也造就許多廠商開始從8位元轉向採用32位元微控制器。林任烈認為,應用系統效能的提升,加深系統開發業者轉用32位元微控制器的興趣,但更重要的是,8位元微控制器的8051架構如何順利移轉至32位元,也是廠商大量改採32位元微控制器的重要考量。

據了解,安謀國際推出第一顆微控制器核心Cortex-M3時,由於架構設計與8051的鴻溝很深,導致欲從8051架構轉移至32位元Cortex-M3微控制器時,門檻相當高。為進一步解決此問題,安謀國際因而推出Cortex-M0核心。新唐科技微控產品行銷企劃一部部經理黃日安(圖4右)指出,Cortex-M0可為安謀國際第一顆以微控制器設計架構為出發點的核心,不但縮小與8051的設計架構的差異,透過8051架構常用的C語言即可進行32位元微控制器的開發;在現有的軟體與平台可順利移植的狀況下,自然提升工程師由8051微控制器升級至32位元微控制器的意願。

為跟上32位元微控制器市場潮流,新唐科技也領先台灣微控制器業者,率先推出Cortex-M0核心的32位元微控制器產品。黃日安表示,新唐科技擁有20年8051架構研發經驗,且具備研發ARM7、ARM9核心產品的能力,再加上由8051轉移至Cortex-M0門檻較低,因此2009年該公司授權Cortex-M0核心後,半年內即後推出第一顆32位元產品,成為台灣首家推出32位元微控制器的廠商。

中國大陸挹注32位元MCU成長動能

除聯網與各種微控制器應用的升級讓32位元微控制器有更大的發展外,若以地區來看,中國大陸與新興國家的發展建設,也直接帶動32位元微控制器產品的市場需求。根據IHS iSuppli的研究,由於工業領域和消費性應用的強勁增長,中國大陸微控制器市場規模,預計自2010年的28億美元增長到2015年的47億美元。

微控制器業者咸認為,中國大陸與新興國家由於各項建設正在發生,因此對於微控制器的需求也相對提高,即便目前多以8位元微控制器為主,但隨著中國大陸各項先進建設的政策不斷落實,未來勢必導入32位元微控制器。

在新興應用與區域市場的帶動下,32位元微控制器主流地位已然確立,相關業者也積極布局市場。未來32位元微控制器產品發展與策略將是廠商決勝市場的關鍵。

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