在物聯網的應用需求之下，高效能、低耗電成為MCU解決方案供應商最主要的技術指標。另外，因應未來海量終端節點建置，必須要提供更多低價、高整合度的晶片，包括感測器、通訊模組都有與MCU整合的趨勢，也帶來了一些設計挑戰。
物聯網(IoT)與現有技術或應用相較，最大的不同就在於通訊，過去未互相連結的電子產品，加上通訊功能，變成一個更大的網路，某些應用又搭載感測器以便蒐集環境資訊，並且在所有終端節點上，都先將訊息做過簡單的處理，再傳到雲端做整合。在這樣的過程中產生許多新興的應用與發展，而從技術角度來看，過去單獨存在的元件也因應新的趨勢而產生技術升級的需求。
在物聯網興起之前，MCU應用在電子產品中，多半是扮演簡單的控制功能，在萬物相連的物聯網時代，為了傳送溝通訊息，MCU除了控制之外也被要求提升處理能力，同時在運作的過程中有些節點並無法長時連接電源，在希望延長運作週期的前提下，省電也是另一個重點，因此高效能、低耗電就成為MCU未來發展的兩大重點。
物聯網的市場大餅讓科技業摩拳擦掌，也因為預期市場規模驚人，所以提供晶片設計架構的IP授權商，因應這個趨勢持續發表更適合物聯網應用的架構；另外，MCU廠商針對海量終端節點建置需求，也提出更簡便解決方案，如MCU整合通訊、感測等功能的單晶片。
物聯網帶動MCU架構變革
從行動通訊產業興起以來，高效能、低耗電就成為半導體業追求的目標，一直到物聯網時代，這兩大目標也還是技術要求的重點，因為省電的特性而隨行動通訊產業興起的IP供應商安謀國際(ARM)，原來就有訴求MCU應用的Cortex-M系列，不過因應物聯網的發展，也升級新的架構，除在效能與省電特性上進一步強化之外，同時也引領MCU的設計進入平台化系統考量。
針對不同領域最佳化，ARM在2015年底正式發表嵌入式應用的ARMv8-M架構(圖1)，ARM應用工程師陳建嘉表示，ARMv8-M是基於ARMv8指令集延伸的新版本，強調將具高安全性的Trust Zone帶到微控制器領域，藉TrustZone技術使資料區建立獨立的安全(Trusted)和一般(Non-trusted)模式，在物聯網盛行、對安全性要求越來越高的情況下，提供更高的安全層級。
 |
| 圖1 ARM針對物聯網應用推出的ARM v8-M架構 |
同時ARM也強調藉由其可擴充性，開發者可將基於ARMv8-A的Cortex-A架構以及基於ARMv8-M的Cortex-M架構整合成高性能的SoC，可符合物聯網多樣性的需求打造合適的處理器。目前Cortex-M架構，依照市場需求區隔成M0至M4與M7的等級，Cortex-M0主打初階8/16位元應用，Cortex-M3主打中階的16/32位元應用，Cortex-M4主打高階32位元與數位信號控制(DSC)應用，而Cortex-M7則專注於高階自動化生產。
另外，ARM針對物聯網終端節點要求十年電力續航的需求，也進一步導入低電壓設計，陳建嘉強調，降低電壓可以直接減少電力消耗，另外也加強休眠功能，將待機時間電力消耗降到最低，在聯網需要的時候又可以很快喚醒裝置，有效延長電池續航力。
另外，台灣自力發展處理器核心的晶心科技，多年來就致力於高效能低耗電的處理器架構，針對物聯網的發展，晶心科技總經理林志明(圖2)說明，晶心的核心IP經過多年的發展，以效能為區分，從低階到高階都有，因應不同的需求又發展了幾個整合性的架構，有整合DSP的D10、整合安全功能的S8與提供客戶訂製功能的E8核心。
 |
| 圖2 晶心科技總經理林志明表示，晶心的核心IP經過多年的發展，以效能為區分，從低階到高階一應俱全。 |
物聯網應用中因為需要傳遞訊息，所以安全機制很重要，不僅要保護訊息不被任意擷取，也要確保網路暢通不被阻斷服務攻擊，針對ARM的新架構，林志明強調，晶心在技術發展上也並未落後於可敬的對手，同級產品與ARM相較，平均都有15％的效能優勢與10％的晶片核心尺寸縮減，同時也發展平台化設計，期待能在物聯網的汽車、人工智慧/深度學習、機器視覺等應用有所發揮。
高整合與彈性設計趨勢
而為了加速物聯網終端的研發時間與整合效益，產品開發者也嘗試尋找更高整合度的微控制器方案，透過針對IoT應用優化的整合架構，快速因應需求調整開發架構，ARM跟晶心都把安全功能率先整合到架構中。在物聯網的應用中，必要的功能會很快進行整合，然而為保持設計彈性，部分功能整合不會那麼快發生，ST大中華暨南亞區資深產品行銷經理楊正廉說明，特定功能整合現階段採用模組方式比較適當。
以廠商的解決方案來看，省電是很主要的訴求之一：比如愛特梅爾(Atmel)的picoPower超低耗電技術，可以做到電壓降到1.62V時，所有MCU內部元件仍可正常運作。另外，飛思卡爾(Freescale)的Kinetis產品L系列，其VLPR(Very Low Power Run)模式可做到每MHz只耗39μA(微安)。芯科(Silicon Labs)的EFM32系列低功耗技術，可以讓32MHz、3V的MCU只耗費150μA/MHz的電量，待機模式下維持RAM、CPU、RTC的電力只耗900nA(奈安)，shutoff模式更低於20nA，以這樣的模式，使用典型的3V鈕扣電池，可以提升到300％或者七年的使用壽命。
只是現有物聯網終端硬體平台，選用微控制器大多已有基本的功耗優化處理，除非更新製程或改用超低功耗設計的核心運算架構新元件，否則能再優化整體運算功耗的空間相當有限，反而是物聯網應用必備的聯網模組，因為RF收發器本身就是相對耗能較高的功能區塊，除非在設計架構導入相對節能的低功耗無線傳輸架構，否則能壓低的整體系統功耗表現相當有限，而在物聯網終端設計中，無線收發功能模組已是優化整體效能、功耗的重要方向。
目前較為業界關注的低耗能通訊傳輸技術有ZigBee跟Bluetooth Smart進階低功耗優化整合架構，達到僅用電池電力來源便可驅動物聯網前端終端系統、維持長時間監測反饋擷取數據的物聯網應用系統底層需求。Bluetooth Smart的進階低功耗優化整合架構訴求兼顧硬體成本、終端系統效能、基礎物聯網監控設備互聯的低功耗網路架構支援等特點。
感測器(Sensor)是另外一個未來會被大量應用在物聯網終端的元件，尤其是物聯網應用必須在投放感測點或是感測終端達到一定數量後，才能顯著發揮實際物聯網應用效益。例如居家監控物聯網應用，就可在家庭對外的主要出入口部署數位門鎖、對外窗戶部署震動與環境感測器、廚房/臥室/起居室等不同空間部署環境感測器，再搭配可對應家電控制的物聯網終端串連整體家庭的智慧設備，搭配節能、保全、智慧應用情境等不同服務架構思考，光是物聯網終端數量在單一智慧家庭整合就會有數十甚至近百個感測終端需要部署。
在一個小範圍中裝置這麼多感測器，所以無所不在的感測器與MCU也才有技術整合的呼聲，楊正廉指出目前已經建置的相關應用中，還沒有這麼多感測器的實際建置，所以目前適用模組的方式處理，未來在市場用應用發展更為成熟的狀況下，應該會將感測器與MCU整合成SoC或單晶片，以降低成本、體積或耗電量。