海納通訊技術百川　32位元MCU聯網整合賽起跑

一度因為價格高不可攀，只有高階終端產品才負擔得起的32位元微控制器(MCU)，隨著技術的成熟，如今其價格已經下殺到與高階8位元微控制器類似的水準。  

在低價格策略奏效，成功打開32位元MCU的應用市場後，各家應用商已紛紛開始思考該如何在MCU平台上進行加值整合，以在價格競爭力之外創造出新的產品賣點。而各種高速序列通訊技術，以及廣受各方關注的射頻通訊整合，遂成為業界目前最熱門的話題。  

供應商加碼　乙太網路/USB成MCU新賣點  

圖1　意法半導體產品行銷經理楊正廉認為，即便市場上同樣以ARM核心為基礎的MCU解決方案多如過江之鯽，不同供應商還是有創造產品差異化的空間。

意法半導體(ST)產品行銷經理楊正廉(圖1)認為，MCU市場除了運算核心效能不斷提升的趨勢不變外，近年來供應商在這塊市場上的產品功能組合也比以往更為多樣化。例如標榜低功耗與通訊導向的MCU產品，便是目前各家供應商大舉布局的新重點市場。  

楊正廉進一步指出，事實上，MCU元件在系統中所扮演的角色，已從純粹提供控制功能演變成集運算、控制與通訊於一身的核心元件。不管是訴求高效能還是超低功耗的MCU，都必須整合正確的通訊技術組合，客戶才會樂意採用。因此，MCU供應商在通訊周邊功能部分，也不斷加碼投入，從4/8位元時代的I2C介面，到後來的控制器區域網路(CAN)、區域互連網路(LIN)，以至於目前在32位元MCU市場上最流行的通用序列匯流排(USB)、乙太網路等，MCU的通訊功能日益強化，已是擋不住的潮流。他相信，像USB、乙太網路等目前在MCU應用上還相當新穎的通訊技術，有朝一日也會跟I2C、CAN一樣，變成MCU的標準配備。  

的確，環顧目前市場上32位元MCU供應商的產品線組合，除了各家供應商對USB介面的支援程度還略有差異之外，幾乎各家公司均已推出支援10/100M乙太網路功能的產品，部分供應商甚至將此一通訊技術向下延伸到高階8位元產品線，顯示高速序列通訊技術已成為MCU供應商普遍用來爭取客戶青睞的招牌之一。  

但即便USB、乙太網路等通訊周邊功能成為MCU產品的標準配備，各家MCU供應商針對其鎖定的應用市場區隔，還是可以添加某些新的元素，來創造產品差異化。楊正廉透露，目前在32位元MCU市場上，控制器搭配乙太網路媒體存取控制器(MAC)是目前最熱門的組合之一，但各家MCU供應商所推出的產品對乙太網技術的支援依然有些差異，例如某些鎖定消費性應用市場的MCU產品，其乙太網路功能就不須要考慮到對即時乙太網路(Realtime Ethernet)的支援性；但若是以工業通訊為目標市場的32位元微控制器，其乙太網路功能就必須支援IEEE 1588時脈同步功能，才能允許客戶在MCU硬體平台上運行ProfiNet、EtherCAT等即時乙太網路通訊協定。  

事實上，除了意法半導體之外，近日甫被德州儀器(TI)收購的32位元MCU供應商Luminary，也是ARM陣營在各種工業應用中一顆閃亮的明星，其產品線的特色之一，也在於完整涵蓋USB、乙太網路、IEEE 1588等通訊介面支援。許多關注MCU市場發展的分析師認為，德州儀器購併Luminary之後，由於Luminary的產品線與德州儀器既有的32位元產品線間，互補關係大於競爭關係，因此將有助德州儀器提升其在32位元微控制器市場上的競爭力。  

可攜式應用當道　低功耗32位元MCU乘勢崛起  

除了持續整合各種序列通訊介面，以提升MCU對外收發資料的速度外，有鑑於可攜式設計在各應用市場上蔚然成風，MCU供應商針對這類以電池供電的系統設計需求，也紛紛推出各種標榜具備超低功耗的解決方案，其中有不少元件供應商甚至宣稱其MCU可以鈕扣水銀電池維持系統運作達數年之久。  

圖2　恩智浦資深主任應用工程師劉俊宏指出，節能減碳是不可檔的潮流，MCU本身的低攻耗特性也日益受到市場重視。

恩智浦半導體(NXP)資深主任應用工程師劉俊宏(圖2)指出，在節能減碳的風潮下，任何電子元件都必須在兼顧效能的前提下，盡可能降低功耗，MCU也不例外。事實上，早從8位元8051 MCU時代開始，MCU市場上就一直有以低功耗為主要訴求的產品區隔，其應用領域遍及可攜式裝置、手持式銷售點(POS)設備到自動讀表(AMR)等。且此一趨勢隨著市場走向32位元時代，以及半導體製程不斷精進的影響下，更成為各家MCU供應商彼此競爭的重點項目。  

安謀國際(ARM)持續在CPU核心的設計上做出改良，並從系統級的角度來思考MCU功耗最佳化，也是促成32位元MCU功耗不斷降低的關鍵。  

圖3　安謀國際台灣分公司總經理呂鴻祥表示，ARM將嵌入式控制領域視為該公司未來的成長動力來源之一，因此投入大量資源來建立完整的授權方案產品線。

安謀國際台灣分公司總經理呂鴻祥(圖3)表示，對MCU應用而言，CPU核心的功耗、成本與效能無疑是硬體面的三項指標性規格，也是晶片製造商選擇CPU核心來源時的重要評估指標。ARM在新推出的CPU核心系列中，特別把CPU的實作閘極數壓低到一萬二千閘，便是為了追求成本與功耗的最佳化。  

此外，如中斷的改良、CPU核心與周邊裝置互連接，甚至嵌入式記憶體架構等影響MCU整體功耗的因素，安謀國際也投下大量資源進行研發創新。事實上，安謀國際早就已經不只是一家CPU核心架構的授權商，而是有能力提供給晶片製造商完整矽智財(IP)的解決方案供應者。  

除了安謀國際陣營在低功耗領域屢有進展外，其他採用自有架構的MCU供應商，也在降低功耗方面頗有斬獲。  

愛特梅爾(Atmel)AVR產品市場經理Kristian Saether指出，對於MCU供應商而言，要協助客戶達到降低系統功耗的目標，以滿足日益嚴苛的市場與法規要求，除了仰賴周邊整合之外，如何讓MCU所整合的周邊能更聰明地協同工作，降低CPU的運算負擔，才是達成降低系統功耗的釜底抽薪之計。  

事實上，在許多MCU的應用情境中，導入事件系統(Event System)的設計概念，以讓兩組或多組輸入/輸出(I/O)直接協同工作，不必增加CPU的運算負擔，或將CPU自休眠狀態中喚醒，將有助於降低MCU的系統功耗。但由於目前市場上已實作這類功能的解決方案仍不多見，因此這種設計理念對目前的MCU使用族群而言，還相對陌生，有賴供應商的市場教育人員努力推廣。不過Saether認為，這類猶如人體反射神經般的設計理念，將是MCU持續朝低功耗方向發展時不可或缺的元素，因此日後在低功耗MCU產品線上，各家供應商應會普遍擁戴這種架構。  

除了MCU本身朝低功耗發展發展外，值得一提的是，目前在MCU的應用情境中，有不少設計概念讓MCU發揮得更淋漓盡致，亦即利用MCU來進行運算分散，或是實作各種先進的馬達控制功能，以從系統層面降低整體功耗。  

這類應用多半見於如洗衣機、冰箱等內建馬達或壓縮機的白色家電產品。目前市場上許多標榜變頻馬達或變頻壓縮機的家電產品，其節能減碳的奧祕，就在於利用脈衝寬度調變(PWM)技術，以提升馬達等致動裝置的運作效率。  

無線化蓄勢待發　整合2.4GHz收發器將成新主流  

展望未來，MCU除了不斷整合各種高速有線通訊技術外，整合射頻收發器以提供各種無線連接能力，也是各家供應商共同看好的發展趨勢。據了解，已有不少MCU供應商啟動相關研發計畫，預計在未來1年內，市場上就會陸續看到整合射頻收發器與MCU功能的解決方案。  

楊正廉認為，在無線通訊應用幾乎已經無所不在的今日，MCU供應商考慮將射頻技術與MCU晶片整合在一起，是非常自然的發展方向。且隨著各種低功耗無線通訊技術陸續獲得市場肯定，相關應用的案例也越來越多，客戶在開發應用產品時，將無線通訊技術整合到系統中的需求也勢必隨之提升。對半導體供應商來說，市場需求越是殷切，推出整合式產品的誘因也越大。  

劉俊宏也認同上述看法，並進一步指出，MCU整合2.4GHz射頻收發器，肯定是目前業界各家供應商最想取得的技術突破。因為目前市場上運作在2.4GHz頻段的無線通訊技術種類繁多，如ZigBee、藍牙(Bluetooth)，乃至即將面世的低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)等，不是已在市場上擁有眾多應用實例，就是其發展潛力廣受各方看好。若MCU供應商能提供內建2.4GHz收發器、通用型MCU和足夠嵌入式記憶體容量的解決方案，就能夠協助客戶實現極高整合度的設計，從而掌握可觀的商機。  

圖4　微芯高效能微控制器部門產品行銷經理Clayton Pillion認為，雖然射頻MCU從概念走向實際產品，仍有許多挑戰尚待克服，但其市場發展潛力相當誘人。

然而，上述各種無線通訊技術，其實已存在相當長一段時間，其應用市場也早已蓬勃發展，為何MCU整合無線通訊技術的腳步相對遲緩？微芯(Microchip)高效能微控制器部門產品行銷經理Clayton Pillion(圖4)指出，整合的設計挑戰仍是最重要的原因。此外，解決方案的性價比能否比現行的微型模組更有競爭力，也是關鍵之一，畢竟這類模組在市場上已行之有年，其價格亦已相當有競爭力。  

Pillion進一步闡釋，為了提升解決方案的性價比，MCU內建的記憶體容量將是關鍵。供應商一定要精準估算出客戶的應用需要的記憶體容量，並針對其需求推出最正確的組合，才能讓客戶的每一分錢都花在刀口上。舉例來說，使用2.4GHz頻段的通訊技術可說是族繁不及備載，從產業標準到各種獨特協定都有，每種不同的通訊協定，其記憶體占用空間都不同。MCU供應商若要提供最有成本競爭力的產品，勢必針對不同的通訊技術提供不同的解決方案。這樣一來，一款元件的總體市場規模勢必會受到限縮。因此微芯認為，射頻微控制器的概念固然是未來的發展主流，但對應到實際的市場狀況，目前這類產品猶如鳳毛麟角，也就不足為奇了。  

找對應用將是射頻MCU發展關鍵  

因此，找到一個規模龐大的單一市場，將是MCU供應商在整合射頻收發器前，必須先做好的市場研究功課。各家供應商也很有默契地認為，自動讀表與射頻遙控器將是最有可能帶動射頻MCU這類產品蓬勃發展的火車頭。  

劉俊宏指出，在節能減碳的觀念漸漸深入一般消費者的心目中，以及各國政府紛紛推動綠色新政的帶動下，水表、電表與瓦斯表等設備電子化、聯網化的趨勢，已經是勢不可當，也連帶使得其所使用的MCU種類從原本僅限於8位元向上提升到32位元。  

因為新一代水電表不只須具備計量功能，還必須能連上網路，提供後端營運業者對應的數據資料；有些更進階的量表裝置甚至具備基本的數據分析能力與顯示螢幕，讓使用者可以一目了然地知道自己的水電、瓦斯使用習慣，並據此改變自己的生活習慣。  

事實上，對照微軟(Microsoft)與Google近來紛紛在其雲端平台上推出家庭能源使用分析這類服務或功能，便可得知量表電子化與聯網化的趨勢已逐漸成形。家家戶戶必備的水、電與瓦斯表，市場規模數以千萬計，即便是採用封閉的無線通訊標準，都能提供龐大的利基，更何況此一領域的相關供應商採用產業標準的呼聲，正日益高漲中。  

Pillion也表示，展望未來，帶動32位元MCU市場發展，甚至讓射頻微控制器從概念走向商品化階段的最大動力來源之一，就在各種讀表自動化應用。因為這類應用所使用的MCU必須具備先進的圖形顯示能力，同時還必須能迅速處理各種感測器所傳來的大量數據資料，因此除核心運算能力必須大幅提升外，系統本地端的I/O速度也必須快速提升，更要能支援網際網路通訊協定(IP)，不管是目前已經存在的乙太網路，或是日後可能崛起的無線網路。  

射頻遙控器則是普遍為各家產品線涵蓋MCU與2.4GHz射頻收發器的供應商所看好的另一個市場。劉俊宏認為，在影音消費性電子市場上，早在ZigBee/RF4CE標準出爐之前，就已經有不少領導品牌推出使用2.4GHz射頻技術來取代紅外線的遙控器裝置。而在這些領導品牌的支持下所形成的RF4CE標準確立後，以往特殊規格各據山頭的射頻遙控器市場，即將進入大一統的時代。  

劉俊宏進一步指出，每年整體出貨量可達數千萬台的各種影音消費性電子產品，無疑是促成整合趨勢發展的最佳搖籃，且隨著射頻技術所帶來的雙向溝通功能，目前市場上已經有不少非常高階的遙控器產品設計，例如具備觸控螢幕與圖形化介面等功能的遙控器，均已陸續問世。這些先進功能就是32位元微控制器切入遙控器市場的最佳突破點。  

多點觸控開啟32位元MCU新應用  

在蘋果(Apple)iPhone掀起多點觸控風潮後，許多擁有電容式觸控技術的廠商均搭著這波熱潮而大發利市。令人出乎意料之外的是，除了專注於研發電容感測技術的公司理所當然地享受到豐碩的果實外，許多MCU供應商也搖身一變成為多點觸控概念股，例如愛特梅爾、賽普拉斯(Cypress)、微芯與義隆電子等。  

愛特梅爾全球行銷總監Clive Oven表示，人機介面裝置(HID)本來就是微控制器的主力應用市場之一，因此對MCU供應商而言，這波多點觸控風潮所引發的人機介面設計革命，可說是發生在自家地盤的一樁大事，自然不可能白白放過這波商機。  

且對於MCU供應商而言，多點觸控技術未嘗不是帶動人機介面裝置從8位元微控制器升級到32位元的契機之一，因為電容式多點觸控技術的感應器將產生大量資料，與32位元微控制器正好是理想組合。  

事實上，在某些更高階的應用情境，如迷你筆記型電腦所使用的多點觸控螢幕解決方案等，除了CPU核心之外，還有再額外添加數位訊號處理電路，使其功能更加先進的空間。因此，有些業界分析機構將觸控感應方案從通用型MCU中獨立出來，成為一種獨立的產品類型來看待，但是從MCU供應商角度來看，其實彼此之間有很密切的關係。因此愛特梅爾在產品策略上，一方面會利用購併自量研科技(Quantum)的電容觸控技術發展各種專用元件外，也會把電容觸控功能當成32位元MCU的一種周邊功能，將之整合到通用型MCU產品中。  

但通用型MCU的應用設計客戶是否普遍需要電容觸控功能呢？對此，Oven引用顧能(Gartner)的研究預測指出，電容性觸控螢幕和觸控按鈕的控制器市場預計將於2012年達到十三億組，年複合增長率高達44%。該市場能以如此驚人的速度成長，主要原因之一便在於觸控是一項潛在市場非常廣泛的技術。許多使用通用型MCU的應用產品，也有導入觸控技術的需求。  

相較於愛特梅爾直接購併量研科技，成為電容式觸控技術的主要解決方案供應商，微芯則採取廣泛押寶的經營策略，一方面購併有潛力的觸控感應廠商，另一方面也透過策略合作的方式，全面支持電阻、電容、電感等不同架構的觸控技術，以力求在各市場領域中均不缺席。  

麻雀雖小五臟俱全　MCU整合之路無止境  

相較於高效能處理器將所有電路資源運用在提升處理速度上的思考架構，MCU供應商在進行產品開發時，多年來均擁抱系統單晶片(SoC)的設計思維，以求在最經濟實惠的成本前提下，盡可能提供多元功能來滿足不同客戶的需求。  

這兩種設計理念的差異，也導致MCU供應商競相以整合更多周邊與通訊能力，作為自家的技術實力指標。從已經成為MCU業界標準配備的各種串列通訊介面，到目前各種高速序列介面與觸控感應，乃至廣受各方看好的2.4GHz無線MCU，供應商的整合大賽短時間內還不到落幕的時候。  

但不可諱言的是，在這次的專題採訪中，許多供應商均提及在金融海嘯的衝擊下，客戶對元件價格的敏感度更甚於以往的市場狀況。因此高度整合的方案雖然是供應商技術實力的展現，但仍須以市場需求為依歸。如何整合？何時整合？為誰整合？這三個問題恐將是所有MCU供應商永遠的習題。