安謀國際IP推波助瀾　微控制器邁向多核心架構

根據IC Insights的預估，2010年整體微控制器(MCU)市場約有124億零800萬美元的規模，而2011年時微控制器市場將達140億美元，年成長率達13%，其中32位元微控制器的產值已正式超越4與8位元產值，未來幾年，32位元的市場成長將更迅速。市調機構Semicast Research則表示，安謀國際(ARM)將會在2011年成為32位元微控制器架構領導者，領先既有的Power和x86架構。

無論廠商針對x86架構如何增加新功能，終究無法避免此架構最多僅可達8位元微控制器的效能，市場版圖有所局限，微控制器廠商遂將目光轉向16與32位元微控制器。不過，安謀國際宣布進軍微控制器市場後，高效能且易於設計的32位元微控制器核心迅速橫掃市場，導致16位元微控制器已無市場立足之地。

而較早投入32位元微控制器的廠商，包含瑞薩電子(Renesas Electronics)、飛思卡爾(Freescale)、意法半導體(STMicroelectronics)等，早期多是採用包括Power架構，瑞薩電子則是採用SH的精簡指令集運算(RISC)架構。自安謀國際Cortex-M系列核心推出以來，除了瑞薩電子之外，各微控制器廠商為了不輸在起跑點，也紛紛宣布採用安謀國際微控制器IP核心，各自發展32位元微控制器產品。

而為更加提高32位元微控制器效能以迎合需求與拉大市場區隔，廠商各自展現巧思，如近期多核心32位元微控制器問世，進逼低階數位訊號處理器(DSP)市場，另外，16位元微控制器也透過提升性價比的方式，試圖穩固市場地位。

馬達控制/音訊處理需求增　雙核心MCU崛起

儘管32位元微控制器已足以應付現階段各種聯網、工業、消費性電子等應用領域的需求，但在更高階的應用中，包括馬達控制與嵌入式音訊，由於需要更高的運算速率，雙核心架構的微控制器遂應運而生。

圖1　恩智浦資深協理梅潤平表示，該公司有能力推出雙核心微控制器的主要原因在於擁有完整的Cortex-M系列研發基礎。

以目前32位元微控制器最普遍使用的安謀國際Cortex-M系列來看，效能表現由低到高依序為Cortex-M0、Cortex-M3與最新的Cortex-M4，其中，Cortex-M0可涵蓋高階8位元與16位元微控制器市場；Cortex-M4由於具備浮點運算功能，因此還可進一步取代低階與中階DSP。恩智浦(NXP)資深協理梅潤平(圖1)表示，雖然Cortex-M4為目前運算效能最佳的微控制器核心，不過在面對更高階的運算需求時，如何使Cortex-M4核心專注於運算功能的展現，而不會將運算能力分散至其他周邊的控制，即須仰賴雙核心微控制器。

梅潤平指出，工業領域中的馬達控制與音訊串流處理兩大應用為驅動雙核心微控制器發展的動力，此外，液晶顯示器(LCD)亦可透過雙核心微控制器減少成本的支出。恩智浦單晶片微控制器資深主任應用工程師劉俊宏補充，目前液晶電視所須處理的資料量越來越大，傳統的處理路徑須先經由處理器外部的周邊處理後，再進到中央處理器(CPU)，最後才交由LCD控制器。這樣的資料處理方法，處理器須內建較大儲存容量的靜態隨機存取記憶體(SRAM)，成本因此提高不少，若採用雙核心微控制器與其內建的串列周邊介面(SPI)，影音資料在處理器內部即可處理完畢，並可降低SRAM的容量需求。

看準雙核心微控制器將成未來大勢所趨，恩智浦推出業界第一顆整合Cortex-M4與M0的微控制器品系列，梅潤平表示，整合Cortex-M4與M0的目的並非M4效能不足，而是透過M0核心分擔M4核心所須處理的子系統與周邊控制工作，M4即可專注於處理音訊、影像、數位訊號與馬達控制等較複雜的工作，可更進一步提升微控制器的效能。

性價比再提升　微控制器混合式IP核心竄起

市場遭受8位元與32位元微控制器兩面夾擊的16位元微控制器，在安謀國際推出Cortex-M系列核心後，情況更為加劇，不但16位元微控制器市場逐漸被蠶食，高階8位元微控制器也岌岌可危。為進一步兼顧16位元微控制器的效能與功耗，瑞薩電子融合既有的8位元核心，發布新一代16位元微控制器RL78 IP核心，積極突圍。

圖2　右起為瑞薩電子微控制器事業部總括部長川下智惠、副總括部長市川正臣、微控制器第三事業部長坪井俊秀

瑞薩電子微控制器事業部總括部長川下智惠(圖2右)表示，RL78核心是結合瑞薩電子既有8位元核心78K與R8C優點的IP核心，與目前市面上其他競爭產品最大的不同是，RL78不僅僅利用封裝方式整合兩顆獨立的IP，而是汲取兩個核心最精華的效能與低功耗特色，再融合而成的新核心，因此具備78K的高效能與R8C低功耗的雙重優勢。而此新核心也將以開發16位元微控制器產品為主，採用130奈米(nm)製程。由瑞薩電子的測試資料可發現，以此新核心開發的16位元微控制器，在效能表現上較安謀國際Cortex-M0為核心的32位元微控制器來得好，可見16位元微控制也能媲美32位元微控制器。

2010年4月1日與NEC電子合併後的瑞薩電子正式成立，川下智惠表示，RL78微控制器是在兩家公司合併之後，第一個採用整合平台的微控制器系列，並使用新的130奈米製程。RL78系列結合並延伸來自兩家合併企業先前的R8C與78K 8位元及16位元微控制器技術，有助於降低整體系統耗電量，提供更多種類的產品，並協助開發人員降低整體系統成本，RL78系列的開發是為了滿足8位元與16位元MCU市場所預期的未來需求。

此外，川下智惠估計，2011年瑞薩電子將以新的RL78核心，開發七百個微控制產品，此一系列16位元微控制器將以可攜式裝置為主要應用，涵蓋手機、類iPad與可攜式血壓、心跳監控裝置。也由於該16位元微控制器核心的主應用在可攜式裝置，因此也具備低功耗特色，川下智惠強調，新產品全速運作時僅需70微安培(μA)電流；而在待機模式下也只需0.7微安培，因此可滿足可攜式裝置電池續航力的要求。此IP核心開發的16位元微控制器，內建1K～512KB的記憶體，毋須採用額外的振盪器，也可進一步減少物料清單(BOM)成本。

針對目前16位元發展空間已逐漸縮小，何以瑞薩電子仍積極發展16位元微控制器，川下智惠解釋，瑞薩電子既有的高階32位元U850、SuperH、中階Rx、低階的78K與R8C等五個核心，所開發出的微控制器產品，已受到許多客戶的青睞，也讓該公司在8～32位元微控制器的市場獨占鼇頭，無論8、16或32位元的微控制器，瑞薩電子市占皆為第一，因此瑞薩電子並不受限於市場態勢而影響微控制器的研發計畫，而是思考如何持續推出更有競爭力的產品，以維持瑞薩電子在微控制器市場的領先地位，更何況瑞薩電子16位元核心即較安謀國際Cortex-M0佳，足可證明瑞薩在微控制器研發能力。未來，瑞薩電子也將進行其他既有核心融合的開發工作。

多核心架構大勢所趨

圖3　右起為意法半導體全球微控制器產品行銷經理Renaud Bouzereau、台灣區微控制器產品行銷經理楊正廉

針對多核心微控制器的發展，意法半導體(STMicroelectronics)微控制器產品行銷經理楊正廉(圖3左)表示，在非常高階的音訊系統中，的確需要多核心微控制器才足以支援，事實上，此種多核心微控制器的效能已直逼DSP，意法半導體正在評估市場發展與客戶的需求，一旦應用市場興起，意法半導體也將不會缺席多核心微控制器產品的發展。

至於瑞薩電子的混合式IP微控制器產品，楊正廉則認為，瑞薩電子在微控制器的市場地位使該公司可以混合式IP微控制器展現其技術能力，驅動客戶改變微控制器使用模式與應用市場，此種市場定位與意法半導體不同，意法半導體仍是以客戶需求為導向，順應市場趨勢而推出各種微控制器產品，例如近期發表的Cortex-M0核心的微控制器產品即為一例。

意法半導體跨入M0核心開發

事實上，意法半導體致力開展Cortex-M3核心的微控制器時，曾明確表示該公司不會跨足Cortex-M0核心產品的研發，原因在於該公司STM32微控制器系列最低階的產品在價格上已接近Cortex-M0，效能卻較Cortex-M0高。不過，為落實符合市場需求的目標，意法半導體也發布Cortex-M0微控器產品系列。

意法半導體全球微控制器產品行銷經理Renaud Bouzereau(圖3右)表示，先前意法半導體8位元與32位元微控制器主打STM8與STM32系列，其中STM32系列的最低階產品在成本上與STM8略有重疊，因此意法半導體決定將此重疊的區塊以Cortex-M0核心的產品替代，預計2011年推出樣品，一方面符合客戶要求，一方面結合既有的Cortex-M3、M4微控制器，意法半導體32位元微控制器產品也將更加完整。未來，基於Cortex-M0與M4的STM32系列微控制器，將擴大成為意法半導體32位元微控制器產品陣容的主力，滿足所有32位元微控制器應用對性能、功能及成本的要求。楊正廉強調，根據iSuppli的統計資料顯示，2009年整體微控制器市場中，意法半導體排名第五，隨著2010年意法半導體持續推展Cortex-M3微控制器產品，再加上Cortex-M0與M4產品線的加入，2010年的排名中，意法半導體可望再往上升一名。

雖然如此，既有的Cortex-M3產品，意法半導體仍持續發展，該公司也新推出可發揮Cortex-M3核心性能的STM32 F-2系列。Bouzereau表示，F-2系列是STM32平台新增的主要產品，進一步加強意法半導體在Cortex-M3微控制器市場的地位。而該公司90奈米製程和自適應實時記憶體加速器(ART Accelerator)的成功開發，可實現處理器與記憶體之間的互動最佳化及快閃記憶體代碼執行的零等待狀態，可將Cortex-M3架構的處理性能發揮到極致。舉例而言，當以120MHz頻率從快閃記憶體執行代碼時，STM32 F-2微控制器的處理性能可達150Dhrystone MIPS，這是Cortex-M3處理器在這個頻率下的最高性能。

Bouzereau並援引CoreMark測試結果說明，當從快閃記憶體執行代碼時，F-2的動態功耗為188μA/MHz，相當於在120MHz時消耗22.5毫安培(mA)電流。除內建現有Cortex-M3微控制器市場上最大容量的快閃記憶體外，新系列還加強對視訊影像、網通介面、安全功能、音效和控制應用的支援。

楊正廉補充，目前已有二十多家客戶開始採用STM32 F-2系列微控制器，並提高其新產品的產量。可見，為符合市場對更高效能微處理器的需求，廠商無不使出渾身解數，以期擴大市占。