物聯網開啟智慧商機 MCU技術全面進化
- 洪千惠
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在物聯網、車用電子、醫療...等智慧化市場的快速啟動下，MCU產業迎來過去少見的榮景，從供貨狀況就可得知目前市場狀況。從2017年開始，市場已然開始缺貨，大型MCU廠商的交貨期從過去的4個月延至6個月；在供不應求的態勢下，MCU價格也開始往上調升5%~10%。隨著各垂直產業智慧化腳步加快，未來MCU的需求將持續上揚，且除了市場量放大外，在技術方面也會不斷突破。
先從應用市場來看，目前工業、車用、家庭、消費性設備是MCU的四大主要應用市場，其中工業與車用領域的成長最快，從2017年起MCU開始缺貨的主因，就是因為多數大廠將產能轉往這兩大應用領域。
智慧化應用驅動MCU成長
MCU在工業領域的應用主要以馬達控制為主，馬達是製造設備的主要動力來源，透過MCU可以控制馬達轉速，進行準確定位。馬達可分四種，包括直流(DC)馬達、交流(AC)馬達、步進馬達與特殊用途馬達，其中又以直流馬達與交流馬達最常見，近年來環保意識抬頭，能量轉換效率較佳的直流馬達逐漸受到歐美國家重視，以外銷為主的台灣機械業者，其使用頻率逐漸攀高，因此直流馬達的控制已成為台灣廠商的設計重點。
目前應用於馬達控制的MCU，8位元與32位元都有，其中8位元主要是用於峰山之類的簡單控制，而較複雜如直流無刷、伺服馬達等，就會用到32位元MCU，不過即便是簡單的8位元MCU，其馬達控制也都會涉及霍爾效應感測、有刷無刷、單相三相與電壓電流功率等不同演算法，這些通常需要MCU廠商提供相關的技術支援。
在MCU產業，車用領域是僅次於消費性電子的第二大市場，在車用系統扮演核心處理器的ECU就是將MCU、CPU與各種I/O介面、定時/計數器整合為一，MCU雖然可分為4位元、8位元、16位元、32位元等四種層級，不過目前主流仍是8位元與32位元，在車用系統中也是如此。
8位元MCU在汽車系統中，主要是控制簡單的車體設備，像是照後鏡、車窗、空調等，需要高處理能力的剎車、安全氣囊等，過去以16位元MCU為主，不過隨著此等級MCU產品逐漸從市場淡出，現在車廠已多採32位元產品。此外近年來ADAS成為汽車產業的重要設計，多數車廠已在新車導入相關系統，各類型行車輔助或車載資通訊娛樂系統都會應用到32位元MCU。根據DIGITIMES Research指出，2017~2021年之間，全球車用MCU市場銷售額年複合平均成長率將達3%，而車用的32位元MCU年複合平均成長率將達6.6%，此一商機大開，讓多數MCU大廠的產能紛紛轉向，是造成市場上MCU缺貨的原因之一。
智慧家庭也是MCU近期發展的重要動力，根據Strategy Analytics研究指出，2020年智慧家庭將是全球物聯網最重要的應用場域。從架構面來看，智慧家庭主要採物聯網系統，將各家電產品與基礎設備連上家庭控制系統，再由使用者以觸控螢幕或語音等介面進行控制，因此MCU在其中的應用就可分為系統與家電設備兩部分。
先看家電部分，MCU在家電的應用已久，目前幾乎所有家電都有內建MCU，不過以往的家電只需簡單控制，因此4位元、8位元等級的MCU已然足夠，但近年來節能環保概念抬頭，家電開始採用較省電的直流無刷馬達，在此同時，現在家電功能走向複雜化，且智慧家庭控制系統需要有連網功能，因此32位元在此領域的應用漸廣。至於在家庭控制系統方面，無論是觸控螢幕或是語音識別，所需要的控制都更為繁複，尤其是近年來Amazon的Alexa帶動語音輔助平台，其語音和語意的識別都需要一定程度的處理能力，因此32位元MCU在此的應用大增。
效能、功耗、整合是主要技術趨勢
再就各MCU大廠的產品研發看技術面，目前MCU的主流設計趨勢包括高效能、低功耗、高整合等三大趨勢。在高效能方面，目前32位元已成為MCU主流，尤其近年來物聯網落地速度加快，更讓32位元MCU快速普及。
從價位來看，目前8位元與32位元的MCU價差已逐漸縮小，再加上運算效能都在100MHz以上，執行效能更佳。32位元MCU的核心多為ARM Cortex-M4到M7，可支援DSP與單精度浮點運算指令，時脈運算頻率也都可達400MHz，對於具備邊緣運算設計的物聯網來說相當適用。
另一趨勢則是低功耗，雖然低功耗一直是MCU的設計重點，不過在物聯網時代，這部分會進一步強化，尤其是依靠電池供電的行動裝置，低功耗幾乎是永無止盡的需求。
物聯網架構運作的第一步，是集結大量底層設備所傳輸的訊號，而這些底層設備往往散置在寬廣場域，無法布置供電線纜，而由於數量龐大，不可能耗費人力頻頻更換電池，對此低功耗設計就成為必然。針對這類型應用，多數廠商都提出了超低功耗的MCU產品，讓各感測節點與設備可維持長時間運作。
在高整合部分，由於物聯網的功能多元，單一設備必須盡可能將多數軟硬體整合進去，除了增加功能外，也可進一步降低系統的總材料成本。目前MCU的整合有幾個方向：在I/O介面，UART、USB、乙太網路等，都是常見的整合技術；其次則是加解密設計，過去主要是透過軟體運算，不過此一作法會加長系統的反應時間，運算時也會需要電能，因此現有廠商將之設計在硬體內，以硬體執行此功能，不但加快運算流程、降低功耗，硬體被破解的難度也較高，可提升安全性。
另一個整合趨勢則是無線技術，無線是物聯網系統中最重要的通訊方式，且其標準相當多，包括Wi-Fi、BLE、Thread、Zigbee等均是，過去的做法是讓MCU加上無線通訊模組，近來廠商則紛紛推出兩者整合的系統單晶片(SoC)，像是ST就有ARM Cortex-M0+與M4的雙核心MCU，另一大廠SILICON LABS則是推出具有雙模通訊設計的MCU產品，目前無線MCU已成為各大廠布局物聯網的重要產品策略，隨市場的逐漸放大，這類型產品種類與功能將會越來越多。
觀察MCU的發展趨勢，物聯網無疑是近期最重要的成長動力，此一趨勢不但帶動市場成長，同時也讓MCU的技術不斷往上突破，而從技術面觀察，高效能、低功耗、高整合將會是MCU最重要的設計方向，也會是系統與設備廠商選擇MCU的必要考量。
