節能趨勢下 32位元MCU有高效能更求低功耗

前言：MCU的未來，32位元MCU將是耀眼的明日之星，因此雖然眾家廠商仍沒有放棄8位元等目前主流市場，但是已經紛紛對32位元MCU加強研發，甚至連向來以8位元為主力的台廠，也都紛紛進軍研製，讓32位元MCU從過去的門可羅雀到今日已成戰國時代群雄並起，而決勝的關鍵，除了更佳的價格效能比，低功耗的每瓦效能比更越來越受到重視。

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絕大多數的32位元MCU被看好成為未來MCU成長動能的原因，在於效能較高，擴充性較強，這些優點都是IT產業技術演進的必然趨勢，但是在處理器的演進過程中，更高的效能往往代表更糟的功耗比以及更多的廢熱，而這兩點不但影響MCU終端產品的電池使用時間等性能表現，本身可能就有易過熱損壞等問題，因此32位元MCU在講求高效能時，幾乎都會強調更低功耗。

降低功耗這個議題乍看之下很簡單，因為有不少8位元MCU即講求超低功耗，在作法上，通常是採用效率較低的MCU達成，換言之運算速度沒那麼快，自然能夠降低功耗，但是將降低功耗這個議題針對32位元MCU，就比原本針對8位元的設計難度高很多，如32位元照8位元概念設計，可能也可以達到低功耗，但加入成本、周邊、尺寸與其他變數，原先的設計可能完全作廢，因此32位元的MCU如何降低功耗，實際上是一個相當新的問題。

MCU降低功耗設計 方法多條條大路通羅馬

低功耗MCU是一個無可逆的趨勢，但在設計上，是一個相當大的議題，並非一種作法出來就一體均沾，但都可以參考，再依照需求設計。低耗電MCU技術包括先進晶圓製程技術(可以降低電子的附生成分、材料、低電壓)，以3D晶片為最終極製程，也包括高密度cell設計(降低電子附生成分)、多核心CPU方案、低耗電控制迴路技術和先進組裝技術(小型封裝、Si)。低耗電控制迴路技術，在供電控制方面，在不活躍的情況下可以分迴路模式停止部分供電、依據不同的需求速度而改變供應電壓、隨裝置變化及溫度而供應適當的電壓、一般時刻都是供應低電壓和低電流，然而在極大負荷之下能自動轉為高電壓和高電流。

例如想達成高效的電壓轉換，現在的作法常用外部的調節器，但這個調節器幾乎就等於一個MCU、且佔用PCB空間，甚至MCU還必須耗能來管理它，合理的作法為MCU內的整合自動管理升壓調節器，不僅可以避免由外部調節器帶來的大多數成本和空間問題，而且相較採用外部DC-DC轉換器，還能提供更高的功效。相同作法在電流控制亦然。

還有一些細節常常被忽略，例如，目前數位邏輯電路中的功耗主要分為兩部份：漏電流和開關電流，32位元MCU的漏電流在目前的技術下，尚可忽略，但是開關電流可不一定，造成功耗的關鍵是開關瞬態，即一條訊號線上的每次狀態轉換都會或多或少地消耗一定能量。因而，降低狀態轉換的速度(降低時脈)可降低功耗。但如果MCU因此必須執行更長的時間才能降低時脈，可能更耗能，關鍵在於控制軟體的撰寫。

例如根據應用的不同，透過編譯可節省的指令週期數可能非常大。例如，一個滑鼠每秒鐘產生300次中斷，這些中斷會佔用處理器所有工作週期的不到1%。而一個靠中斷驅動且波特率為480,600bps的串列通訊埠每秒產生24,000個中斷。如果採用傳統每個中斷需42條指令週期(即168個時脈週期)來保存和恢復中斷背景的編譯器，那麼每秒中斷會佔用超過403萬2千個CPU週期，或可說會佔用一個20MHz PIC16之20%的可用週期。

而如果採用全面程式碼產生(omniscient code generation，OCG)技術的新型編譯器則能選擇性地只保存每個特定中斷所需的暫存器，則每個中斷平均只需21個指令週期(即84個時脈週期)，那麼CPU週期的佔用量會降低至201萬6千，在保存和恢復中斷背景資訊上節省一半的時脈週期，因而讓CPU得以將其工作週期的10%用於睡眠模式。假設CPU在工作模式下電流為10mA，睡眠模式下為1uA，那麼OCG編譯器就能將MCU的功耗降低約1mA，也就是10%。

各廠商節能設計例 現今節能需求觀察重點

安謀國際科技(ARM)
ARM的IP是許多MCU的基礎，因此ARM也推出可驅動新一代節能型MCU的超低功耗實體IP資料庫。ARM 0.18μm超低功耗資料庫(uLL)具備ARM Cortex處理器系列的內建電源管理優勢，結合台積電0.18μm嵌入式快閃記憶體 uLL/HDR「high data retention」製程，宣稱可協助系統單晶片(SoC)設計人員進一步降低功耗漏損，幅度可達0.18μm G實作的10倍。

ARM低功耗記憶體與超高密度標準元件資料庫適合以Cortex-M設定檔為基礎的處理器，而 ARM 電源管理套件(PMK)可進一步發揮節能的優點。PMK 資料庫可以多種方式大幅降低耗電，這些方式在多種電壓下皆可支援功能區塊動態運作，而功率閘極與隔離單元則支援休眠模式，並確保能夠快速喚醒。這些資料庫具備資料保留正反器 (data-retention flip-flops) 與隨時開機單元。偏移單元可提供反偏壓的連接，並且進一步減少漏損。所有的PMK資料庫都能夠達到最佳的節能效果。恩智浦半導體(NXP)即利用ARM架構設計出LPC1100系列MCU。

愛特梅爾(Atmel)
愛特梅爾推出的低功耗32位元快閃記憶體(Flash)微控制器，以Atmel的AVR 32 UC核心為基礎，在節能設計上，採用了三級管線型Harvard架構。該架構的專門設計可優化內建快閃記憶體的指令存取。

它號稱是首顆將單週期讀寫靜態記憶體(SRAM)與一個直接的CPU介面整合在一起的核心，這個CPU介面繞開了系統匯流排以實現更快的執行、週期決斷以及較低的功耗。因此這個架構的產品AT32UC3A0512在2007年底推出時能夠以66MHz的速率提供80 Dhrystone MIPS (DMIPS)的性能，且只需電壓3.3V、電流40mA，其功耗低至1.65mW/DMIPS，較當時具有相同功能的其他架構低4倍。

瑞薩科技(Renesas Technology)
瑞薩科技推出的RX CPU核心的利用較快的處理效能，與較佳的編碼效率(code efficiency)來節能，處理效能超越開發時所預定的1.25 MIPS/MHz達到1.65 MIPS/MHz，在執行相同的操作頻率，效能約為瑞薩科技傳統32位元CISC MCU的兩倍，提高每瓦效能比，較佳的編碼效率意指更精簡的目的碼大小，因此只需較少的記憶體容量來儲存目的碼，也比較省電。

瑞薩科技達成0.03mA/MHz的CPU核心電流開發目標，而RX610 Group於100 MHz運作時的耗電流約為50mA (一般運作)。每1MHz操作頻率所產生的耗電流，低於瑞薩科技傳統產品的一半以上。RX610 Group同時提供四種省電(低功耗)模式，可透過選擇適當的模式大幅降低系統功耗，以符合應用產品的需求。例如，在深待機模式(Deep Standby mode，當系統欲處於待機或類似狀態時使用)時，耗電流大約只有3μA。

意法半導體(STMicroelectronics)
意法半導體將在2009年推出首批基於超低功耗平台的全新微控制器系列產品：STM8L和STM32L。這兩款產品為拓寬8位元的STM8S和32位元的STM32F兩個超低功耗產品線，可使快閃記憶體動態功耗降至150μA/MHz和省電模式(HALT Mode)功耗最低300nA，並可同時保存SRAM和暫存器的內容。

在前述新技術平台上，130nm的低漏電數位電晶體可降低微控制器在正常作業模式和省電模式下的電流消耗。此外，創新的低功耗嵌入式非揮發性記憶體可降低應用數據處理所需的功耗。加強型的類比電晶體可將作業電壓降至1.65V，使晶片上的類比電路能夠在低電壓下作業。透過採用低作業電壓內核和4μs超高速低功耗狀態喚醒等技術，電源管理架構可在不同模式下達到省電的目的。最後，專有的數位資料庫和全新的低功耗系統單晶片(SoC)設計流程將有助於意法半導體擴大超低功耗微控制器的產品範圍，加快新產品上市時程。

盛群半導體(Holtek Semiconductor)
雖然台廠在32位元 MCU尚在起步階段，不過盛群半導體已經展出採用採安謀(ARM)Cortex-M3架構的32位元處理器，雖然還在先求有，再求好的階段，但是盛群半導體對於MCU節能設計概念，並非完全陌生。

盛群半導體早在3年前，為了順應環保節能潮流，即推出以Tiny Power技術為核心的省電晶片產品，例如HT56R64 MCU，具有較低功耗、快速喚醒、多重時鐘訊號來源及多種工作模式等特點，可降低整體使用功耗，達到綠色環保的需求，雖然此技術是用在8位元MCU上，但是基於研發經驗累積，讓盛群半導體32位元MCU的節能設計，應該會比較快些。

實務上確認MCU節能效率的關鍵點

節能設計通常都會在紙上將自己的性能描述的天花亂墜，實際上有幾個方式，可以判斷出較準確的MCU節能效率。

確認工作範圍內的效率：效率規格通常是根據MCU的最佳測量(最佳點)結果而不是負載電流電壓上的結果給出。某個應用的典型工作範圍可能使其位於較低效率的曲線上。此外，效率必須在電池的整個電壓降範圍上進行估算。

電池的安全工作範圍：雖然MCU的耗電量也許相當小，但如果無法足夠精確地測量電壓和溫度，那麼電池限值就可能被超過，導致電池受損及使用時間縮短。在確定設備可安全使用的電池能量時，精密度是一個關鍵因素。

調節器效率高低：無升壓調節器的MCU有更高的效率規格，因為轉換損耗隱藏在外部調節器中。此外，在單電池設計中，如果MCU沒有整合調節器，切記把外部升壓調節器的成本和設計複雜性考慮在內。

MCU在整個使用範圍內的效率：在驅動大電流時，MCU的效率可能很高，但除非它有多個工作模式，否則在驅動低電流時，它的效率會很低。因此，如果應用並非經常需要大電流能力，總體效率便會降低。

節能規格是利用單還是多個電池測得：某些MCU規格會隨著所用電池的數量而改變。例如，如果有多個電池，便可以避過使用內部升壓調節器，因而提高效率。反之，在只使用單個電池時，利用多個電池獲得的各種規格(如喚醒時間)可能會降低。

開發環境的成熟度：實現超低功率需要架構層的創新。基於全新架構的超低功率MCU常常最多只能提供仍在開發中的有限設計工具。由於軟體開發是最重要的成本因素之一，設計工具的穩定性、完整性和功能性，在幫助開發人員有效地管理功耗，以及快速把產品投入市場時發揮了舉足輕重的作用。