穿戴式與物聯網應用夯 異質多核心MCU需求增加
- 毛履兆
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穿戴式應用在Apple WATCH推出後，再度刺激低功耗MCU的市場需求，尤其是鑒於低功耗要求同時整合多元無線通訊模組或功能，也能呼應同樣要求體積小、聯網功能整合的物聯網應用需求，雙重市場刺激下，也帶動相關MCU業者紛紛優化旗下MCU解決方案的功耗與聯網能力，積極搶攻新興的穿戴、物聯網應用市場…
微控制器(MCU)市場，近幾年在智能手環這類穿戴應用出現導入需求，加上物聯網也需要低耗電的運算、聯網應用，也讓微控制器業者開始針對新的市場需求強化現有的MCU解決方案。
智能手環這類穿戴裝置，其應用架構與需求其實與物聯網有高度重疊，例如，穿戴應用需要大量的感測器整合，如動態感測器(加速度計)、陀螺儀、磁力計或是其他感測方案，物聯網在終端感測整合，也需要這類感測元件整合，甚至還需要如溫度或更進階的感測元件；除感測應用機制外，穿戴應用由於設計小巧限制了電池裝載，設備本身的資料接取機制勢必要選用近距離低功耗無線傳輸技術，如低功耗藍牙等近距離無線傳輸技術，而物聯網除了藍牙無線技術，可能尚須整合如ZigBee或是Wi-Fi高速無線網路整合，這部分的整合範圍也極為相似。
穿戴式運算與物聯網應用 需MCU加持才能發威
相同的，穿戴式應用與物聯網應用除在蒐集前端自感測器擷取的關鍵數據外，也必須針對擷取來的數據進行運算與處理，而隨著感測器的精密度與資料產生量持續增加，原有MCU的運算處理效能也必須強化才能跟得上開發需求，這類MCU開始衍生多核心通用處理器整合的需要。
同時，為了降低運算、存儲或是感測器的分散設計成本，這些關鍵元件透過晶片封裝技術製成多元異質核心的SoC處理元件，不僅讓穿戴應用可以持續挑戰更小、更省電的設計方向，物聯網應用終端也能同樣受惠。在兼具可行的聯網通訊條件下，透過高整合、低功耗的SoC元件，達到以往必須使用複雜系統才能完成的終端設備設計，甚至也能因為功能載板元件大量SoC或整合設計後，讓整體產品的產製成本大幅下降，間接促使對應的物聯應用產品更具成本優勢，降低導入市場的門檻。
以常見的穿戴應用解決方案觀察，一般這類應用解決方案會選用Cortex-M0搭配Cortex-M4的異質雙核心IP進行整合。這類方案選用Cortex-M0搭配Cortex-M4整合異質核心的原因相當簡單，其開發核心概念就是要降低整體方案運行的系統功耗，在系統架構上可由Cortex-M0與Cortex-M4核心搭配分工，由Cortex-M0專門處理感測元件傳來的外部訊息、或外部資料讀取用途；而Cortex-M4則以相對較高速的處理能力進行運算，針對外部導入的數據進行演算、分析與轉存為有價值的數據，並在數據處理完成後轉由儲存媒介或是輸出至聯外網路端口讓後面的處理程序接替運行。
基本上Cortex-M0與Cortex-M4兩個IP在邏輯閘數與複雜度已有差異，兩個核心也要搭配協同處理機制才能發揮最佳的節能效益，異質多核的元件整合並不是件簡單的工作。
雙核心？多核心已無法凸顯產品價值 異質多核心可讓終端設計更具彈性
雙核心、多核心乃至於異質多核心的MCU，在MCU解決方案早已不是新聞，但早期MCU運算能力並不是重點，而是功耗優化、控制埠的設計才是相關開發者關心的重點。
而異質核心的優勢在於，在整合選用的核心IP可以針對應用設計找具備對應優化的功能IP，尤其是針對不同工作情境加以優化，例如，在外部訊息較少或是運作頻度離峰狀態時，就可以對應以功耗優先的運算核心進行資料處理，當碰到外部訊息與資料處理負荷較大時，以對應高效能運算核心進行系統接管，再利用積體電路封裝的方式搭配核心控制切換機制，讓單一晶片元器件可以同時擁有低功耗？高效能看似兩種完全衝突的應用情境支援能力。
雖然這種異質核心設計會因為晶片內置元件呈現多了兩倍甚至三、四倍邏輯閘數，讓元器件的成本增加數倍，但若是在節省電路載板佈局空間、簡化設計、縮小終端設計產品體積目的上，這種異質多核元件正好可以滿足這種設計需求。
但異質多核心也並非毫無缺點，如先前提過，異質核心最大的問題在於須以封裝方式將多種晶片核心進行封裝，可能是多組功能裸晶利用打線、晶片堆疊進行封裝，這不但會影響最終成品的良率，也會增加測試驗證的成本。
而原本單一功能晶片體積可積極優化微縮，但多晶片堆疊除非使用高密度3D IC技術或是小型化設計，否則低成本的設計方案多少都會造成元器件的面積增大，而原有極低功耗的元器件設計，也可能在低功耗核心運行還會多了功能控制單元的額外處理電路與邏輯閘，導致無法達到近似方案的極低功耗表現水準，這些可能的影響都會導致多核、異質核心組成的解決方案在某部分的表現略遜於原有非異質核心產品的性能表現。
異質多核元器件成本高 但IC製程優化成本越來越接近
即便異質多核設計方案有前述的問題存在，但實際上這幾年積體電路元器件的晶圓、封裝技術突飛猛進，多核甚至異質多核的設計方案成本也持續下滑，甚至達到逼近原有非異質、多核設計方案元器件的成本。當兩者在體積相近、成本差距不大時，產品終端設計為了達到更彈性甚至跳躍性的功能、性能擴展，選擇更富設計彈性的異質、多核MCU反而是最佳選擇。
在MCU進展上，整合的方向已經成為相關解決方案業者的關注重點，尤其是新穎的穿戴應用、物聯網控制元器件，相同的設計目標都是需要更小、更省電、更多感測能力整合，尤其是穿戴應用所需的MCU體積與功耗要求就更高了。
因此業者除了將MCU的通用運算核心採低功耗？高效能兩種異質核心整合外，也有將常用的感測元器件與控制晶片進行整合設計，達到近似SoC的解決方案，單一晶片就能滿足穿戴應用的網通、體感感測與數據記錄的多用途處理需求。而對產品設計者而言，僅需要關注終端設計是否需要擴增顯示屏幕、觸控面板、實體按鍵或是增加生物感測等進階無法整合到MCU的額外功能，大幅簡化穿戴應用的產品研發時間，加速產品推出進程。
物聯網？車聯網佈建重視成本要求 異質多核MCU可滿足設計目標
進一步檢視，如近來超夯的物聯網、車聯網應用環境系統佈建需求，以這類環境感測與聯網大數據應用基礎建設，必須做的頭一件事就是廣佈環境感測與資料擷取終端，而佈設感測點最大的瓶頸就在於單一終端的成本問題，因為單一終端若成本太高，就會導致物聯網的佈建成本過高，致使監測點佈建不夠全面或是感測環境覆蓋率不夠，造成物聯網或車聯網會有遭遇無法取得資訊的灰色地帶。
這對物聯網應用產生的問題可能還在可控範圍，但在車聯網環境中，只要公眾道路、道路設施、周邊基礎設施有幾個環節出現環境感測數據無法取得，就會形成整個車聯網的網路限制，導致基於車聯網環境開發的智能汽車、智能行車輔助、交通智慧控制等車聯網加值應用效益無法施展，也會導致相關應用的推展受限制。
總而言之，異質多核MCU對於現有穿戴應用、物聯網？車聯網整合佔有關鍵的應用角色，不只是在產品微縮、功耗降低等技術問題的改善，在終端產品的設計成本也會因為電路載板縮小、產品物料清單變得更精簡，進而降低成本，滿足初期系統佈建所需的成本條件要求。
