宏觀微電子採用Arm Cortex-M架構新品通過Matter 1.0認證

圖（一）建構通用型低功耗 IoT 無線 SoC 平台。Arm

成立於2006年的宏觀微電子，是一家總部位於新竹的IC設計公司，已於2016年公開發行。該公司成立之初專門研究電視和衛星調諧器IC組件，現已是全球前三大矽晶調諧晶片供應商，也是台灣IC設計業者中唯一可提供電視機與機上盒射頻訊號接收晶片的供應商。此外，它提供領先全球的衛星廣播IC接收器，多通道LNB IC市佔率超過50%。
 
以寬頻RF核心技術為基礎，鑑於近年IoT市場的興起，憑藉其在RF電路開發方面的強大能力，宏觀微也積極開發IoT RF晶片，已可提供支援各種規格的藍牙低功耗/Zigbee/Thread和Sub-G組合的多協議RF解決方案。
 
宏觀微與Arm 合作開發支援Matter的IoT無線SoC

圖（一）是宏觀微建構的通用型低功耗無線IoT SoC平台架構，由無線電RF子系統、MCU、記憶體、電源管理以及IO和週邊元件，及其他混合訊號單元（如ADC）所組成。此平台可視為其既有IoT RF IP與MCU IP的整合與擴展，因此MCU IP的選用便成為此新產品開發是否成功的重要關鍵。
 
此平台的另一個特色是，為了靈活擴展程式碼大小，透過標準的串列SPI介面將外部快閃記憶體封裝整合到系統中。此外部快閃記憶體可以是KGD或IC組件，為了加速其與SoC之間的數據傳輸速率，特別選用了 Quad SPI（QSPI）來增加頻寬，並可直接在具有內建執行（XIP）功能的快閃記憶體內部執行程式。
 
由於這是IoT用的低功耗無線SoC，因此電源管理方案至關重要。在此平台中，需要正確的電源管理單元（PMU）邏輯。宏觀微設計了LDO和DC/DC以與PMU配合使用，具體取決於功率預算。在許多電池電源應用中，待機電源或睡眠模式對於延長電池壽命的良好管理扮演了重要角色。
 
由其他方案轉向使用Arm Cortex-M MCU架構之優勢
 
在為此IoT無線SoC平台選用MCU IP時，初期宏觀微曾評估過不同的技術方案，最後決定轉向採用Arm Cortex-M系列IP，不僅因為它非常易於構建SoC平台骨幹，而且在整個開發過程中，Arm提供的IoT全面解決方案、完整開發環境、軟體生態系統、平台安全架構等各種技術，加上在地可即時技術支援的能力，能節省大量的人力資源和驗證工作，使宏觀微能在極短時間完成產品開發，在Matter標準底定之初便能推出新產品，顯著提升其競爭優勢。

Arm Cortex-M系列是Arm架構處理器核心中階系列的統稱，是專為低成本、高能源效率的微處理器而優化設計，具有完善的開發環境與技術支援、最高的效能功耗比，同時軟體編譯過的代碼也很小，可以減少SoC系統對於記憶體的需求，進而節省功耗。
 
宏觀微針對此IoT SoC平台開發的第一款產品是採用台積電（TSMC）超低功耗CMOS ULP製程，整合了 Arm Cortex-M3核心和256KB SRAM的雙天線無線SoC。透過與Arm的密切合作，使其能在短短16個月內實現從樣品到測試認證並開始量產，而且與先前採用的其他核心架構相比，晶片尺寸縮小20%，功耗減少 10%。
 
採用Arm解決方案的另一項重要因素是，它的架構可符合Matter 標準的安全需求。隨著智慧家庭應用的起飛，安全性已成為設計的重要考量。但目前各家智慧家庭平台都有自己的安全和認證方式，導致開發複雜，同時消費者也有部署上的風險。對此，Matter專注於提供裝置身分認證及韌體安全性，所有裝置均須完成安全認證，而裝置擁有者須提供裝置密碼以判斷是否通過認證。
 
採用Arm  Cortex核心，可將密鑰及核心軟體可儲存於Arm  TrustZone區域內，以隔絕外界所有的竊取管道，相較於其他RISC架構的MCU, TrustZone更可以確保密鑰及資料的安全，同時將晶片內核的關鍵程式徹底保護，外界無法進行修改。此外，Arm的專業團隊可確保開發環境與軟體更新，並有完整的資源可支援全產業鏈的Matter應用開發。
 
宏觀微電子總經理李耿民表示，「非常高興透過使用Arm Cortex-M IP開發出效能突出的SoC產品，並領先業界通過Matter 1.0的官方認證。利用此設計方式，使我們可以用有限的資源並能減少設計時間。大多數人可能無法想像設計出能真正投入量產的無線SoC的複雜性！設計過程中除了需要運用長期累積的深厚經驗和RF 專業知識外，無線SoC的測試和驗證更是整個設計過程中最困難的部分。射頻效能、功率分布、通訊可靠性、錯誤率和抗擾性、FCC認證、合規性、相容性和生產測試都是需要注意的重要事項。軟體開發也是另一項主要工作。宏觀微電子是一家高技術力的公司，我們將寶貴的資源放在可以產生最高技術價值的地方，藉由Arm為我們提供的協助，我們相信，縮短上市時間及卓越的效能將可為系統廠商等客戶帶來滿意的收益與回報。」

宏觀微的雙頻段、多協議無線 SoC

針對IoT應用，宏觀微發揮其無線RF晶片的技術優勢，已開發出多款獨具特色的雙頻段，及支援多協議演算法的產品。
 
以日前發佈的RT58X系列IoT無線網路SoC為例，這是一系列內建Arm  Cortex-M3核心，具有單／雙頻 （2.4GHz/Sub-GHz）RF和嵌入式多協議IEEE802.15.1/IEEE 802.15.4 MAC的創新產品，適用於Matter應用，支援藍牙低功耗（Bluetooth LE）、Zigbee、Thread和Wi- SUN等協議。
 
RT58X的獨特架構使其能在2.4G和／或Sub-GHz射頻同時運行，並執行不同的通訊協議。一個典型的應用是使用藍牙和手機連接，同時控制和管理透過基於Sub-GHz網狀網路連接的IoT設備，例如居家安全網路等。
 
此外，RT58X的超低功耗可提供出色的電池使用壽命，允許使用電池運行。不同的RF協議命令儲存在ROM或RAM中，確保超低功耗和應用的靈活性。
 
宏觀微全系列無線IoT晶片產品的另一項特點是，其晶片軟／硬體均已完成完整的標準認證，包括Matter 1.0 、 Zigbee 3.0、BLE 5.3、BLE SIG Mesh、以及Thread 1.3。如圖（二）所示，在宏觀微開發的「雙頻段、多協議IoT平台」中，底層是宏觀微提供的RF SoC晶片，黃色的軟體部分則是宏觀微提供給系統客戶的軟體協議。透過提供業界標準協議及可自訂的高速通訊協議，能協助客戶縮短新產品開發時程，爭取上市時間。

在宏觀微提供軟體支援中，Arm Project Centauri提供的豐富軟體資源以及安全性技術也扮演了重要角色，協助宏觀微能夠在最短時間內，實現從射頻子系統到完整系統單晶片的開發，以建構更完備的系統解決方案。

Arm 的技術方案能夠協助台灣像宏觀微這樣具有實力的中小型 IC 設計業者，加速新產品的開發與創新，以因應市場的演進與改變，並獲得豐富的生態系統支援。

未來宏觀微也將進一步導入Arm v8-M架構來開發下一代新產品，將其晶片的安全技術升級至硬體式安全，以建構更安全、更高效能的無線IoT SoC產品組合。

請點此下載白皮書「Arm 協助業者加速開發符合 Matter 標準的 IoT 產品 – 以宏觀微電子為例」，以瞭解物聯網市場、如何開發高效能產品，以及宏觀微電子的最新產品。