MCU與時俱進技術全面翻新 邊緣運算落地加速擘劃智慧藍圖
- 洪千惠／DIGITIMES企劃
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智慧化系統架構快速演化，運算需求從中央集權逐漸分散至邊緣設備，研究機構預估，未來將有75%資料在邊緣端分析、處理，在此趨勢下，作為各類設備控制核心的MCU，其角色將更為吃重，功能規格也須同步進化。DIGITIMES在9月8日舉辦的「微控制器系統開發及應用論壇」中，就邀請重量級產學專家，深入剖析邊緣運算軟硬體與MCU技術的發展現況。
可在圖片或影像幀幅中即時檢測、識別物件的YOLO深度學習演算法，近年開始被應用於智慧城市各場域中。深耕此領域多年的中央研究院資訊科學研究所特聘研究員兼所長廖弘源，在開場演說「從YOLOv4到YOLOv7」中提到，2020年他帶領的實驗室研發出兼具即時性、高精度、多尺度檢測，可滿足於醫學、光學、交通等領域需求的YOLOv4。
2022年廖弘源團隊再次發佈YOLOv7，此版本關注的核心包括網路架構、特徵整合、檢測方法、損失函數處理、層級設計和訓練方法。YOLOv7的主要貢獻集中在整合網路架構和優化訓練過程，透過縮短梯度路徑，降低記憶體消耗，提高網路性能，目前已有產業與學界開始採用YOLOv7研發各種智慧化系統，隨著深度學習與邊緣運算的普及，YOLOv7的應用層面將快速拓展。
MCU廠商強化產品布局，搶攻邊緣智慧龐大商機
邊緣運算逐漸成為物聯網架構的重要功能，深耕MCU領域多年的恩智浦(NXP)也針對市場需求，強化旗下產品佈局。該公司產品行銷總監黃健洲，在「恩智浦全新MCX微控制器系列，推動新時代進階工業應用與物聯網邊緣運算」議題中，介紹了恩智浦重新定義未來智慧互聯邊緣應用的通用型MCU產品，包括進階版MCX N、基本款MCX A、無線功能MCX W，與訴求低功耗的MCX L。
其中MCX N系列擴大了恩智浦的MCU佈局，此產品整合了既有的Kinetis K與LPC18xx/43xx/54xx/55xx系列，核心採用Cortex-M33，並整合多種周邊。在資安與低功耗方面，該系列產品也有卓越表現，此外，恩智浦也提供完善的工具與環境，協助設備業者提升開發效率，縮短產品上市時程。
雅特力(ARTERY)是MCU產業的新進者，但團隊成員均有豐富的產業經驗。雅特力科技產品與行銷處長黃源旗在「雅特力AT32 MCU賦能AIoT高效接軌『芯』科技」演講中表示，該公司在2016年成立，隨即於2018年導入55nm先進製程，並在2019年獲得最佳MCU與潛力IC設計企業獎，2021年的產品銷量破億，證明產能與品質均獲市場肯定。
雅特力的產品代號為AT32，共分為低功耗、超值型、主流型、車用型、高效能與無線等7大類型，全系列產品採Pin-to-Pin設計，可快速替換升降級選型，且為－40～105℃工業級別寬溫，雅特力自行開發的sLib安全庫，則可支援密碼保護指定範圍程式區，開發者可燒錄核心演算法至此區域，以利於下游客戶進行二次開發。
MCU產業全球市占率位居第七的GigaDevice(兆易創新)，是中國規模最大MCU業者，Chester Hsu, FAE, GIGASEMI APAC Microcontroller在「探索GigaDevice GD32H7：業界巔峰再進化高效能新視野」中表示，該公司MCU產品包括GD32H、E、W、F、L等系列，主要應用於工業和消費品領域。他特別介紹適用於數位訊號處理、馬達控制、電源、儲能系統、無人機、音訊和語音辨識、AI以及邊緣運算應用的GD32H7。
此產品搭載ARM Cortex-M7核心，最高主頻可達600MHz；記憶體容量豐富，包括高達3840KB的快閃記憶體和1024KB的SRAM，還有可提高核心運行效率的512KBTCM，並配備TMU和FAC等硬體加速器。此外該產品在周邊介面與資安層面也都有完善設計，可協助設備業者打造效能與安全兼具的產品。
低功耗設計與支援AI運算，成為新世代MCU的重要考量。在台灣ADI(亞德諾)半導體擔任Staff Application Engineer的Neal Huang，在介紹該公司產品時，特別提到ADI在這兩方面的布局。他表示ADI產品依應用可分為多元市場與工業兩大類別，其中MAX32660、MAX32672、MAX32655等超低功耗MCU系列，都具備卓越的能源效率，強大的ARM Cortex-M4處理器與多種通訊接口、智慧化整合功能、先進安全性特點，可滿足工業自動化和物聯網需求。
AI方面，ADI採用FPU Arm Cortex-M4處理器架構的超低功耗AI MCU MAX7800x，內建了CNN神經網絡加速器、儲存記憶體、電源管理系統和安全機制，僅需極低能耗，即可快速精確識別人臉和物體，比純軟體方案提供更高的資料傳輸量，推論速度提高超過100倍，同時成本遠低於FPGA和GPU方案，是打造智慧化設備的絕佳選擇。
成立超過20年的笙泉科技，多年來致力技術研發與創新，營運行銷處協理廖崇榮在論壇中指出，提供高效能、高品質產品與最佳化服務，是該公司多年來的核心理念，具備高質量和高性能特色的工業等級8bit MCU，就是依此理念打造的系列產品。
此系列中的MG82F6D MCU擁有高速模擬輸入、高標準抗干擾、硬體診斷、高速訊號傳輸設計特色，適用於馬達控制、工業系統、網絡通訊、消費類電子產品等領域。此外，笙泉科技的產品也適用於LED燈控制、電梯顯示控制和無線充電，具備多個12Bit ADC通道與工業等級運作寬溫設計。在車載領域，該公司的MGEQ1C064AD48已通過AEC-Q100標準，適用於車內的電動座椅、儀錶板、無線充電、動態尾燈…等子系統，可協助車載系統業者搶攻智慧化商機。
以完整產品線與多元應用兩大優勢，成為MCU領域市佔第一的STM32，近年因應市場需求，積極強化資安防護機制。ST專案經理黃喬正在「STM32為嵌入式系統提供更強大、更可擴充的安全性」演講中介紹了ST的資訊安全框架STM32Trust，此框架提供的一系列安全服務，可有效保護數位資產和應對資安威脅。
STM32Trust中的secure bootloader，確保了MCU程式碼的可信任，secure boot與secure update則可防止不正當修改，並強化升級過程的機密性。ST在旗下的STM32H5中內建secure bootloader，並引入Product State，強化可控制連接除錯器的能力，以便在需要時重新啟用。
此外在不可信賴的環境中，ST的SFI功能，可降低secure bootloader的root of trust被盜取、篡改和過量生產的風險，TrustZone和HDP等隔離技術則提供了更高的安全性，讓關鍵資料不受程式碼漏洞影響。整體而言，STM32H5的全面安全功能，將提供系統設備業者更高層次的安全防護。
MCU相關技術快速精進，多元應用一展智慧風貌
MCU的重要性日增，希望降低開發物聯網應用客製化IC門檻，提供市場優質MCU供應商服務的系統精英，其產品技術近年廣獲市場關注。擔任該公司Chairman and CEO的Warren Kao指出，系統精英團隊創建了全新商業模式，且得到半導體IC供應鏈夥伴的支持，可穩定供貨並提供高品質產品。
他進一步強調，系統精英不僅是IP開發，更是體現在客製化系統解決方案整合，透過深厚的技術基礎協助客戶提升產品附加價值。其應用價值工程能力的建立，是採取循序漸進方式，從藍牙主動降噪耳機、藍牙IoT應用、LTE Audio一路往上，最終將Wi-Fi與AI技術納入產品服務範圍內。除了產品，系統精英也有完整的設計服務資源，客戶無需擁有IC開發能力，只需利用該公司自行研發的IoT SoC設計平台，即可擁有自主IC，藉此減少開發時間和人力，縮短上市時程。
可在資源有限的嵌入式設備上，運行輕量級機器學習模型的TinyML，近年備受業界矚目。在「TinyML生態系漸成熟，推動低功耗終端AI應用」議題中，Director of Compiler Department of Skymizer謝政道進一步介紹此技術的發展現況與未來趨勢。Skymizer是專注於IC設計領域的軟體業者，提供客戶影像處理和AI解決方案，並參與MLPerf Benchmark，評估TinyML模型的性能。
他提到，TinyML在實際應用中仍然面臨挑戰，如在關鍵字檢測中，用戶回饋仍存在敏感度過高與誤觸發問題，因此其應用仍需不斷優化和個性化。展望未來，除了希望TinyML開發流程能更加靈活，他同時認為遷移學習和聯邦式學習將是TinyML克服應用挑戰的大量技術，整體而言，TinyML的潛在商機仍然龐大，後續發展值得關注。
Arm架構已成為MCU的主流運算核心，近年來產業環境與設備功能快速變化，Arm也因應市場需求，持續推出不同解決方案。Allen Huang, Sr. Segment Marketing of IoT, Arm，在「Bringing Intelligence to the Edge」演講中指出，現今的設備在追求特性和功能極大化的同時，必須考慮成本最小化。Arm可提供客戶最適化產品，而非單一標準方案。
在此同時，該公司也積極參與開源軟體社群，提供SiP、OSV與ML/AI開發工具，確保產品發揮最大效能。目前Arm的生態系統夥伴包括Google、Facebook、Amazon、Unity、百度、騰訊、商湯、美圖等業界大廠。此外除了現有以Arm CPU為基礎構建的ML生態系統，Arm也積極參與關鍵標準，藉此確保業界標準可符合市場實際需求，從而推動整體產業發展。
除了產品與技術，此次論壇也介紹了MCU的多元應用。Logitech嵌入式軟體經理Ecloud Su在「炫酷也炫技 MCU助力設計最佳化電競週邊」演講中，先指出該公司在滑鼠、鍵盤、耳機與各種電競周邊設備方面，都居全球領先地位，近年來技術快速精進的MCU，則是遊戲設備效能的強大助力。
他提到MCU的功能多元，包括資源處理、傳輸通訊和電源管理，可確保設備在高速運作下，仍能維持穩定運作。除了透過MCU優化遊戲體驗，Logitech也致力於產品創新和永續，例如採用與MCU整合的Hero2感測器，可讓滑鼠保持靈敏度和準確性，此外該公司利用回收材質製成產品，則有效減少地球資源浪費，達到環境永續目標。
MCU的另一重點應用領域為醫療產業，杏澤科技總經理陳冠賢在「掌上型智慧生醫檢測裝置開發與應用」演講中表示，該公司從事醫療影像的硬軟體開發，近年快速崛起的AI也是重點項目。杏澤科技已獲FDA、CE和TFDA等多項認證，銷售市場以歐美和日本為主，其掌上型智慧生醫檢測裝置內的MCU可強化檢測精準度，提供偏鄉地區居民遠距醫療服務。
透過杏澤科技的解決方案，醫護人員可遠距診斷，並從遠端收集病患的生理數據，搭配AI技術進行多項檢測，解決社會高齡化和醫療資源不均等問題。未來杏澤科技將持續善用各種數據，將之應用於臨床，並擴大與原廠和相關應用領域的專業人士合作，滿足不斷成長的醫療需求，提供社會更優質完善的醫療體驗。
從此次「微控制器系統開發及應用論壇」的議題方向與現場互動，可以發現邊緣運算已從最初的概念開始應用到產品中，隨著技術演進，各項挑戰也被逐一克服，在此過程中扮演關鍵角色的MCU，其軟硬體架構也正持續進化中，未來發展值得期待。
