往高位元架構邁進：32位元MCU應用蓄勢待發

MCU的出貨量、銷售金額、平均單價的全球市場預測。IC Insights；2015/2

因應各種微型控制的市場應用，廠商推出各式各樣的微控制器(MCU)，以滿足各領域的需求。隨著物聯網、穿戴式裝置與車用電子的興起，各MCU廠商紛紛朝向高位元架構邁進，並保持低功耗、執行效率高，並具備彈性的硬體架構等訴求，來吸引客戶的眼光…

「微」控制器  地位不低微

微控制器(Microcontroller；或Micro Controller Unit；MCU)，整合了運算單元(CPU)、記憶體單元(RAM與ROM/EEPROM/Flash)、時脈產生器(Oscillator；Clock Generator)、與擴充相關(Expansion、I/O、ADC電路)等功能，因此MCU內部跟一般的小型電腦相當，搭配軟體即可獨立運作，適合各種嵌入式應用。

如今，MCU以功能簡便、超低功耗、成本低廉等特性，廣泛應用於行動通訊、嵌入式裝置、家電、事務機、遙控器、場域監控、工業控制、無線感應網路等領域，電機、電子、電器產品若少了MCU，生活將會變得很不方便。

隨著智慧聯網的應用，以及物聯網、工業4.0、穿戴式、車用電子的興起，將需要有更多的運算能力，因此MCU必須具備低功耗、高效能，同時以彈性的硬體架構，來滿足市場需求。因此，廠商在新一代的MCU，紛紛以高位元來設計，從早期8位元的架構，推升到16、24位元，到近期以32位元為主流。

一般(General-purpose)功能的MCU產品，大致分成8位元入門級產品，主要應用在簡單控制需求的家電控制、遙控器、監控產品、消費性電子(如手錶？電子錶、計算機、鬧鐘、玩具)等市場。

而16、24位元的進階產品，則大多應用在較為複雜的控制與影音運算需求，例如事務機、數位相機、馬達控制、車用電子、醫療電子、各式感測器等等；至於32位元的高階產品，則其功能已與AP(應用處理器，Application Processor)相當，但MCU具備低功耗的特性，因此主打智慧型手機的感測運算、健康量測、穿戴式電子產品等領域。

拜IoT興起  MCU市場逐年上揚

據IC Insights的市場研究報告中指出，2015年全球MCU市場產值將達168億美元(比2014年增長5.6%)，出貨量達209億顆(比2014年提升12.4%)，而平均每顆售價則是0.81美元。而未來到2019年，MCU的銷售量仍維持逐年遞增(年複合成長率CAGR約為6%)、ASP逐年遞減的趨勢，但對整體MCU市場規模來說仍是上揚的。

近年來，由於環保議題的發酵，電動車出貨量的增長，連帶使得車載電子以及其他通訊應用的需求提升，帶領IC出貨量跟著水漲船高。IC Insights的報告也提到，2015年將有11款IC種類將持續市場成長的趨勢，尤其是車載相關的IC，包含車載特殊目的邏輯IC與車載應用目的相關的類比IC。

其中又因為「智慧車」大多使用到32位元MCU，像是駕駛資訊系統、油門控制系統、半自動駕駛(如自動泊車、先進巡航控制、防撞系統)等部分，就必須仰賴32位元的MCU來設計與應用。因此在未來的幾年內，32位元MCU將預期能在車載應用中達到25%的市場佔比。相較於4、8、16位元的MCU，其出貨量則是呈現下滑的趨勢。

此外，由智慧型手機開啟各行各業的智慧應用正方興未艾，像是醫療電子用品(如智慧血糖機、心率貼紙等)、個人健康監測產品(如智慧手環、智慧手錶、智慧衣、心率帶等等)，加上其他各式各樣物聯網應用產品，逐漸在市場上成為顯學之後，這些需要低功耗、長時間使用、無線通訊的產品，也必須倚賴MCU的特性來實作，因此選用32位元MCU來設計，將有助於提升產品的電池續航力，也兼具產品的彈性擴充能力，將加速32位元MCU出貨量超越傳統低位元MCU。業界也預期32位元的MCU在2015年將超越以前4或8位元MCU的出貨量。

32位元MCU成主流  出貨量逐年提升

在MCU的架構設計上，早期MCU大多是8位元為主(例如Intel 8051系列、Atmel AT8/TS8系列、Silicon Labs EFM8系列等等)，且整合開發環境(IDE)也是以8位元為主(例如MCU 8051 IDE)，直到近期MCU的應用多元化以及任務複雜化，MCU開始邁向16或32位元來設計，而相關的軟體開發環境也提升到32位元，甚至做到可以向下相容，讓開發環境不受限於某些廠牌的硬體，以提供更具彈性的開發空間，並推升整個產業往更高位元的環境，來設計出Time-to-Market的產品。

由於MCU在各行各業的應用已非常廣泛，近年來因應車用電子、物聯網、可攜式電子與穿戴式裝置的推波助瀾之下，加上MCU的應用範圍開始往高階市場發展，許多MCU廠商推出各式高階、高位元的MCU，並搭配對應的開發工具來搶市，促使MCU市場規模逐年增大。而高位元MCU產品出貨量提升，將致使其與低位元MCU的價差縮小，讓未來低位元MCU應用將越來越少。

此外，由於8位元與32位元的開發環境不同，再加上許多智慧家庭與App應用，都必須具備可擴充性的設計，雖說使用8位元來設計可能比較節省成本，但若考量未來的擴充與維護成本之下，可能不符合未來期望。

也許改用32位元來設計，可能更具成本競爭力。因此，開發人員近年來便開始在單一平台下，使用同一套軟體來開發產品，以減少軟體開發成本，讓其各階產品都使用相同平台來開發，以增加產品規劃上的彈性。

電腦週邊暨智慧家電  邁向32-bit新紀元

許多家電產品，大多使用8位元MCU來設計，例如馬達控制、面板控制等等。但8位元MCU的功能有限，無法擔任複雜的運算需求，在新一代具備變頻、直驅、使用永磁式同步馬達的白色家電之下，為了達到精準的三相馬達控制需求，其演算法就非常重要，例如磁場導向控制(Field Oriented Control；FOC)演算法。而為了提升更好的電磁保護(如過壓、過電保護、霍爾效應感測等)，更是需要32位元的MCU才能做得到。

至於電腦週邊方面，以NAND Flash Memory (快閃記憶體)為例，早期的記憶卡、USB隨身碟，甚至IDE的SSD，還採用8位元(或16位元)的MCU來設計其控制器。

近年來由於Flash製程演進，在容量倍增之下，NAND Flash IC從主流的MLC開始朝向TLC來設計，由於IC顆粒的良率越做越低，使用壽命也越來越短，NAND Flash Controller為了提升資料存取的精確度，其錯誤檢查與修正碼(ECC碼)的位元數也必須跟著提升，再加上Flash的電氣特性，資料寫入時必須有一連串的演算法，來使其寫入資料最佳化，減少其寫入放大比(Write Amplification Index；WAI)，以增加快閃記憶體的壽命，再加上行動裝置必須高效能、低功耗，使得Flash Controller IC紛紛採用32位元處理器或MCU來設計，才能符合市場的需求。

如今MCU廠商都有推出自己的32位元的MCU產品。以核心架構來分，大致可以分成Atmel AVR32/AT91SAM、Freescale ColdFire、Imagination MIPS32、Infineon TriCore、Microchip PIC32、Renesas RX/V850、TI C2000等等，而各MCU都有自己所搭配的IDE，利用這些MCU來開發的軟體，基本上只適合其MCU家族的產品使用。

至於ARM公司挾其在智慧型手機與穿戴式裝置的優勢，推出Cortex-M架構，可說是32位元MCU的主流核心(例如Cortex-M0/M0+/M1/M3/M4/M4F)，由於ARM的MCU具有單一指令架構的特性，搭配其開放式IDE開發環境，讓組譯出來的程式碼能上下相容。

再加上當今穿戴式裝置的各式感應器部分，大多是直接使用ARM的核心與函式庫來設計，因此ARM在MCU的智慧應用市場上佔有許多優勢。

業界大多將ARM架構的MCU另歸為一類MCU，雖說各廠商採用ARM的指令集，但為將產品差異化，各廠商皆以不同的內部配置方式、運作時脈、記憶體大小、擴充性並搭配特殊的功能，來滿足各種市場需求。

推出廠商有Atmel SAM、Cypress PSoC 4/5LP、Freescale(已併入NXP) Kinetis、Infineon XMC、NXP LPC系列、Silicon Labs EFM32、Spansion(已併入Cypress) FMxST、STM32、TI MSP432P4x/F28M3x/TM4C、Toshiba TMPM等等。