物聯網與人工智慧加持 MCU老樹開新花

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MCU的身影已廣泛出現在手機、PC外圍、汽車、工業等領域，但物聯網眾多的應用將會催生MCU更大的商機。不過，為了滿足物聯網智能家居、智能汽車、智能製造以及可穿戴設備、人工智慧等眾多應用的需求，MCU的連網性能、豐富的介面、更多的集成必不可少，性能、功耗、安全性的提升同樣不容忽視。物聯網到底需要什麼樣的MCU？火爆的人工智慧（AI）熱潮下，MCU的價值和作用又將如何體現？

物聯網催生大商機 MCU可塑性及通用性發揮重要作用

IHS早前預估針對連網汽車、可穿戴設備、建築物自動化以及其他有關物聯網應用的MCU市場預計將以11%的CAGR成長，2019年時達到28億美元的市場規模。IHS Technology資深分析師Tom Hackenberg表示：「事實上，如果少了物聯網應用成長的影響，MCU市場將會在未來10年停滯不前。」需要指出的是IHS將物聯網市場劃分為三個不同的類型：控制器、基礎架構以及節點。Hackenberg進一步指出，物聯網的發展趨勢與MCU市場的關係密不可分，無論是連接用的小型節點、收集與記錄數據的感測器中樞，主要都以MCU平台為基礎。

廣州周立功單片機科技有限公司產品經理郭志銳接受《華強電子》採訪時表示：「MCU在物聯網時代的價值可以從兩方面去看，一方面物聯網整個產業鏈都還有很多不確定性，行業的需求也在定型當中，MCU的可塑性對整個行業有很強的適應性，非常適合做新產品的開發和調研。當然，MCU有豐富規格供選擇，32位Cortex-M系列MCU從M0、M0+、到更高性能M4、M7，以及更為複雜的A7、A9，可以涵蓋從終端到網關到後台的監控的應用。另一方面，MCU本身通用性很好，並且也已經做了多年的推廣，不會增加用戶的學習成本，常用的ARM的不同平台其實都大同小異，升級換代也很簡單，MCU無疑是物聯網時代非常好的選擇。」

迎來「第三個春天」與物聯網眾多應用密切相關的人工智慧同樣將促進MCU市場的增長。富邦證券預估人工智慧所創造的半導體晶元產值2025年將超過700億美元，AI在機器智能學習發展的突破中催生了ASIC晶元需求，也衍生了IP、SSD、MCU的大商機。其中，機器人、工業應用、機器視覺、聽覺等需求增加使模擬數據的產出也明顯提升，利用MCU與感測器來得到外界信息的解決方案需求也將隨之上揚。

意法半導體（ST）MCU市場部區域經理彭祖年

更具體來說，意法半導體（ST）MCU市場部區域經理彭祖年接受採訪時表示：「現在大部分人工智慧都是在處理器或伺服器級別的計算設備上實現的，MCU以前都是做一些相對簡單的實時性應用，數據處理應用比較少。隨著MCU製造工藝的變化使其與CPU之間的界限也開始變得模糊，MCU性能的提升使其可以多做一些演算法，也能輔助人工智慧的開發。ST推出的Cortex-M7內核高性能的MCU可以輔助大數據處理計算系統，也可以滿足對實時性要求比較高的應用。比如在人工智慧的一些神經網路引擎，已經可以在MCU上實現，可以幫助用戶實現諸如場景識別等演算法；另一方面，MCU所能提供的低功耗運行，將為消費類電子的AI演算法應用帶來更佳的用戶體驗。」

集成聯網功能及更多介面滿足物聯網需求 MCU安全問題不容忽視

既然應用於物聯網，那麼無論是現在還是未來MCU的連網能力都是用於物聯網連接設備中關鍵的特性之一。強大的無線連接能力不僅對許多物聯網應用而言是必需的，而且這些應用也需要更先進的特性，例如對多協議無線的支持，可用來處理諸如多種網路的調試和共存這樣的問題，無線連接能力也將簡化的應用開發，使無線產品能夠更快上市。

就MCU的連接能力，郭志銳表示：「傳統的聯網方式在中高端MCU產品中都已經有了，MCU集成無線連接技術已經成為了趨勢，Wi-Fi、藍牙、LoRa、NB-IoT都會集成到MCU的方案里，未來我們會根據具體的需求和應用場景決定集成的連接技術供客戶選擇，同時也將加快產品的開發速度以滿足市場的需求。「彭祖年表示：」MCU聯網功能已經成為了ST的重點市場策略之一，對於不同的聯網產品形態我們都接受，現在比較著力於LoRa、NB-IoT、低功耗藍牙等低功耗聯網技術，我們認為這一塊市場未來的發展將比較快。」

除了聯網功能，高效的感測器介面、各種功能和集成也是關鍵。有業內人士表示，將各種功能集成到MCU中有許多益處，包括更低的解決方案成本、更小的占板面積和更高的功能集成度，進而可產生更高的性能和更低的能耗。郭志銳進一步表示：「更高集成度標準方案不僅成熟度更高，也可以節省用戶開發、測試的成本，這將有利於方案和產品的推廣。另外，穩定性非常重要，不過穩定性沒有一個標準，也不可能一開始就做到很穩定。但MCU能做的就是運算能力的提升，因為系統穩定性的提升需更多的資源，MCU運算能力的提高是系統穩定的保障。除此之外，MCU的功耗仍然需要加強，物聯網的很多節點都不是標準的節點，MCU會放在很多的產品之中，特別是那些可移動性的節點希望有很長的待機時間，MCU作為一個主控，在功耗很低的情況下整體控制達到一個很理想的狀態，不僅能夠保證功能的正常，實現方案的多樣化，更能省去更換電池的麻煩。「

彭祖年還強調了靈活性，他表示：「物聯網拓撲可以分為雲-管-端，雲端MCU的應用相對較少，MCU主要關注管和端。端的部分多種多樣，取決於不同的產品形態和聯網形式。物聯網節點需要的功能五花八門，因此一個系列的MCU產品無法應對所有需求，一個靈活的平台奠定了用戶開發的基礎，靈活的平台具有伸縮性的方案設計，能讓用戶做簡單的加減法。因此一個能夠快速上手加快產品開發的靈活平台能夠幫助客戶降低節點功耗，提升通信安全性。「

提到安全性，彭祖年進一步表示：「MCU不僅僅是控制單元，也會與物聯網應用場景中的雲、電池、能源管理等有越來越緊密的結合，因此除了高性能、低功耗，集成聯網技術和更多前端介面之外，安全功能也是MCU集成程度越來越高過程中不可忽略的部分。安全性是物聯網非常重要的問題，不過這個問題之前沒有被大家足夠重視，很多物聯網產品主要考慮功能的實現，沒有注重數據的安全，系統防攻擊能力也不夠強，因此出現了許多物聯網竊聽或者偷窺的工具，不經意間個人隱私就遭到了泄露。ST早已意識到安全問題，在安全領域也一直比較有優勢。我們有智能卡技術，包括加密技術，常用的加密演算法發明人也是ST的員工，另外也有很深厚網路安全包括數據安全的技術積累。我們致力於打造一個從節點到雲端的安全物聯網架構和平台，舉例來說，在我們的智能鎖參考設計中，加入了許多安全、加密認證，提升產品的安全級別。「

周立功單片機同樣在很早就注意到安全問題，郭志銳說：「我們從硬體和軟體兩方面提高MCU安全性。硬體方面通過加密晶元，在可控的範圍內做一些很實在的測試，看能否達到要求，軟體部分在應用上加入加密功能，讓客戶的方案更加保密，也能進行個性化的加密。」還需要指出的是，對於安全性問題，兩位受訪專家都認為除了硬體與軟體的加密，更要從系統的角度去考慮整體的安全問題，通信、數據等部分也需要考慮。

性能與功耗仍是關鍵物聯網多應用刺激32位MCU迅猛增長

提升聯網能力、集成度、靈活性、安全性對MCU滿足物聯網應用必不可少，但如何在增加功能的同時實現更高性能和更低降低功耗仍然是MCU的挑戰。彭祖年表示：「內核和工藝限制MCU性能的提升，與CPU需要把所有程序都放到內存運行不同，MCU是將程序放到片上Flash進行讀取和執行，Flash的工藝包括讀取速度都影響MCU性能的提升。不過隨著新的IP技術的出現，比如ART加速器在MCU內部的廣泛應用，這些限制性能的瓶頸已經被突破。功耗方面，之前MCU普遍採用180nm甚至更高製程工藝，ST現在推出的量產MCU基於40nm工藝，新的工藝不僅能降低功耗，也能對性能提升有所幫助。」

可以看到，M7內核的產品可以實現比較高的性能，更高性能的MCU產品也已陸續推出，郭志銳看好MCU產品性能的提升並強調MCU的功耗。他表示：「從供應商的角度，很重視功耗問題。從性能規划上來看，無論是50MHz、100MHz還是高性能400MHz、500MHz的系列都會有低功耗的產品。目的就是盡量在不降低性能和減少功能的前提下做到功耗最低，讓客戶有更好的選擇。當然，要達到這個目標除了硬體方面的優化，軟體方面也需要進行優化。因此不僅需要MCU廠商去努力，也需要方案廠商等的共同努力。另外，MCU的性價比在不斷提升，與專用晶元的性價比越來越接近，這有利於MCU在物聯網市場的推廣。」

在不同應用的性能和功耗的需求下，性價比的重要性也能通過不同位數MCU的出貨量體現出來。隨著32位MCU 開發應用的成本逐漸降低，在消費電子、通訊產品、工業、醫療等領域已經得到了廣泛的應用，32位MCU出貨量急起直追，但仍未超越8位MCU。其中很重要的原因就是8位MCU性能的持續提升以及本身的價格優勢。不過據記者了解，在人工智慧、智能汽車等智能化應用的推動下，繼全球領先的MCU企業之後大部分MCU企業都已經全面進軍32位MCU領域，32位MCU將迎來更大幅度的增長。

人工智慧熱門應用MCU展現本地處理與實時性優勢

既然MCU的性能不斷提升並且兼具低功耗的優勢，那麼在人工智慧浪潮中MCU將發揮怎樣的價值？我們不妨從人工智慧目前最熱的語音識別和圖像識別兩個應用去看。「從使用STM32 開發的語音識別方案看，MCU主要應用於語音的前端，即降低語音採集的噪音和語音識別的靜態功耗。MCU使語音識別從睡眠到喚醒速度達到微秒級，同時實現更低靜態功耗。另外，降噪處理能為識別提供純凈度更高的聲音。不可否認，語音識別的實現大部分還需要通過雲端，但通過MCU已經可以做本地化簡單的命令和指令的動作，比如音量增大和減小。「彭祖年說明MCU在語音識中的應用。至於用MCU的性能發開圖像識別演算法中的應用，他表示目前基於STM32的指紋識別和人臉識別，已經有合作夥伴開發出了成熟的方案。

郭志銳同樣認為MCU在語音識別中最重要的是做好本地處理和做到實時性，提供數據給雲端進行識別，讓用戶的使用更更簡單。他同時指出，MCU的性能已經越來越強，有了400-500MHz性能的產品，可以滿足部分人臉識別的需求，比如，0-10個的人臉識別可以本地化，更多數量人臉識別就需要交給雲端。而本地化的優勢也十分明顯，包括較低的成本、功耗更低以及低功耗帶來產品多樣化設計。周立功單片機將在語音應用中在節點方面加強，人臉識別利用MCU分擔部分本地化功能，提供更多樣化的方案。

不過人工智慧不斷更新的演算法是所有AI晶元都必須面對的挑戰，MCU也不例外。彭祖年認為MCU更強的性能能讓其接納更多的演算法，也能發揮更多的作用，MCU廠商需要和更多的演算法公司合作，共同應對新的挑戰。郭志銳認為針對不同的應用和演算法需求，結合成本和功耗方面的考慮，廠商可以選擇不同的MCU產品，MCU產品的豐富性以及可塑性在這裡也能得到體現。

那麼適合人工智慧應用的MCU產品有哪些？據了解，意法半導體在2016年發布了性能創紀錄的微控制器STM32H7系列，該系列是基於Cortex-M7內核的40nm工藝產品，在片上Flash程序運行400MHz頻率，採用以性能為中心的智能架構，內含三個獨立的電源域，分別為高性能域、通信介面域和低功耗域。STM32H7提供給開發者更強的大腦，更多的通訊介面和數模外設，同時加入了ST最新的安全單元，可以為IoT產品帶來更友好的人機界面和更安全的用戶體驗。

周立功單片機方面，郭志銳表示：「針對人工智慧的具體產品暫時還不方便透露，可以確認的是我們將會用多元化的方式滿足客戶需求，具體來說將會通過提供模塊、方案以及技術儲備的方式。提供模塊以及方案都比較容易理解，技術儲備則是把技術整理好或者做二次開發。在2017深圳國際電子展上我們展出了智能鎖和共享籃球的應用，周立功單片機希望讓用戶看到MCU越來越多的與物聯網、人工智慧聯繫在一起。」

物聯網正在快速的發展，MCU作為物聯網中關鍵的器件無論是聯網能力、集成度、靈活性、安全性都在進一步提升，當然性價比的提升更是MCU在物聯網應用中普及的關鍵。至於像人工智慧的應用，MCU能夠發揮本地化、實時化的優勢，在人工智慧應用中發揮輔助作用，但只有性能的提升才能讓其承載更多的演算法及智能化應用。