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物聯網應用成敗 低功耗MCU扮演關鍵
性能與功耗間的平衡

【作者: 王岫晨】   2017年11月30日 星期四

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在物聯網的應用環境中,許多設備都在聯網的同時,還力求要有更好的運算能力。特別是每天與人互動的智慧型電子裝置,在要求運算表現的同時,還必須維持最低功耗,以達到每天與人的互動中,能擁有更長的電池續航時間。


也因此,身為這些智能聯網裝置運算核心的MCU,也必須在運算效能與功耗表現兩者之間,取得最佳的平衡點。特別是目前普遍在市場上可見到的健康手環、智慧手錶、小型醫療設備、智慧電表、智慧工業感測器等各種產品的中央控制器,這些應用設備皆需要複雜功能、快速回應、最短電池充電所必需之停機時間,而這些需求,使得超高效同時具備低功耗特性的MCU,成為了產品成功與否的關鍵。


低功耗是關鍵

放眼現階段MCU設計,大致可分為四大關鍵需求,分別是更高性能、超低功耗、繪圖處理、以及高整合度。意法半導體亞太區資深產品行銷經理楊正廉指出,更高的性能表現,當然是為了要提供更強大的運算能力。而前提是最大限度的提升性能,並同時保持超低能耗。


性能與功耗,這其實是在天平的兩端,就一般的處理器來說,想要取得更大的運算能力,耗能勢必增加。而要維持超低的功耗,則勢必得犧牲效能。如何在兩者間取得平衡,甚至進一步達到效能與功耗的最佳化,在設計上著實是門功夫。



圖1 : MCU內建繪圖功能已屬必要,圖為採用ST新款MCU的開發板,可流暢處理視訊畫面。
圖1 : MCU內建繪圖功能已屬必要,圖為採用ST新款MCU的開發板,可流暢處理視訊畫面。

在性能的提升上,以目前眾家廠商所推出的MCU產品,多半都是採用ARM Cortex-M架構處理器來看,其原本在運算效能的表現上便已多半不俗。楊正廉也例舉該公司的新一代MCU產品,已經開始透過額外賦予的性能,例如採用ART加速器讓性能可以提高到120MHz/150DMIPS,或者支援DSP指令並內建浮點運算、再加2個DMA控制器等的方式來提升效能。至於低功耗的表現方面,除了最佳化電路設計之外,透過更先進的製程技術,也都能達到有效降低功耗的目的。



圖2 : ST的Chrom-GRC圖形控制器可高效處理圓形顯示器,因而節省更多記憶體資源。
圖2 : ST的Chrom-GRC圖形控制器可高效處理圓形顯示器,因而節省更多記憶體資源。

整合圖形加速能力

複雜功能、快速回應、最短電池充電時間等需求,使得超高效同時具備低功耗特性的MCU,成為了產品成功與否的關鍵。

再從目前的應用端來觀察,MCU內建圖形處理能力已經是一種必要,特別是許多採用MCU為核心的智能電子裝置,普遍都有圖形輸出與顯示的需求,例如智慧手錶、健康手環等。也因此,MCU必須要兼具2D圖形加速的處理能力,來滿足不同的顯示介面。同時,除了提升圖形處理性能之外,還必須釋放更多核心資源,以供即時訊號處理之用。這使得有些廠商已經把加速器加入MCU之中,讓更多的系統運算資源可以釋出,供更多圖形處理運算之用。


意法半導體微控制器產品部STM32產品線行銷經理Bertrand Denis則表示,ST最新款的STM32L4+,預期能提供給應用設計人員以下的功能:更強大的運算性能、同級最大的晶片上存儲容量,以及為流暢的使用者體驗提供更快速圖形處理能力。新的Chrom-GRC圖形控制器可以像處理方形顯示器(TFT-LCD)一樣高效地處理圓形顯示器,不會因為管理從未顯示的圖元而浪費記憶體資源。晶片上還有意法半導體專利的Chrom-ART Accelerator圖型性能提升技術。


Bertrand Denis也認為,預計未來智慧物件將會無縫地融入生活中,這些產品能夠預見人們的需求,而無需人們過度地去關注他們。意法半導體以更大的存儲容量和更高效的圖形處理功能,讓STM32L4+系列微控制器可實現功能更複雜、人機交互更流暢的新一類智慧產品。


提高整合度

而當然,在物聯網的應用中,感測已經是不可或缺的重要功能,如何讓感測能力可以與MCU更完美的結合在一起,提升整體效能,也是許多廠商在新一代MCU產品設計中的重點方向。例如德州儀器近期便主打一款強調超值與低功耗的MCU,這款MSP430微控制器是針對感測應用的超值型、超低功耗MCU。開發人員可透過產品中的各種整合混合訊號功能,為不同應用與解決方案實現簡單的感測功能。


德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪指出,這款超值型感測MCU可讓開發人員現在可使用程式碼範例庫靈活客製25個常用系統級功能,包括計時器、輸入/輸出擴展器、系統重置控制器、EEPROM等。而通用核心架構、工具和軟體生態系統以及包括遷移指南在內的擴充文件檔案,則可讓開發人員針對每個設計,選擇合適的MSP430超值型感測MCU。


高性能與多功能

正由於物聯網與智慧化的趨勢,持續推升MCU晶片的成長,不僅應用更廣泛,同時性能也快速提升,但不變的是,低功耗永遠都是最關鍵的考量。盛群半導體總經理高國棟例舉今年該公司所主推的32位元MCU新品,都以ARM Cortex M0+/M3系列為主打,其中M0+(HT32F5系列)強調高C/P值與高能源效率,M3(HT32F1/HT32F2系列)則是訴求高性能與多功能。該兩系列產品都適用於智慧家電、物聯網、穿戴式裝置和智能玩具等產品。



圖3 : 盛群32位元MCU新品以ARM Cortex M0+/M3系列為主打,其中M0+(HT32F5系列)強調高C/P值與高能源效。圖為HT32F5系列開發板。
圖3 : 盛群32位元MCU新品以ARM Cortex M0+/M3系列為主打,其中M0+(HT32F5系列)強調高C/P值與高能源效。圖為HT32F5系列開發板。

盛群以往專精在8位元MCU市場,近年來開始擴充產品線,導入ARM Cortex M系列核心,開始積極發展32位元MCU,讓該公司的產品線能發揮更好的互補效益,並進一步擴張應用領域。高國棟說,盛群的M0+系列MCU,已有提供5V電壓的新品,客戶能直接採用在家電的設計上,而Flash的容量也從16K至128K的範圍可選擇,應用的空間更廣大。新一代的32位元產品都可以應用於無線充電、USB Type-C快充及LoRa長距離無線傳輸等領域上。


結語

放眼物聯網的發展,MCU與感測器永遠都是最重要的兩大元素,而低功耗,則扮演物聯網應用成功與否的關鍵要素。隨著電路設計的最佳化,加上製程技術的進步,新一代的MCU產品都可以達到更低功耗的境界。配合更長續航力的感測周邊,MCU肯定在物聯網的發展中,將會持續發光發熱。


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