物联网到底需要什么样的MCU 性能与功耗仍是关键

发表于 2018-04-16 14:29:00 收藏 已收藏
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物联网到底需要什么样的MCU 性能与功耗仍是关键

发表于 2018-04-16 14:29:00

MCU的身影已广泛出现在手机、PC外围、汽车、工业等领域,但物联网众多的应用将会催生MCU更大的商机。不过,为了满足物联网智能家居、智能汽车、智能制造以及可穿戴设备、人工智能等众多应用的需求,MCU的连网性能、丰富的接口、更多的集成必不可少,性能、功耗、安全性的提升同样不容忽视。物联网到底需要什么样的MCU?

物联网催生大商机 MCU可塑性及通用性发挥重要作用

IHS早前预估针对连网汽车、可穿戴设备、建筑物自动化以及其他有关物联网应用的MCU市场预计将以11%的CAGR成长,2019年时达到28亿美元的市场规模。IHS Technology资深分析师Tom Hackenberg表示:“事实上,如果少了物联网应用成长的影响,MCU市场将会在未来10年停滞不前。”需要指出的是IHS将物联网市场划分为三个不同的类型:控制器、基础架构以及节点。Hackenberg进一步指出,物联网的发展趋势与MCU市场的关系密不可分,无论是连接用的小型节点、收集与记录数据的传感器中枢,主要都以MCU平台为基础。

广州周立功单片机科技有限公司产品经理郭志锐接受《华强电子》采访时表示:“MCU在物联网时代的价值可以从两方面去看,一方面物联网整个产业链都还有很多不确定性,行业的需求也在定型当中,MCU的可塑性对整个行业有很强的适应性,非常适合做新产品的开发和调研。当然,MCU有丰富规格供选择,32位Cortex-M系列MCU从M0、M0+、到更高性能M4、M7,以及更为复杂的A7、A9,可以涵盖从终端到网关到后台的监控的应用。另一方面,MCU本身通用性很好,并且也已经做了多年的推广,不会增加用户的学习成本,常用的ARM的不同平台其实都大同小异,升级换代也很简单,MCU无疑是物联网时代非常好的选择。”

迎来“第三个春天”与物联网众多应用密切相关的人工智能同样将促进MCU市场的增长。富邦证券预估人工智能所创造的半导体芯片产值2025年将超过700亿美元,AI在机器智能学习发展的突破中催生了ASIC芯片需求,也衍生了IP、SSD、MCU的大商机。其中,机器人、工业应用、机器视觉、听觉等需求增加使模拟数据的产出也明显提升,利用MCU与传感器来得到外界信息的解决方案需求也将随之上扬。

物联网到底需要什么样的MCU 性能与功耗仍是关键

意法半导体(ST)MCU市场部区域经理彭祖年

更具体来说,意法半导体(ST)MCU市场部区域经理彭祖年接受采访时表示:“现在大部分人工智能都是在处理器或服务器级别的计算设备上实现的,MCU以前都是做一些相对简单的实时性应用,数据处理应用比较少。随着MCU制造工艺的变化使其与CPU之间的界限也开始变得模糊,MCU性能的提升使其可以多做一些算法,也能辅助人工智能的开发。ST推出的Cortex-M7内核高性能的MCU可以辅助大数据处理计算系统,也可以满足对实时性要求比较高的应用。比如在人工智能的一些神经网络引擎,已经可以在MCU上实现,可以帮助用户实现诸如场景识别等算法;另一方面,MCU所能提供的低功耗运行,将为消费类电子的AI算法应用带来更佳的用户体验。”

集成联网功能及更多接口满足物联网需求 MCU安全问题不容忽视

既然应用于物联网,那么无论是现在还是未来MCU的连网能力都是用于物联网连接设备中关键的特性之一。强大的无线连接能力不仅对许多物联网应用而言是必需的,而且这些应用也需要更先进的特性,例如对多协议无线的支持,可用来处理诸如多种网络的调试和共存这样的问题,无线连接能力也将简化的应用开发,使无线产品能够更快上市。

就MCU的连接能力,郭志锐表示:“传统的联网方式在中高端MCU产品中都已经有了,MCU集成无线连接技术已经成为了趋势,Wi-Fi、蓝牙、LoRa、NB-IoT都会集成到MCU的方案里,未来我们会根据具体的需求和应用场景决定集成的连接技术供客户选择,同时也将加快产品的开发速度以满足市场的需求。“彭祖年表示:”MCU联网功能已经成为了ST的重点市场策略之一,对于不同的联网产品形态我们都接受,现在比较着力于LoRa、NB-IoT、低功耗蓝牙等低功耗联网技术,我们认为这一块市场未来的发展将比较快。”

除了联网功能,高效的传感器接口、各种功能和集成也是关键。有业内人士表示,将各种功能集成到MCU中有许多益处,包括更低的解决方案成本、更小的占板面积和更高的功能集成度,进而可产生更高的性能和更低的能耗。郭志锐进一步表示:“更高集成度标准方案不仅成熟度更高,也可以节省用户开发、测试的成本,这将有利于方案和产品的推广。另外,稳定性非常重要,不过稳定性没有一个标准,也不可能一开始就做到很稳定。但MCU能做的就是运算能力的提升,因为系统稳定性的提升需更多的资源,MCU运算能力的提高是系统稳定的保障。除此之外,MCU的功耗仍然需要加强,物联网的很多节点都不是标准的节点,MCU会放在很多的产品之中,特别是那些可移动性的节点希望有很长的待机时间,MCU作为一个主控,在功耗很低的情况下整体控制达到一个很理想的状态,不仅能够保证功能的正常,实现方案的多样化,更能省去更换电池的麻烦。”

彭祖年还强调了灵活性,他表示:“物联网拓扑可以分为云-管-端,云端MCU的应用相对较少,MCU主要关注管和端。端的部分多种多样,取决于不同的产品形态和联网形式。物联网节点需要的功能五花八门,因此一个系列的MCU产品无法应对所有需求,一个灵活的平台奠定了用户开发的基础,灵活的平台具有伸缩性的方案设计,能让用户做简单的加减法。因此一个能够快速上手加快产品开发的灵活平台能够帮助客户降低节点功耗,提升通信安全性。”

提到安全性,彭祖年进一步表示:“MCU不仅仅是控制单元,也会与物联网应用场景中的云、电池、能源管理等有越来越紧密的结合,因此除了高性能、低功耗,集成联网技术和更多前端接口之外,安全功能也是MCU集成程度越来越高过程中不可忽略的部分。安全性是物联网非常重要的问题,不过这个问题之前没有被大家足够重视,很多物联网产品主要考虑功能的实现,没有注重数据的安全,系统防攻击能力也不够强,因此出现了许多物联网窃听或者偷窥的工具,不经意间个人隐私就遭到了泄露。ST早已意识到安全问题,在安全领域也一直比较有优势。我们有智能卡技术,包括加密技术,常用的加密算法发明人也是ST的员工,另外也有很深厚网络安全包括数据安全的技术积累。我们致力于打造一个从节点到云端的安全物联网架构和平台,举例来说,在我们的智能锁参考设计中,加入了许多安全、加密认证,提升产品的安全级别。”

周立功单片机同样在很早就注意到安全问题,郭志锐说:“我们从硬件和软件两方面提高MCU安全性。硬件方面通过加密芯片,在可控的范围内做一些很实在的测试,看能否达到要求,软件部分在应用上加入加密功能,让客户的方案更加保密,也能进行个性化的加密。” 还需要指出的是,对于安全性问题,两位受访专家都认为除了硬件与软件的加密,更要从系统的角度去考虑整体的安全问题,通信、数据等部分也需要考虑。

性能与功耗仍是关键 物联网多应用刺激32位MCU迅猛增长

提升联网能力、集成度、灵活性、安全性对MCU满足物联网应用必不可少,但如何在增加功能的同时实现更高性能和更低降低功耗仍然是MCU的挑战。彭祖年表示:“内核和工艺限制MCU性能的提升,与CPU需要把所有程序都放到内存运行不同,MCU是将程序放到片上Flash进行读取和执行,Flash的工艺包括读取速度都影响MCU性能的提升。不过随着新的IP技术的出现,比如ART加速器在MCU内部的广泛应用,这些限制性能的瓶颈已经被突破。功耗方面,之前MCU普遍采用180nm甚至更高制程工艺,ST现在推出的量产MCU基于40nm工艺,新的工艺不仅能降低功耗,也能对性能提升有所帮助。”

可以看到,M7内核的产品可以实现比较高的性能,更高性能的MCU产品也已陆续推出,郭志锐看好MCU产品性能的提升并强调MCU的功耗。他表示:“从供应商的角度,很重视功耗问题。从性能规划上来看,无论是50MHz、100MHz还是高性能400MHz、500MHz的系列都会有低功耗的产品。目的就是尽量在不降低性能和减少功能的前提下做到功耗最低,让客户有更好的选择。当然,要达到这个目标除了硬件方面的优化,软件方面也需要进行优化。因此不仅需要MCU厂商去努力,也需要方案厂商等的共同努力。另外,MCU的性价比在不断提升,与专用芯片的性价比越来越接近,这有利于MCU在物联网市场的推广。”

在不同应用的性能和功耗的需求下,性价比的重要性也能通过不同位数MCU的出货量体现出来。随着32位MCU 开发应用的成本逐渐降低,在消费电子、通讯产品、工业、医疗等领域已经得到了广泛的应用,32位MCU出货量急起直追,但仍未超越8位MCU。其中很重要的原因就是8位MCU性能的持续提升以及本身的价格优势。不过据记者了解,在人工智能、智能汽车等智能化应用的推动下,继全球领先的MCU企业之后大部分MCU企业都已经全面进军32位MCU领域,32位MCU将迎来更大幅度的增长。

物联网到底需要什么样的MCU 性能与功耗仍是关键

人工智能热门应用MCU展现本地处理与实时性优势

既然MCU的性能不断提升并且兼具低功耗的优势,那么在人工智能浪潮中MCU将发挥怎样的价值?我们不妨从人工智能目前最热的语音识别和图像识别两个应用去看。“从使用STM32 开发的语音识别方案看,MCU主要应用于语音的前端,即降低语音采集的噪音和语音识别的静态功耗。MCU使语音识别从睡眠到唤醒速度达到微秒级,同时实现更低静态功耗。另外,降噪处理能为识别提供纯净度更高的声音。不可否认,语音识别的实现大部分还需要通过云端,但通过MCU已经可以做本地化简单的命令和指令的动作,比如音量增大和减小。“彭祖年说明MCU在语音识中的应用。至于用MCU的性能发开图像识别算法中的应用,他表示目前基于STM32的指纹识别和人脸识别,已经有合作伙伴开发出了成熟的方案。

郭志锐同样认为MCU在语音识别中最重要的是做好本地处理和做到实时性,提供数据给云端进行识别,让用户的使用更更简单。他同时指出,MCU的性能已经越来越强,有了400-500MHz性能的产品,可以满足部分人脸识别的需求,比如,0-10个的人脸识别可以本地化,更多数量人脸识别就需要交给云端。而本地化的优势也十分明显,包括较低的成本、功耗更低以及低功耗带来产品多样化设计。周立功单片机将在语音应用中在节点方面加强,人脸识别利用MCU分担部分本地化功能,提供更多样化的方案。

不过人工智能不断更新的算法是所有AI芯片都必须面对的挑战,MCU也不例外。彭祖年认为MCU更强的性能能让其接纳更多的算法,也能发挥更多的作用,MCU厂商需要和更多的算法公司合作,共同应对新的挑战。郭志锐认为针对不同的应用和算法需求,结合成本和功耗方面的考虑,厂商可以选择不同的MCU产品,MCU产品的丰富性以及可塑性在这里也能得到体现。

那么适合人工智能应用的MCU产品有哪些?据了解,意法半导体在2016年发布了性能创纪录的微控制器STM32H7系列,该系列是基于Cortex-M7内核的40nm工艺产品,在片上Flash程序运行400MHz频率,采用以性能为中心的智能架构,内含三个独立的电源域,分别为高性能域、通信接口域和低功耗域。STM32H7提供给开发者更强的大脑,更多的通讯接口和数模外设,同时加入了ST最新的安全单元,可以为IoT产品带来更友好的人机界面和更安全的用户体验。

周立功单片机方面,郭志锐表示:“针对人工智能的具体产品暂时还不方便透露,可以确认的是我们将会用多元化的方式满足客户需求,具体来说将会通过提供模块、方案以及技术储备的方式。提供模块以及方案都比较容易理解,技术储备则是把技术整理好或者做二次开发。在2017深圳国际电子展上我们展出了智能锁和共享篮球的应用,周立功单片机希望让用户看到MCU越来越多的与物联网、人工智能联系在一起。”

物联网正在快速的发展,MCU作为物联网中关键的器件无论是联网能力、集成度、灵活性、安全性都在进一步提升,当然性价比的提升更是MCU在物联网应用中普及的关键。至于像人工智能的应用,MCU能够发挥本地化、实时化的优势,在人工智能应用中发挥辅助作用,但只有性能的提升才能让其承载更多的算法及智能化应用。

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