通用MCU的变革 MCU该如何与时俱进？专用SoC是未来？

1971年，当英特尔公司发明第一款4位微处理器intel 4004的时候，很多人想将其应用到小家电领域，但是，由于成本太高同时应用时还需要其他电路配合，这个设想最终被否定掉。

图1 TI的TMS 1000系列MCU 后来，TI工程师的Gary Boone和Michael Cochran发明了全球第一颗微控制器（MCU）--TMS 1000系列（上图），他们把一些外围器件如存储器、时钟以及其他一些功能集成到一颗芯片上，这就是最早的MCU，一个IC新品类诞生了！之后，日本电子厂商开始生产汽车用微控制器，包括用于车内娱乐、自动雨刷、电子锁和仪表盘的4位MCU，以及用于发动机控制的8位MCU。 后来，英特尔开发了一种针对控制应用进行优化的MCU--这款芯片最终会应用到超过10亿个PC键盘上。再后来，更多厂商进入MCU领域不断丰富MCU的外设和功能，MCU终于成为半导体IC领域的生力军。 最早的MCU采用EPROM来存储程序代码通过紫外线实现程序擦除，这样很不方便，后来，EEPROM存储器的引入使微控制器实现了快速原型开发和系统内编程，但早期EPROM成本较高难以让MCU普及。

20世纪的90年代初，挪威理工大学的两个研究生Alf-Egil Bogen和Vegard Wolla因不满于当时主流的冯·诺依曼架构在计算性能和数据处理速度方面的局限性，开拓性的基于哈佛结构发明了一套Flash存储器的RISC控制器架构，接下来的几年里， Alf和Vegard不断完善设计，成就了后来赫赫有名的AVR单片机。

图2 Alf和Vegard共同定义的AVR架构珍贵手稿 图片来源：网络   后来，Atmel认可了Alf和Vegard的MCU创新架构。1997年首款以Alf和Vegard首字母命名的基于RISC指令架构的AVR单片机1890S1200成功上市并大获成功！ AVR面世10年后的2007年，Atmel的AVR单片机年出货量已经高达3亿片，一举跃入8位MCU全球前五行列，并在2010年进入全球前三，Atmel因此获得了巨大的商业成功。其实我们回顾MCU发展历史就可以知道让Atmel大获成功的主要因素就是针对MCU应用解决了工程师开发痛点。这是因为MCU自出生起就打上了和CPU明显不同的烙印--它是为应用而生的，有明确的应用场景，如今，50年过去了，MCU也步入了中年，经过不断演进，MCU的应用越来越广泛，功能日益复杂，但它似乎却忘掉了初心。 这个初心就是MCU是为应用而生，传统上，MCU的应用领域明确而庞大，如玩具市场、工业控制、汽车电子、白家电等，但是在物联网以及智能化浪潮来临以后，传统的MCU面临却越来越多的挑战，它必须做出改变，去适应应用需求的变化，MCU该如何与时俱进呢？       专用SoC是未来？      

图3  上海泰矽微电子创始人兼CEO熊海峰 “近几年物联网爆发式的增长以及传统产品的智能化改造对MCU提出了新需求。传统MCU需要添加越来越多的外围器件才能满足这些新需求。例如传感器的普遍使用对MCU的片上运放、PGA和ADC都提出了更高的精度要求，而且要针对物联网应用定制更低功耗的架构和各类外设以实现长时间电池续航，催生了带AFE的SoC；无线应用的普及需要将无线无缝的融入应用系统，催生了Wireless SoC的产生……”上海泰矽微电子创始人兼CEO熊海峰在接受电子创新网独家专访时指出，“我们看到，越来越多的垂直领域MCU呈现专用SOC化的趋势，就是“MCU+更多特定功能”。我认为高性能专用SoC更符合物联网的应用需求。”

图4  通用MCU需要增加功能适应物联网应用 他进一步解释说，专用SoC采用多芯片融合，提升了集成度，减少客户BOM成本，另外也提高技术门槛，避开价格厮杀和竞争同质化，还有物联网垂直市场众多，且单个市场体量巨大，在产品开发方面，通过在各垂直方向系列化，可以共用基础平台，降低开发边际成本，缩短开发周期，这些策略都可以让专用SoC快速适应物联网的需求。 作为一名MCU“老兵”，熊海峰曾在Atmel工作9年，担任过亚太区MCU事业部负责人，在Atmel工作期间，他深度参与了Alf与Vegard领导下的AVR产品从战略制定、产品定义、开发到生态构建及产品商业化的全过程，可以说，他MCU充满了热爱，也同时对MCU的发展有敏锐的洞察。

图5  2019MCU国内市场对比 “在传统MCU市场，国内市场约400亿民币，但国产化率只有6%左右，高可靠性市场仍为欧美日韩品牌垄断，国内品牌集中在同质化严重的低端市场，而通用MCU的高端市场又存在切入门槛高，周期长的特点，本土公司要打破这个局面难度很大。”他指出，“而我们看到，近几年物联网市场复合增长率约28%，远超通用MCU的4%，此外，物联网应用价格敏感度高，需持续降低产品BOM，而且物联网应用主要集成通信、算法、电池和各类传感器等，基于现有MCU的方案需增加外围电路 ，而鉴于通用MCU与需求之间的鸿沟比较大，所以越来越多大客户选择定制SoC，这就是力推专用SoC的原因。”  “当然，另外一个重要的原因和优势是目前泰矽微的核心团队来自于成建制的Atmel MCU团队，我所负责的团队中有一支专注于垂直市场应用的方案团队。在那里，我们积累了大量的各类应用方案。”他补充说。

图6图7  泰矽微获得芯师爷两项大奖 借助物联网中传感器的典型应用对通用MCU和泰矽微带AFE的专用SOC进行了比较。凭借着举例中的这款AFE的SOC，泰矽微也刚刚荣获了由芯师爷主办，慕尼黑电子展协办的“2020年度硬核中国芯”评选中获得“最佳国产MCU”和“最具潜力IC设计企业“两项大奖。以及在2020年上海进博会上获得由毕马威举办的”芯科技“新锐企业50评选中获得殊荣。 他进一步举例说明传统MCU在实现物联网系统应用的短板---芯片复杂、面积大、成本高！而如果采用泰矽微高性能专用SoC，则可以实现简单、小面积和低成本的方案！下两图是对比。

图8  通用MCU功能框图

图9  泰矽微专用AFE SoC框图 最早的物联网市场呈现碎片化的特点，单品类应用难以起量，但是现在，随着物联网市场爆发，细分的单品类应用开始起量，采用定制专SoC成为可能---所谓专用SoC就是在原先采用MCU的赛道上识别出比较大的垂直市场机会，然后用定制的方式整合原先通用MCU的功能，以及之前MCU没有的功能。 对于开发者来说，他可以继续以MCU的思路和开发专用SoC，只要把增加的部分作为外设来对待就可以。“泰矽微专用SoC将通用MCU架构与专用模拟电路、通信、电源硬件加速器等融合来满足特定应用的SoC芯片。我们这个AFE SoC方案的特色是单芯片无缝对接传感器，成本降低50%以上！”他强调，“我们的方案基于专利技术Tinywork，在传感器应用中可实现uA级工作电流，是基于常规MCU功耗的1/5，此外我们有高精度信号链，支持24bitADC，内置低噪声运放，内置参考电压、参考电流，此外还免外部时钟源和退耦电容解决方案。” 熊海峰表示泰矽微专注于数字+高性能模拟／射频混合的专用SoC芯片市场，对标是德州仪器（TI）；Microchip等国外巨头。他已经制定了5年发展计划：1、2020年定制打造低功耗、低成本、高可靠性的SoC芯片平台；2、2020-2021年基于定制SoC平台开发数个专用SoC芯片3、2021-2022打造一套通用软件框架和工具链4、基于平台持续拓展专用SoC，内部开发+外部合作

图10 几个主要器件市场规模 “泰矽微的策略是消费电子、行业和工业并举，聚焦信号链、电源和射频三大领域，与MCU进行融合，这些领域的规模远超过MCU领域。”他指出。 据他透露，目前泰矽微精心打造的两款SoC已经流片成功，一颗集成各种信号链组件，高性能AFE SoC覆盖绝大部分传感器应用。还有一颗集成射频和无线通信协议，电表无线通信专用SoC，支持国际和国内主流标准。此外，泰矽微还在联合其他应用领域的头部厂商，开出了多个规格的产品，多个产品在开发过程中，其中不乏和头部消费类产品厂商共同定义的潜在爆款产品。目前，泰矽微已与多家行业头部厂商签署了战略合作协议或意向订单。这意味着泰矽微的专用SoC已经获得了市场的认可。熊海峰表示泰矽微近日也开始启动A轮融资，本轮计划融资5000万人民币，用于更多专用SoC芯片研发投入，构建SoC平台级芯片公司。据悉 ，泰矽微拥有成熟的芯片研发团队、强大的渠道能力和丰富的客户资源。创始团队均来自于国际知名芯片厂商Atmel、TI、Marvell、海思等，平均积累了20多年芯片销售资源和产品研发经验，有几十次成功流片经验，也有数亿片量级芯片产品的量产和运营经验。  

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