在由DIGITIMES主辦的微控制器技術與應用論壇中，瑞薩電子(Renesas Electronics)微控制器系統事業部總經理市川正臣首先主講當前綠色MCU設計趨勢，以及瑞薩R8C、78K、RL78系列MCU與32位元SuperH、V850、RX MCU相關技術介紹。 新唐科技(Nuvoton)微控制器行銷企劃部經理黃日安，敘述當前MCU市場與32bit MCU主流趨勢，並提出Cortex-M0取代8051單晶片的應用，介紹新唐NUC500/700/900 Soc單晶片、NuMicro Mini51/Nano100 MCU晶片與應用。 放大 [放大圖片] 消費性電子產品智慧化趨勢帶動微控制器市場蓬勃發展，相關主題研討會深受業界人士關注。 放大 [放大圖片] 國家實驗研究院國家晶片系統設計中心組長 黃俊銘。 意法半導體(ST)產品行銷經理楊正廉，介紹全球性能最高且基於ARM Cortex-M4架構的STM32 F4系列MCU，提供即時記憶體存取加速、多重AHB匯流排與浮點運算功能，並且擁有高效能低功耗的優勢。 國家實驗研究院國家晶片系統設計中心組長黃俊銘，針對微控制器在車用電子、通訊、電腦、消費性電子應用，以及多核心、異質性元件的積體構裝技術趨勢做探討。 晶心科技智財產品客服部經理李明豪，介紹晶心研發的AndesCore核心─入門N8、中階N9以及高階提供DSP加速與FPU浮點運算的N10處理器，列舉與競爭對手在效能與功耗上的比較，以及後端整合開發環境(IDE)與函式庫上的客戶技術支援。 益登科技技術經理苗延駿，介紹由Silicon Labs研發的低功耗無線節點╱網路感測技術。憑藉環境能量採集(Energy Harvesting)技術，可作為智慧電表、工廠環安、基礎工程與生態監控的部署應用。 論壇最後，UL亞太區諮詢事業發展經理陳立閔，聚焦智慧電網架構面臨的獨立電源挑戰，針對孤島效應、充電防護、連網設備上的安全威脅進行討論，並介紹UL2744智能環境標準與IEC 61508-0安全控制標準。 國家晶片系統設計中心組長黃俊銘指出，智慧電子系統是台灣今(2011)年5月啟動的國家型科技計畫的重點項目。目前台灣IC設計業市佔率全球第2，但因為過去偏向純硬體設計與製造，從2008年開始有成長趨緩現象，因此教育部、經濟部技術處、工業局、國科會工程處與衛生署成立國家實驗研究院，結合產官學研力量，從醫療電子(M)、綠能電子(G)、車用電子(C)、通訊/電腦/消費電子(3C)的MG+4C異質整合與多樣化之應用，協助IC設計產業再次躍升。 智慧電子國家型計畫的推動方向，在醫療電子部分，包括體外診斷/治療與植入式診斷/治療技術、醫療電子品質系統與行銷管道建立、建構醫療電子產業鏈等；綠能電子部分則有家電、車用電子、3C/IT的驅動控制╱轉換技術與晶片電能管理；生物電子部分則有電能管理與能量採集(Energy Harvesting)技術；車用電子方面，則從多核心嵌入式系統架構與開發工具、多媒體與資通訊技術、行車輔助應用裝置以及汽車電源控制技術等項目著手。 MG+4C異質整合多樣化的應用 黃俊銘提到，未來高齡化時代對老年化社會的尖端照護，需要多樣少量、特殊化的醫療電子產品，可帶動無線生醫網路技術與產業創新的機會。而優質平價商品市場的時代，業界更需要以產品導向、共通平台與IP多樣化來因應，並導入電子異質系統，以半導體為基礎擴散至節能、車用、醫療電子以提高附加價值。而CMOS製程、微機電、多核心、感知&致動器，以及3D IC、TSV都是當前欠缺關鍵技術但未來看好的項目；微縮製程持續突破、18吋晶圓/機台導入，以及新材料、新元件、新配線的概念，將持續吸引學研機構前瞻研究與產業持續投資。 智慧電子產品的實際SoC案例 黃俊銘舉例，譬如Nintendo 3DS掌中遊戲機，內部採用Nintendo的1048 0H SoC晶片；蘋果Apple的iPod shuffle內部則採用Sigmatel STMP3550 SoC晶片。2011年推出的Apple iPad 2平板電腦，使用由ARM授權、Apple自行開發的A5雙核心SoC晶片；微軟Microsoft Kinect使用PrimeSense公司的PS1080-A2 SoC晶片。另外由Parrot公司研發的無線遙控AR Drone直昇機，內部採用由ARM授權的Parrot6 SoC晶片。Cirrus EP9312晶片，採ARM 920T CPU核心，工作時脈200 MHz，內建MaverickCrunch與MaverickLock Security Features保全編碼功能，可作為網路音樂點播機的應用。 結合DSP數位訊號處理單元與ARM的SoC應用，有TI OMAP5910採150MHz TI TMS320C55x DSP與150MHz ARM925核心SoC，而Freescale MSC8144 DSP Farms處理器內建4個Starcode SC3400核心；Cradled的CT3616 MDSP更是異質性多核心的代表，具備兩個多核處理單元，每個單元有4個GPP、8個DSP與8個記憶體控制晶片所組成的SoC晶片。Triscend開發出A7 Configurable SoC晶片，由ARM7TDMI CPU核心搭配可組態SoC邏輯矩陣電路閘(FPGA)所組成。 在其他異質性整合應用上，像德儀(TI)發表的TI eZ430-Chronos運動型手錶，採TI CC430F613x內建無線射頻的SoC單晶片，可感測到配戴手錶者的運動情況，以無線方式傳回電腦網路上。另外還有Energy Harvesting System─利用陽光、熱能、動作、無線產生能源的能量採集應用實例。 MCU整合技術演進與未來趨勢 黃俊銘指出，MCU從過去簡易的8051演變到今日像TI Stellaris複雜的SoC ，開發平台從過去與主機板一樣到今日與USB隨身碟大小相當，Parallax BASIC Stamp 2微控制器模組和1張郵票差不多。再發展下去，Heterogeneous Integration(異質性整合)將CMOS製程邏輯晶片、光通訊晶片、微機電、砷化鎵雷射晶片、記憶體晶片一起整合成單一晶片外觀。例如TI的OMPA35x SoC就是由以PoP技術堆疊的記憶體晶片，透過Back to Face的方式與下方OMAP3處理器晶片結合，再連接到下方的Substrate基板形成1個3D IC晶片。 國家實驗研究院開發出MorPACK三維異質整合系統平台，整合CMOS邏輯閘、光通訊、RF無線射頻、記憶體、微機電、生物晶片等異質性晶片，可縮短訊號傳輸距離、提高效能並具備環保與低成本效益。下一個階段研究的是Wafer Stacking and Die-on-Wafer Stacking(DSD)，將不同製程的矽晶片藉由Face to Face、Face to Back、back to back與back to face四種堆疊組合模式，輔以凸塊(Bumper)、矽穿孔(TSV)以及繞線(Wire bone)方式連接到最底層承載基板。 黃俊銘總結，SoC MCU的應用將走向多樣化，藉由異質整合技術，把多種功能晶片整合成1個晶片外觀，同時兼顧低耗能的趨勢，把尺寸與體積進一步縮小。 <摘錄電子>

為了掌握32位元MCU的市場主流，MCU廠商開發出可彈性配置的各系列處理器IP，提供給IC設計業者依自身需求，入駐到各嵌入式平台、消費性電子、車用電子、無線與電腦週邊以實現關鍵應用…

晶心科技(Andes Technology)智財產品客服部經理李明豪指出，根據IDC最新研究報告，應用於智慧電表、智慧電網、智慧型手機與智慧電視的「智慧型系統 (Smart Systems)」，其中8051單晶片每年有50億顆，而32位元MCU每年出貨超過20億顆，預估到2015年MCU共消耗超過125億顆，較2010年倍增，且為整體處理器市場貢獻1,000億美元以上營收。他也指出32bit MCU(18%)已經繼DRAM(31%)之後，成為2010年第2大快速成長的IC產業。

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晶心科技智財產品客服部部經理　李明豪。
若以IC Insights統計與預測數據，4/8、16與32位元MCU在2010年已經拉開成55.28億、39.08億、56.92億美元，32位元MCU市場主流地位明確，預估2011年將進一步成長到59.15億、42.6億與68.88億美元，而到2015年，32bit MCU市場將成長到116.45億美元，遠超過4/8bit與16bit MCU的市場總和。而MCU市場的新興應用項目，例如車用電子的停車輔助、動力總成與車內娛樂系統，消費性電子的GPS手錶、Cywee體感控制器與HMI人機介面裝置，工業控制部份有條碼掃描器、POS及變頻馬達，在電腦週邊部份有無線滑鼠、USB隨身碟，通訊部份有ETC、SIM卡與手持無線電等。


32bit MCU成為推升市場新興應用的最佳甜蜜點

李明豪認為，新一代MCU應具備3大特質：1.運算效能：處理網際網路種種堆疊協定、資料保全防護與重量級中斷服務，以及算術運算加速功能；2.資料傳輸量：可延展的資料匯流排寬度／流量，有效率的資料傳輸，及內建DMA直接記憶體存取功能；3.能源效率╱執行功耗。因此MCU必須考慮到下面各點：1.晶片成本。像是邏輯閘(gate count)與內嵌Flash與RAM容量。2.效能：大多數MCU應用均低於100MHz，因此DMIPS/MHz(每單位MHz的Dhrystone MIPS)成為最實際客觀的評估指標。3.單位功耗執行效率(DMIPS/mW)：平均每一毫瓦(1mW)可以執行多少個Dhrystone MIPS。4.開發環境：是否提供圖形化的整合性開發環境(IDE)，同時提供低價的ICE偵錯電路環境，甚至系統內部Flash韌體更新(In-System flash programming)的功能。5.作業系統(OS)、函式庫與應用程式的支援，都是業界選擇MCU時要審慎評估的重點。

李明豪指出，32bit MCU超越8bit MCU的機會，在於兩者gate count差距縮小，越來越高的效能需求，單位功耗執行效能的重視，以及當今MCU Flash晶粒電路空間大過MCU核心電路，且越來越多新興應用如醫療裝置、智能電錶、無線感測裝置與USB隨身碟皆直接使用32bit MCU。以晶心Andes嵌入式技術應用為例，在過去以8051作為藍牙、觸控螢幕IC等應用，轉移到32bit MCU之後，傳輸速率增加10倍(Bluetooth BT4.0 vs BT2.0、SD 4.0 vs SD 2.0、USB 3.0 vs USB 2.0)，同時帶來更低功耗，像BT 4.0比BT 3.0降低90%的功耗，目前已經有8家客戶採用晶心的嵌入式MCU IP技術。


32bit MCU的技術優勢與晶心AndesCore IP方案

李明豪指出，使用晶心AndesCore 32bit MCU好處在於：1.增加I/O頻寬，像是應用USB 3.0的5Gbps傳輸，USB 3.0用8051可以做但辛苦，總成本與32bit MCU相比沒任何優勢。2.全記憶體定址管理：32bit MCU擁有4GB/16MB記憶體定址空間。3.提供更多像網際網路、線上交易╱保全編碼與MP3播放功能。4.有效率的開發工具：例如JTAG ICE(5 wires)、CJTAG ICE(2 wires)甚至ESL (Electronic System Level，電路層級)的偵錯工具。以及5.作業系統與應用程式的支援。

此外，AndesCore MCU提供32位元與16位元混合指令集，可交互運用縮減程式碼長度，並提供先進的加速指令集以加速編碼、累乘╱加法與DSP運算，同時硬體採自由可組態架構，沒有多餘不用的硬體電路╱邏輯閘；提供32位元資料寬度、累乘╱加法與除法電路。軟體開發上，提供C語言作為啟動與中斷服務函式(ISRs)；最後，32bit MCU提供低功耗高執行效能，以及整體最佳性價比。晶心科技的AndesCore IP設計，以具備可配置CPU核心、最精簡的平台、高效能容易使用的開發工具與free RTOS、2 wire ICE兩線ICE偵錯介面設計，有MCU專用開發板，量身訂作的訓練課程等6大特色，滿足業界32位元MCU的需求。


AndesCore N801處理器

Andes N801-S處理器採用第3代AndeStar V3m指令集微架構，為單一核心3階管線化設計；具備16個2R1W的通用暫存器群(GPRs)，提供16MB記憶體定址空間，提供16組4階可直通中斷處理機制，並提供電源管理功能、全時脈閘控制，支援Secured debug module (EDM) for 2-wire and 5-wire JTAG ICE偵錯裝置。N801-S可提供單週期乘法指令或17週期的乘法電路，對外搭配1MB區域記憶體或不需要，採ARM相容的AHB-lite或APB匯流排介面等組態。

N801-S鎖定8051單晶片、與ARM Cortex-M0等邏輯閘數、設計功耗相近的競爭對手相比，其效能是8051的10倍以上。以90奈米綠色製程製造的N801-S，與競爭對手ARM Cortex-M0在邏輯閘數、設計功耗相近，Andes N8不僅提供硬體除法電路，同時在DMIPS/MHz以及DMIPS/mWatt(每單位毫瓦百萬Dhrystone指令運算)數分別為1.08~1.22、62~75，比ARM Cortex-M0的0.9~0.9、53~60提升了20~36%、17~25%不等。


AndesCore N903/N903A處理器

Andes N903/N903A是採單核心5階管線化設計，具備靜態分歧預測電路、快速/短指令乘法與除法硬體加速電路，具備全時脈調控與電源管理。可提供16/32個GPRs及0~32KB彈性化快取配置，總邏輯閘數依配置從46~136K；N903A並提供額外的音訊(Audio)加速指令集。採AHB/AHB-lite/APB/AMI匯流排介面。

以台積電130奈米製程下最大時脈為200MHz，與所設定的競爭對手ARM Cortex-M3相比較，Andes N903/N903A在DMIPS/MHz領先2%，晶粒面積與功耗表現(uW/MHz)減少43%、41%；若與ARM7TDMI與ARM7EJ-S相比，Andes N903/N903A折算出1.36 DMIPS/MHz，在DMIPS/MHz也超越Cortex-Mx系列1.25 DMIPS/MHz的表現。N903晶粒面積與功耗(uW/Mhz)比ARM7TDMI與ARM7EJ-S減少49%、37~48%。

若以矽晶粒面積為橫軸、效能為縱軸，N801定位在入門級MCU，鎖定的競爭對手為Cortex-M0，N903是進化版MCU，鎖定的競爭對手為Cortex-M3與ARM7EJ，N1033A、N1068屬於訊號處理(Signal processing)等級MCU，鎖定的競爭對手為Cortex-M4。


AndeSight整合式開發環境

李明豪提到，客戶可藉由AndeShape SoC、VEP SoC Simulator等三合一硬體開發偵錯套件，在AndeSight整合式開發環境上開發AndeSoft軟體，並且依SoC晶片的需求做記憶體、Flash程式化參數、SoC模擬參數配置的調整。AndeSight提供流暢的使用界面供開發MCU，提供程式碼壓擠功能與針對AndeStar ISA指令集架構最佳化的編譯器，提供Andes MCU函式庫，晶片ID、SoC暫存器、暫存器預設值、工具鍊、除錯程式與VEP模擬器設定，快閃記憶體程式化參數與記憶體配置layout圖。較Open Source函式庫更能提供50~62%的程式碼縮減空間。

AndesCore也可使用2-wire兩線式低成本的CJTAG ICE，直接以USB連接ICE並針對N8/N9 MCU平台偵錯。另外因應ZigBee在無線感測上的普遍應用，AndeSoft在軟體協定堆疊層追加了對ZigBee IEEE 802.15.4協定的支援。

李明豪總結指出，晶心AndesCore 的IP智財，輔以後端AndeSight IDE整合開發環境的協助，幫助業者達成：1.架構輕量化，包含從CPU、平台到工具╱函式庫支援鍊的輕量化；2.風險最低化：提供20小時的訓練課程，彈性化的授權商業模式，及CPU與SoC整合的技術諮詢；3.成本最佳化：提供小於8051的程式碼，相同低成本的2-wire ICE偵錯環境，以及低成本高效益的開發評估板，協助業界完成各種嵌入式平台、車用電子、醫療╱工控與無線感測等應用。

<摘錄電子>