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  超低功耗MCU微控制器是微控制器的一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，主要針對(duì)便攜式設(shè)備、電池供電、能源采集等需要低能耗工作的電子產(chǎn)品。通常低功耗微控制器采用不同的設(shè)計(jì)方法和工藝選擇，降低微控制器的能耗和漏電流，使微控制器能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，為電池或能源采集提供更持久的耐久性。

  物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域，市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)

  近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸進(jìn)入工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域，特別是在水氣熱表、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療電子、智能家居、遠(yuǎn)程測(cè)控、無(wú)線傳感等應(yīng)用中，產(chǎn)生了大量的低功耗需求。如果連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)器要求電池壽命超過14天;物流監(jiān)測(cè)定位器要求電池壽命超過3個(gè)月;智能水表要求電池壽命超過6年;山體滑坡監(jiān)測(cè)器要求環(huán)境自供電永久壽命等。這些應(yīng)用程序使用電池供電或通過環(huán)境能量收集工作，需要幾個(gè)月甚至幾年的壽命，因此功耗已成為這些應(yīng)用程序最關(guān)鍵的限制因素。低功耗微控制器作為主要控制器件，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其功耗指標(biāo)的技術(shù)創(chuàng)新將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，并產(chǎn)生許多新的產(chǎn)品形式和應(yīng)用場(chǎng)景。

  2019年低功耗微控制器市場(chǎng)規(guī)模為44億美元，預(yù)計(jì)到2024年將增長(zhǎng)至129億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為24.1%。據(jù)相關(guān)資料預(yù)測(cè)，低功耗微控制器約占全球微控制器市場(chǎng)份額的15%~20%。在過去的五年里，ST微控制器的全球份額幾乎翻了一番，到目前為止，STM32的低功耗微控制器已經(jīng)出貨了20多億臺(tái)。隨著泛智能應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，低功耗微控制器市場(chǎng)將繼續(xù)擴(kuò)大，這一比例將進(jìn)一步提高。

  不同廠家的工作模式不同，但行業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)趨于統(tǒng)一

  不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)微控制器的功能、性能和功耗有很大的不同。有些場(chǎng)景需要全速工作，有些場(chǎng)景需要低速工作，有些場(chǎng)景只需要間歇工作。對(duì)于這些不同的應(yīng)用場(chǎng)景，制造商進(jìn)行了精細(xì)的設(shè)計(jì)，以支持不同的操作模式和不同深度的休眠模式。但對(duì)于不同工作模式的設(shè)計(jì)和定義，不同的微控制器制造商有不同的設(shè)計(jì)和命名，因此很難直觀地比較產(chǎn)品之間的功耗特性。

  為了更好地評(píng)價(jià)低功耗微控制器的功耗特性，嵌入式微處理基準(zhǔn)協(xié)會(huì)(EEMBC)于2014年3月提出了ULPMark標(biāo)準(zhǔn)，旨在為開發(fā)人員提供可靠合理的微控制器能效測(cè)量方法。該標(biāo)準(zhǔn)支持ULPMark-CoreProfile和ULPMark-Peripheralprofile兩個(gè)版本。

  ULPMark-CoreProfile:專注于MCU的核心測(cè)試。該測(cè)試基準(zhǔn)規(guī)定了10個(gè)1秒的處理周期，每個(gè)處理周期MCU需要完成指定的通用操作任務(wù)，然后才能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。最后，以10個(gè)周期的平均能耗作為評(píng)估芯片功耗水平的依據(jù)，給出ULPMark-CP的分?jǐn)?shù)。該分?jǐn)?shù)充分反映了芯片的運(yùn)行功耗、睡眠功耗和模式切換過程功耗，從而全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)芯片的功耗指標(biāo)。

  ULPMark-PeripheralProfile:專注于MCU常用的外設(shè)測(cè)試，包括脈寬調(diào)制(PWM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、串行外設(shè)接口(SPI)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。該測(cè)試基準(zhǔn)規(guī)定了10個(gè)1秒的處理周期，每個(gè)處理周期將按要求使用ADC、SPI、PWM、RTC等外設(shè)。任務(wù)完成后，內(nèi)核和外設(shè)可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)。最后，根據(jù)10個(gè)周期內(nèi)的平均能耗來(lái)評(píng)估芯片的功耗水平，給出ULPMark-PP的分?jǐn)?shù)。

  ULPMark提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試基準(zhǔn)，可以對(duì)微處理器的不同工作模式進(jìn)行綜合評(píng)將測(cè)試結(jié)果數(shù)字化，具有直觀的可比性。該測(cè)試基準(zhǔn)得到了微控制制造商的廣泛認(rèn)可，國(guó)際主要的MCU制造商都是其成員，使用ULPMark標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的功耗，并將相應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)上傳到EEMBC的ULPMark運(yùn)行點(diǎn)列表中。該列表向公眾公開，您可以直接登錄該網(wǎng)站。

  國(guó)內(nèi)外大廠相繼布局，低功耗技術(shù)各顯神通

  鑒于廣闊的市場(chǎng)前景和強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)，大多數(shù)半導(dǎo)體制造商都在努力在低功耗領(lǐng)域進(jìn)行布局。如何實(shí)現(xiàn)低功耗微控制器，制造商展示自己的魔力，努力將功耗指標(biāo)推向極端。

  國(guó)際廠商在低功耗領(lǐng)域布局較早，已經(jīng)形成了ST支持STM32L1、STM32L0、STM32L4、STM32L4、STM32L4+、STM32L5等多系列產(chǎn)品布局。其他廠商，如Microchip、SiliconLab、TI等，也有自己的低功耗系列產(chǎn)品。

  近兩年來(lái)，國(guó)際廠商逐步推出超低功耗系列產(chǎn)品，擴(kuò)大智能物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。如瑞薩半導(dǎo)體RE系列、意大利半導(dǎo)體STM32U5系列、AmbiqmicroApollo系列等?；诂F(xiàn)有低功耗技術(shù)、低功耗應(yīng)用和低功耗IP的積累，從工藝、設(shè)計(jì)方法等方面尋求技術(shù)突破，先后推出了超低功耗產(chǎn)品系列。

  瑞薩半導(dǎo)體于2019年底推出了超低功耗微控制器RE系列。該芯片采用瑞薩獨(dú)特的SOTB(Siliconthinburiedoxide)工藝，可同時(shí)降低運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗。RE系列微控制器的電流消耗可低至25μA/至25μA/MHz，待機(jī)狀態(tài)下可低至400na。這種超低功耗指標(biāo)可以顯著延長(zhǎng)嵌入式設(shè)備的電池壽命。該芯片可用于自供電應(yīng)用，用戶可以通過從環(huán)境中收集能量(如光、振動(dòng)或液體流動(dòng))來(lái)提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的永久壽命。

  意大利半導(dǎo)體憑借其豐富的低功耗技術(shù)儲(chǔ)備和低功耗市場(chǎng)的積累優(yōu)勢(shì)，于2021年推出了超低功耗旗艦產(chǎn)品STM32U5系列。該芯片采用全新的40nm工藝，集成了先進(jìn)的DC/DC電壓動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換器，將動(dòng)態(tài)功耗降低到19uA/MHz以下。此外，STM32U5還采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、獨(dú)特的STARTAcelerator訪存加速技術(shù)，支持越來(lái)越靈活的低功耗模式，確保在不同應(yīng)用場(chǎng)景下具有競(jìng)爭(zhēng)力的功耗指標(biāo)。

  AmbiqMicro是一家專注于超低功耗的MCU制造商，其Apollo系列引領(lǐng)了超低功耗MCU的新方向。Apollo系列基于亞閾值功率優(yōu)化技術(shù)(SPOT)平臺(tái)，運(yùn)行功耗可低至6ua/MHz，是全球同類產(chǎn)品中運(yùn)行功耗最低的微控制器。亞閾值功率優(yōu)化技術(shù)(SPOT)是目前實(shí)現(xiàn)超低功耗最有效的技術(shù)，使晶體管能夠在遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的電壓水平下工作，從而大大降低芯片功耗。因此，其解決方案實(shí)現(xiàn)了功耗改進(jìn)的跨越式改進(jìn)。

  國(guó)內(nèi)MCU制造商進(jìn)入該行業(yè)較晚，無(wú)法與國(guó)外制造商相比，從產(chǎn)品型號(hào)的類型和關(guān)鍵技術(shù)的積累。國(guó)內(nèi)大多數(shù)32家MCU制造商仍處于填補(bǔ)主流型號(hào)的階段，只有少數(shù)制造商真正擁有低功耗系列型號(hào)。但令人欣慰的是，近年來(lái)，一些國(guó)內(nèi)制造商已經(jīng)開始布局低功耗領(lǐng)域，增加了對(duì)低功耗微控制器的研發(fā)投資，并推出了具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品型號(hào)。

  趙毅創(chuàng)新作為國(guó)內(nèi)32位微控制器的領(lǐng)導(dǎo)者，于2021年10月推出了首款低功耗微控制器GD32L233系列。該芯片基于ARMCortex-M23核心，采用40nm超低功耗(ULP)工藝，采用多電壓域低功耗設(shè)計(jì)方法，集成專門優(yōu)化的低功耗模擬IP。據(jù)報(bào)道，該芯片的運(yùn)行功耗最低為66ua/mHz，深度睡眠模式最低為2ua。適用于工業(yè)表計(jì)、小型消費(fèi)電子設(shè)備、便攜式個(gè)人健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等能效敏感應(yīng)用。

  華大半導(dǎo)體在低功耗32位微控制產(chǎn)品的研發(fā)中布局較早，先后推出了HC32L110、HC32L130、HC32L136產(chǎn)品系列。該系列芯片基于Cortex-M0+核心，采用華虹宏力110nm超低漏電(ULL)嵌入式閃存技術(shù)和多電源領(lǐng)域低功耗設(shè)計(jì)方法。芯片運(yùn)行功耗為130ua/mHz，深度睡眠模式最低為0.9ua，適用于傳感器、火災(zāi)探頭、智能門鎖、無(wú)線煙霧、智能表計(jì)、便攜式醫(yī)療電子、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域。

  中科芯瑞是一家專注于低功耗MCU的國(guó)內(nèi)制造商，今年5月推出了XRM32UL051系列。芯片采用獨(dú)特的亞閾值技術(shù)和異步電路技術(shù)，基于Cortex-M0+核心和超低漏電的先進(jìn)工藝，運(yùn)行模式功耗低至20ua/MHz，深度睡眠功耗低至0.7ua。該功耗指標(biāo)接近國(guó)際制造商(意大利法、瑞薩)的最新產(chǎn)品指標(biāo)，適用于智能門鎖、智能表計(jì)、便攜式醫(yī)療電子等傳統(tǒng)低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，支持環(huán)境自采集應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長(zhǎng)期壽命。

  芯片采用的亞閾值技術(shù)和異步電路技術(shù)是世界上最先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，是環(huán)境能源采集自供電應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)超低功耗芯片的最有效手段。目前，中科芯瑞XRM32UL051已通過ULP-Mark評(píng)估，評(píng)估得分高達(dá)451分，在世界同類核心中排名第一。

  低功耗MCU有助于促進(jìn)我國(guó)消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

  超低功耗MCU在可穿戴電子、便攜式醫(yī)療電子、傳感器終端、遠(yuǎn)程測(cè)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，智能、小型化、輕重量、長(zhǎng)壽命是終端節(jié)點(diǎn)不斷追求的目標(biāo)，低功耗是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最關(guān)鍵因素。低功耗MCU作為終端節(jié)點(diǎn)的核心控制器件，在工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近兩年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)MCU制造商開始布局低功耗MCU，更多的低功耗MCU產(chǎn)品加速了各種創(chuàng)新終端產(chǎn)品的出現(xiàn)，促進(jìn)了行業(yè)的快速發(fā)展和升級(jí)。