漫威宇宙的困境

不起眼的微控制器正受到方方面面的挤压。虽然大多数半导体行业都能够利用摩尔定律，但MCU市场却因为闪存无法扩展到40nm以上而步履蹒跚。

与此同时，语音激活和更丰富的传感器网络等新功能需要为某些市场集成推理引擎。在其他情况下，可靠性、安全性和/或安全性增加了这些设备所需的复杂性水平。因此，MCU供应商正在重新思考这些设备的外观，消除了许多长期以来的假设。

mcu范围大。“嵌入式应用所需的技术在不断发展，MCU市场上有数千种选择，”Thomas Ensergueix说，他是英特尔汽车和物联网业务线的高级总监手臂．“从简单、低成本、深度嵌入式传感器到运行操作系统的高度复杂设备，使我们的合作伙伴能够提供超低功耗、能量收集设备到功能安全的人工智能智能机器。我们的目标是以最低的成本、最低的风险和最快的时间把想法变成现实。”

低端对mcu来说仍然很重要。“我们的大多数客户仍在使用8位微控制器，”at的IP董事总经理法扎德•扎里法尔(Farzad Zarrinfar)表示Mentor是西门子旗下的企业．“8051/2仍然是非常受欢迎的核心。这些人非常关注低功耗，比如蓝牙低能耗类型的应用。”

在另一端，范围正在扩大。“今天的应用需要灵活的处理解决方案，以便在处理性能、功耗、内存和可编程阵列的集成、底层半导体技术和其他方面找到最佳的折衷方案，”罗兰德·扬克(Roland Jancke)说夫琅和费IIS自适应系统工程部．“CPU和MCU等传统概念之间的现有界限正在减弱。例如，恩智浦将其称为‘可扩展处理连续体’，并正在开发mcu和应用处理器之间的所谓交叉处理器。”

图1:不再那么简单了。Arm最新的MCU，可与NPU搭配使用，性能提升高达480倍。

嵌入式闪存已经走到了尽头
Flash阻碍了mcu的发展。该公司技术总监巴德•佩德森(Bard Pedersen)表示:“Flash技术在40纳米工艺下表现非常出色。Adesto技术．“在40nm的闪光灯下，细胞变得如此之小，以至于它们保持正确值的机会变得更小。当你将40纳米的嵌入式闪存与28纳米的闪存进行比较时，闪存单元并没有真正缩小。逻辑的其余部分会缩小，但闪存的缩小幅度没有那么大，这意味着嵌入式闪存会变得更贵。”

其他人也同意。“目前使用的浮栅闪存还没有准备好超越40nm，因此替代技术显然是前进的道路。Ron Lowman，战略营销经理Synopsys对此．MCU供应商看到了未来一两年的路线图，可能会采用MRAM和ReRAM等替代技术。在他们这样做之前，他们希望确保这项技术是强大和可靠的。”

这方面正在取得进展。Arm的Ensergueix说:“我们与生态系统密切合作，以实现快速原型设计和实施。“进步的一个例子是三星正在做的第一个商用嵌入式MRAM (eMRAM)编译器，目标是三星的28nm FDS工艺;这已经被硅证明了。”

另一个候选是电阻式RAM。Adesto公司的Pedersen说:“电阻式RAM在未来的某个地方有着巨大的潜力。“然而，它还不是嵌入式闪存的直接竞争对手。ReRAM不像flash那样有收缩的限制。当你收缩时，存储单元本身实际上表现得更好，因为电阻性RAM单元基本上是一个原子串。细胞的其余部分是浪费的空间。这些被浪费的空间会产生噪音，所以你减少的越多，效果就越好。”

其他内存类型也在考虑之中。“一次性及多次可编程(OTP和MTP)内存适用于安全应用或校准应用，”Synopsys的Lowman补充道。你甚至可以考虑在成熟的代码中使用它。例如，Dialog将蓝牙堆栈放到OTP中，而不是使用嵌入式flash。”

将外部
许多MCU厂商正在研究片外移动存储器。“嵌入式闪存正受到外部串行外围接口(SPI)闪存的挤压，”Lowman说。“这会影响嵌入式闪存在何时、何地以及如何使用的价格点。您可以使用单一数据速率，或者现在您可以使用双、四和八进制连接。对于一些需要大量嵌入式闪存的应用程序来说，这是一个可行的选择——尤其是当你的内存超过1MB时。”

把内存放在一个单独的芯片上可能会让你觉得速度会慢一些。然而，事实未必如此。“JEDEC规格一直到200MHz，这意味着从内存到处理器的带宽为400MB/s，”Pedersen说。“以NXP两年前推出的RT1050系列为例。由于芯片上只有SRAM，没有闪存，所以芯片很小，设备成本低，功耗低，运行速度非常快。”

Pedersen提供了性能比较。“如果你从闪存转移到SRAM并在那里执行，设备可以在600MHz的频率下工作，他们可以实现3000个coremark。将其与恩智浦使用嵌入式闪存的竞争产品进行比较。它们的运行速度都不能超过400MHz，也就是说大约有2000个coremark。如果我们使用运行在600MHz的NXP设备并使用八进制内存接口，我们会得到大约2000个coremark。所以你有一个小的，低成本的微控制器，和一个巨大的低成本的外部存储设备，你有和嵌入式闪存设备一样的性能。唯一的区别是双芯片解决方案耗电更少，以美元计算的成本更低，而且你可以拥有更大的内存。”

释放新节点
从节点限制中解放出来会带来其他可能性。洛曼说:“40nm工艺节点是许多公司的首选。“从长远来看，22nm或其他技术显然处于有利地位。关键的挑战之一是采用芯片上所需的神经处理能力。你是如何构建围绕这一点的记忆的呢?这是神经处理的最大挑战之一，以适应他们试图做的事情。”

MCU供应商正在向更精细的几何形状移动。“现在推出的设备处于不同的节点，”Pedersen说。“NXP 1170是一个1GHz的设备。我们可以假设它在40纳米以下。对于MCU供应商来说，选择进入哪个节点归根结底是成本与性能的对比。你会发现设备的衬垫有限，不需要再缩小了。即使在40nm, Cortex M7也很小。通过进一步缩小它，他们不得不添加更多的功能，所以他们添加了更多的SRAM和更多的I/O功能，只是为了填充结构。”

节点迁移并不适用于所有设备。Pedersen补充道:“更高级别的节点将继续存在，因为你有数十亿个设备只需要一个小型8位微控制器来翻转开关或运行小型电机。”“他们永远不会进入更深的节点，因为那太过分了。因此，对于最大的cpu，你将看到从最深的节点到7nm或5nm的光谱，一直到350和500 nm的光谱，只是为了某些应用程序，它是正确的工具。”

更新的包装技术也可能进入市场。“这个概念chiplets也瞄准了这一趋势。”夫琅和费的扬克说。“它将使微型硅部件以最适合的技术实现，并与其他部件紧密集成在一个封装中。当然，EDA工具需要考虑到这一点，并允许设计超出单个硅区域的范围——即使是在封装中放置在中间层上的多个芯片。”

增加复杂性
现在对微控制器有很多新功能的需求。Mentor的Zarrinfar说:“我研究了很多设计，发现越来越多的mcu包含网络访问控制器(NAC)。“这是一种网络解决方案，用于规范安全设备在首次尝试访问网络时的连接方式。我经常看到哈希电路或AES加密块。安全是一个非常广泛的问题，可能涉及指纹识别，或供应链中的一些事情，以确保芯片不会卖给错误的人。”

使用外部存储器会降低设备的安全性。“解决方案可能会在内存接口上增加加密，”Pedersen说。“芯片上有一个AES块。而且这也没花多少钱。现在，大多数客户甚至懒得使用高速八进制DDR内存，他们只使用标准的四倍SPI，因为他们不需要芯片所具有的性能。他们使用它只是因为它是一个低成本的好解决方案。他们可能会以较低的速度运行，使用较慢的内存，这就足够了。”

这一直是许多mcu的标志。Arm的Ensergueix说:“虽然大多数设备可能都需要一个核心功能——安全性、连接性、CPU——但许多设备将通过定制加速器和特定应用传感器 和执行器的混合而有所区别。”“这需要一系列解决方案，提供预先验证的安全子系统，我们的合作伙伴可以通过自己的差异化IP对其进行增强。”

其中一个进展迅速的领域涉及神经处理器。“机器学习(ML)在行业中的影响是巨大的，”Ensergueix补充道。“神经网络算法有望在多个设备上运行，从高性能云服务器到低功耗设备。根据应用程序的类型，ML算法将在CPU、GPU或NPU上运行，软件框架通过抽象设备上可用的不同类型加速器之间的差异，极大地简化了机器学习的部署。”

软件堆栈可能使MCU供应商脱颖而出。“神经算法可以被压缩和浓缩，而且有很多类型的算法，”Lowman解释道。“我已经看到标准cnn或rnn以外的算法被采用的增加，这些算法具有更多的稀疏性或转换，比如spike nn。他们可以利用更小的内存。工具可以帮助客户对这些算法建模，以便他们能够理解并找到在给定电力预算的情况下工作最好的架构。这真的是一个令人兴奋的时刻，因为有很多动态的部件，你真的需要一些创新的工程师来找出最佳路径。”

降低成本
mcu总是对成本敏感。扎瑞法说:“定制设计听起来不错，因为它使你能够将算法与可能的最佳解决方案相匹配。”“如果存在数据密集型方面，则可以将其映射到数据路径架构以提供加速。然而，说起来容易做起来难，许多人在这样做的时候遇到了问题。错误代价高昂，这就是为什么他们使用可用的mcu。”

总拥有成本很重要。洛曼说:“几年前，物联网是最热门的话题，所以连接被放在了所有东西上。“但它确实没有为最终用户提供足够的价值。今天，有许多产品创意的趋势是提供更多的价值。设备需要自己做更多的事情，而不仅仅是提供连接来获取一些数据。它实际上是在处理数据。在硬件上提供一些自定义加速的能力使他们能够确保处理器能够提供的功耗和价值与其他提供的东西相比是好的或有足够的竞争力。所以我们确实看到了很多人工智能加速器，mcu将继续跟上这一步伐。”

处理器迁移
在SoC领域，RISC-V经常出现在对话中。“RISC-V已经有了很好的渗透，特别是对SoC来说，”Pedersen说。“RISC-V正在成为一个更受欢迎的核心，因为它允许比Arm到目前为止所允许的更多的定制。我相信针对特定市场的SoC供应商将比通用微控制器供应商更快地采用RISC-V。这种情况可能会在几年内发生变化，因为下一代工程师将从大学毕业。每所大学都在使用RISC-V作为教学工具，因为有一些可以修改的东西比固定不变的东西更有趣。”

当然，Arm不会坐视不管。“Arm最近在Cortex-M CPU架构中添加了Arm自定义指令，”Ensergueix说。“这进一步使我们的合作伙伴能够迅速实现差异化。”

但这条路并不适合所有人。开源IP，特别是RISC-V处理器，提供了优势，同时实现了硬件和软件的创新和差异化OneSpin微软的技术营销团队。RISC-V允许添加用户定义的指令，其他形式的IP可能会效仿，提供定制选项。然而，RISC-V内核的各种来源和修改它们的能力都需要强大的验证过程。用户必须确保核心符合RISC-V规范，任何用户扩展都能正常工作，不会违反法规，并且核心的微架构也得到了充分的验证。”

最后，它可能取决于工具链的质量。洛曼说:“RISC-V是一次引人入胜的介绍。“我们的ARC处理器支持添加自定义指令，它们都试图复制ARC提供的功能。许多公司正在远离专有处理器，他们看到RISC-V，然后意识到他们不再有处理器团队来支持它。所以这需要一个好的工具链。我们有一个ASIP设计器工具，它有一个预配置的框架，支持RISC-V。它会吐出自己的编译器和工具链。”

结论
当这个行业遇到障碍时，它会找到创新的方法来应对这种情况。有时，经过一段时间的过渡后，新的方向可能会明显好于之前的轨迹。闪存的局限性正在导致MCU市场的许多方面被重新考虑。因此，设备已经以更高的功能和性能水平进入市场，成本和功耗更低。

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