从MCU价格趋势看单片机的演变方向

来源: 日期:2017-11-29 点击: 482

由于单片机(MCU)的销售价格暴跌, 研发单片机的公司正在寻找新的方法来实现规模经济。

微控制器正在从事各种新的和更复杂的计算任务,从独立的芯片发展到能够集成复杂微处理器的更高集成度的设备。

从辅助和自动驾驶领域到智能卡领域,微控制器(MCUs)已经无处不在。在物联网领域,他们正在成为越来越多的连接设备的中央处理单元。事实上,没有单片机物联网能否成功,在这方面还有争论。

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图1、MCU需求呈现健康增长,但市场总收入的增长速度非常慢。(来源: Semico Research)

这种普遍性是有代价的,随着MCU市场机会的扩大,MCU的平均销售价格出现了暴跌。必须有更高的市场容量才能收回开发成本,如果市场容量没有大的变化,不少公司很难在MCU空间继续盈利。

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图2、最大的几家MCUs供应商销售增长情况(来源:IC Insights)

市面上的微控制器主要有三种:8 位,16 位和32位。还有一些应用使用的是4位微控制器,但许多4位微控制器的客户已经过渡到8位,还有一些计划在未来升级到8位。下一步将是16位微控制器的功能,这将是更昂贵的。但32位的微控制器价格下降这么快,那些原来考虑升级到16位微控制器的大部分客户现在都想要升级到使用更先进的芯片。

“今年,32位微控制器的平均价格下降了15%,” IC Insights的高级市场分析师Rob Lineback说,“我们看到32位价格以每年7%(CAGR-复合年增长率)的比率下降。16位市场呈现一个负的2%增长,8 / 4位市场也同样呈现一个负的2%增长。它将达到32位微控制器价格低于16位微控制器的地方。这是纯粹的竞争和价格压力带来的,而物联网也是这一推动力的一部分。” 

Semico Research的制造部主任Joanne Itow,看到了类似的趋势,“所有逻辑芯片的市场平均价格,除DRAM和NAND以外,情况都不太妙。在微控制器市场唯一的大赢家是ARM,因为他们有IP,有低功率的IP,以及提供安全性能的芯片。公司可以自己开发这些产品,但利用ARM核可以使得开发更容易一些。”

同样的问题,不同的策略

在现实中有两个相互矛盾的趋势:平均价格在下降,但芯片复杂性却在上升。这给MCU制造商带来了更大的压力,他们必须在工艺上和设计方法上找到提高效益的出路。

一种方法是利用这些设备中已经可有的东西,但目前许多公司都忽略了这一点。“如果你看看TrustZone(TrustZone是ARM针对消费电子安全提出的一种架构——译者注),这些能力在很大程度上未被利用,”Mentor的嵌入式软件事业部高级产品经理Andrew Caples说,“你可以增加可靠性和创建内存分区,以便于可以只读或读写,但那还是没有充分利用。电源管理是另一个特性,在某些情况下,它可能是产品性能良好或失败的决定因素,因为它影响电池寿命。这些MCU有超过16个低功耗状态,但从一个电源状态过渡到下一个状态是复杂的。需要有更多的想法投入到软件开发中以便更充分的利用这些功能。”

不断增加的复杂性促使MCU制造商转移到下一个工艺节点,利用这些新节点技术,可以将更多的内存、连接和数据处理置入到同一个空间中。这是将摩尔定律应用于另一个不同的市场,至今为止32位MCU芯片最领先的工艺节点是40nm,有公司正致力于开发28nm的32位MCU。

“问题是,单片机公司开发的几十个甚至几百个SKUs(stock-keeping units),部分原因是因为分配给串行I/O引脚各不相同,Flex Logix首席执行官Geoffrey Tate说:“有些是SPI(串行外设接口),有些是UART(通用异步接收器/发送器)。或者他们提供的所有硬件和外设不同。但40nm节点上的掩膜成本在上升,更多的变化意味着更多的金钱。它需要一定数量的查找表来编程串行I/O。“

另一种方法是在嵌入式微处理器中植入一个嵌入式FPGA来增加微控制器本身的灵活性。因此,这些设备可以为多种市场应用进行编程,而不是为每个应用程序开发新的MCU。

第三个方法是更有效的验证,减少MCU设计流程后端所需要的时间。

“这就是为什么便携式激励信号很有趣,”Candence的基于原型和硬件/软件支持FPGA仿真产品管理和营销高级组主任Frank Schirrmeister说,“这使得它更容易理解。这些MCU的成长性更系统,一些大的公司都在出售围绕那些单片机设计开发的定制软件。这些软件可以用来验证它。”

一台设备,多种用途

所有这些方法都有助于使MCU成为现成的设备,可以快速定制用于垂直市场细分或特定应用程序。但整个过程需要进一步简化。

“在EDA里你更能容忍工具中的一些怪癖,”ARM的市场发展高级总监Bill Neifert说, “如果你看看微控制器的市场,这是不同的因为软件人想下载调试器和编译器使它工作。对他们来说终端产品不是芯片。这是系统,他们需要一些能有效解决问题的东西。你所提供的是一个套装的设备,里面有许多功能和选项,所以你需要满足最高级用户的爱好者开发一次性产品,相同的产品需要适合他们所有的人。”

一方面关键是要在市场和成本之间取得平衡,另一方面要优化。这种平衡可能会往另一方严重偏移,这取决于应用程序。

“有很多不同的方法,”Semico的Itow说。“有些公司为特定的应用设计,如工业物联网(IIoT)。一些人认为通用的方法是正确的,然后围绕它定制。但显而易见的是,存在着各种各样的机会。因此,尽管我们看到了一些整合,但我们有足够的机会看到新公司进入这个市场。”

真正的市场容量是在物联网和消费市场,MCU是这些市场的细分市场。它们包含了内存、处理、安全和通信技术的混合,但还比不上一个强大的SOC。

“在过去,许多微控制器最终进入了工业和汽车市场,它有较长的销售周期,”Neifert说。“现在,我们在消费领域见到了更多的微控制器,其中的内容需要最新和最好的。随着越来越多的这些设备被销售给消费者,你需要快速周转,这意味着同一个微控制器可以有10种不同的方式应用,这很大程度上取决于软件。”

这些应用程序中有一些是以前从未存在过的系统,或者说微控制器比体系结构中的关键部分更像是一个普通的外接程序。

“更高性能的核和时钟通常与微处理器无关,”Microchip Technology的高级产品营销经理Bill Hutchings说, “因此如果你看看一个传感器的集线器,通常存在一个预处理器,它通常是一个中间层的微控制器。”

重新定义MCU

在过去的几年中,一个微控制器与另一个微控制器的区别在于功能性。32位微控制器比8位微控制器提供了更多的功能,因此它的价格也相应贵一些。但随着企业向上走,他们现在使用的是与高端不分上下的低端微处理器设备。

然而,从历史上看虽然仍有显著的差异。微处理器使用内部和外部存储器的组合,而MCU传统上只依赖于内部存储器。这是变化的开端,已经有MCU有能力连接到DRAM或其他类型的外部存储器。

“如果你回到15年前,你可以把一个单片机和一个微处理器交给100个工程师,让他们来挑选哪一个,” Rambus公司的杰出发明家Steven Woo说,“今天,如果你再找来同样的100个工程师,你会面临很多的争论。摩尔定律是造成这种模糊的原因。在一个裸芯片上有非常多的晶体管,但你可以做的事情比这些晶体管多得多。”

随着更多的“不动产“是集成更多的片内片外存储能力。MCU通常结合使用DDR2,以及闪存。但由于到处都在增加密度,DDR2内存大小增加到2兆字节,和一个2MB嵌入式闪存差不多。

“这些设备具备能够在32位产品线上连接至少六或七年的外部存储器能力,但这些设备中没有很多能够利用这一点,”意法半导体的美洲单片机产品经理Stuart McLaren说。“最近我们已经看到他们使用了“系统包接口“,所以有更多的非挥发存储器(NVM)在外部为他们存储数据和代码。关键的变化是更高的性能和更多的功能,有更多的应用程序连接。当他们连接在一起,你有一个节点可以和网关或者云交换信息。这至少需要一个简单的微控制器,它可以收集传感器数据并对其进行汇总。”

微控制器也开始向云中移动。

“网关上运行着大量的云服务,它们正在进行更高级的分析工作,”McLaren说。“我们看到图形的外部存储器,在该帧缓冲区中呈现信息的地方通常有1或2帧的缓冲,然后刷新。我们还看到许多微控制器进入家居和城市物联网、智能工业和智能设备三个领域。每个应用程序都有一个处理和安全的需要。他们也需要实际的工作界面接口,需要某种形式的连接,这在许多情况下是射频连接,但也可能包括蓝牙低能量的或其他类似近场处理的方式。他们需要管理的权力,这可以是从服饰到工业化的任何东西。单片机是物联网的核心。”

他们也被用于新的应用,如资产跟踪。ARM的物理IP工程副总裁Dipesh Patel说,“使用32位单片机,您可以跟踪一个部分到它的所有旅程,并且您可以使它全部安全,这是您永远无法用8位完成的。MCU越来越复杂。在一个简单的水平上,你可以存储、处理和传输数据。但现在你可以做的更多,因为它有了更多的存储能力。”

他指出,此举是为了增加片上闪存,特别是一些更先进的设计,最终都将迁移到40nm和28nm节点上去。今天,大多数的MCU还是使用旧的制程,有的甚至使用350nm那样的老节点,尽管先进的物联网设计都开始使用65nm和40nm工艺节点了。

大规模定制与利基

MCU的一个关键驱动因素一直是成本,虽然在过去的十年中,他们经常被作为最关键重要的设备被利用,这就是为什么很少能找到没有微控制器的系统的原因。但渐渐地,它们也被设计成几年前系统供应商从未考虑过的MCU的任务。

“我们将它视为与完全集成的微处理器一起使用的安全芯片,” Microchip的产品营销经理Jeanette Wilson说,“您可能需要进行基本身份验证,而微控制器可用于硬密钥存储。这需要与ECC(椭圆曲线密码)系统握手,你可以把这个放在一个防篡改包里或使用它作为一个信息源。您还可以添加加密/解密,另一个级别的安全功能是使用单调计数器来防止重放。这通常是在软件中完成的,但是如果您在硬件中做到这一点,则可以节省8000到12000行代码,而且从执行的角度来看也更快。”

MCU也可以出现在一个扩展板上,和传感器一起测量从运动到温度的一切变化。

“我们正在运行400Mhz这样高的工作频率,在过去你只会在一个微处理器里看到,”ST的McLaren说,“我们现在看到的情况是,微控制器本身可以有多个微控制器连接到它,可能在主程序和其他程序之间有一个API。”

结论

试图区分不同类型的逻辑设备变得越来越困难,而且随着先进的封装继续进入更多的设计,它可能变得更加困难。

“上世纪80年代,微控制器是一个芯片上的系统,或者一个芯片上的计算机,因为它有时被称为芯片,“IC Insights的莱恩巴克说,“最终,WSTS(世界半导体贸易统计),负责定义这些类别的组是哪一组,给出了不同的路线。”

同时,MCU厂商将尽一切所能提高其设备的价值和拟制价格侵蚀能力,使其已经变成一个具有挑战性的技术领域。这是否意味着为设备添加更多的灵活性、精简今天正在使用的设备数量, 或改变这些设备的设计和验证方式?这些还都不是十分清楚,但MCU正在变的越来越重要,所以这些问题都需要解决。


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