近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)興起，各式各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備涌向市場(chǎng)。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)，2019 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量已達(dá)到 107 億臺(tái)，預(yù)計(jì) 2025 年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)到 251 億臺(tái)，保持 12%以上增長。
然而龐大市場(chǎng)背后，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池續(xù)航時(shí)間卻逐漸成為制約使用電池供電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)展的問題，有限的電池容量很難滿足消費(fèi)者日漸增長的續(xù)航需求，如何在電池容量有限的情況下提高設(shè)備的續(xù)航能力？顯然，低功耗成為廠商們無可避免的話題，而要想解決功耗問題，就必須先從芯片上入手。
面向未來龐大的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用需求，超低功耗MCU開始受到越來越多的關(guān)注，中科芯蕊在內(nèi)的眾多國內(nèi)MCU廠商緊抓機(jī)遇，醞釀一波新變局。
國際認(rèn)定：低功耗MCU榜單第一
一直以來，低功耗是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中無法避開的技術(shù)話題，系統(tǒng)功耗是物聯(lián)網(wǎng)部署的主要考慮因素之一，原因在于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)大部分采用電池供電，而MCU作為控制整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的核心器件，其能耗水平?jīng)Q定了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的整體功耗特性，毫無疑問，低功耗自然也成為MCU的重要指標(biāo)。
隨著物聯(lián)網(wǎng)類應(yīng)用逐漸走入工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域，對(duì)MCU的低功耗和集成度都提出了更高的要求。無論是消費(fèi)電子還是可穿戴設(shè)備，只要是用電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)低功耗都有嚴(yán)格的要求，并且產(chǎn)品的續(xù)航能力還與消費(fèi)者體驗(yàn)息息相關(guān)，電子系統(tǒng)的能耗越大，產(chǎn)品的續(xù)航能力越差，消費(fèi)者的體驗(yàn)越糟糕，反之，能耗越小，消費(fèi)者體驗(yàn)也會(huì)有所提升。
即便在非消費(fèi)類領(lǐng)域，大規(guī)模部署的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也需要面臨著高昂的維護(hù)成本，由于電池的供電能力無法維持整個(gè)產(chǎn)品生命周期，大部分產(chǎn)品需要人工更換電池進(jìn)行維護(hù)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的大量部署存在空間布局不規(guī)則的特性，這給維護(hù)帶來了巨大的成本壓力。
在數(shù)量巨大的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的倒逼下，超低功耗毋庸置疑成為了MCU的核心競(jìng)爭力。國際MCU巨頭意法半導(dǎo)體、瑞薩半導(dǎo)體等也皆在積極布局超低功耗領(lǐng)域。
而2019年成立的北京中科芯蕊科技有限公司（以下簡稱“中科芯蕊”）可以說是近兩年國產(chǎn)超低功耗MCU領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星，產(chǎn)品面向物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴電子、人工智能等領(lǐng)域，提供超低功耗芯片及解決方案，擁有多項(xiàng)超低功耗集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)“黑科技”。
在成立兩年的時(shí)間里，中科芯蕊先后推出了超低功耗MCU、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低功耗語音信號(hào)處理器、信號(hào)調(diào)理等系列產(chǎn)品，產(chǎn)品功耗性能指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平。
其中，XRM32UL051是北京中科芯蕊開發(fā)的32位基于ARM Cortex-M0+的超低功耗MCU芯片，最高工作頻率可達(dá)48MHz，支持最高達(dá)64KB程序空間以及18KB SRAM存儲(chǔ)空間。據(jù)介紹，該產(chǎn)品還支持豐富的外設(shè)資源，工作電壓在2.0V-3.6V之間，工作溫度范圍為-40℃~+85℃，可以提供多種封裝形式，滿足不同應(yīng)用的需求。
XRM32UL051評(píng)估板
除此之外，XRM32UL051采用獨(dú)特的亞閾值技術(shù)和異步電路技術(shù)，支持運(yùn)行（ACTIVE）、睡眠（SLEEP）、停止（STOP）、待機(jī)（STANDBY）等多種低功耗模式。在各種工作模式下，均具有優(yōu)秀的功耗指標(biāo)，具體來看，產(chǎn)品運(yùn)行模式功耗為20uA/MHz，停止模式功耗0.7uA ，功耗僅為市場(chǎng)同類產(chǎn)品的1/4~1/5。極低的能耗在實(shí)現(xiàn)理想的電池續(xù)航能力的同時(shí)，更能被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、可穿戴電子等領(lǐng)域。
眾所周知，業(yè)內(nèi)不同的微控制器、微處理器廠商的產(chǎn)品各不相同，因此很難對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估。為了能更好的評(píng)價(jià)低功耗MCU的功耗特性，嵌入式微處理器基準(zhǔn)協(xié)會(huì)（EEMBC）與各大MCU廠商聯(lián)手推出了ULPMark，通過同一套算法和相同的電流測(cè)試板，對(duì)各家產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估。作為超低功耗MCU權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，ULPMark對(duì)中科芯蕊超低功耗技術(shù)給予了肯定。目前，中科芯蕊XRM32UL051已通過了ULPMark的評(píng)測(cè)，評(píng)測(cè)得分高達(dá)到451分，在同等內(nèi)核中排名全球第一。
創(chuàng)新性技術(shù)路線：兩項(xiàng)超低功耗技術(shù)的結(jié)合
國際上的認(rèn)可離不開中科芯蕊強(qiáng)勁的技術(shù)實(shí)力和卓越的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
一般來說，亞閾值電路設(shè)計(jì)是超低功耗MCU設(shè)計(jì)的必由之路，因?yàn)樗梢詫⑿酒墓ぷ麟妷航档偷骄w管閾值附近，進(jìn)而降低靜態(tài)漏電和動(dòng)態(tài)功耗。眾所周知，MCU功耗一般分為靜態(tài)漏電和動(dòng)態(tài)功耗兩部分，在靜態(tài)漏電部分，為了減小漏電，可以做的是減小電源電壓，以及使用低漏電的標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)。在動(dòng)態(tài)功耗部分，可以減小電源電壓或者降低電路無效翻轉(zhuǎn)來降低功耗。
而中科芯蕊在超低功耗集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)路線上，有別于傳統(tǒng)技術(shù)路線，不僅采用上述所提到的亞閾值芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，還使用異步電路設(shè)計(jì)技術(shù)。異步電路技術(shù)，即采用事件觸發(fā)的方式進(jìn)行工作，能夠徹底消除電路中的無效翻轉(zhuǎn)。更重要的是，異步電路技術(shù)能夠有效解決亞閾值技術(shù)面臨的時(shí)序難題，更加有效的發(fā)揮亞閾值技術(shù)的功耗優(yōu)化效果。
通過當(dāng)前最為先進(jìn)的兩項(xiàng)超低功耗技術(shù)的結(jié)合，中科芯蕊獨(dú)立開發(fā)了囊括底層IP庫、設(shè)計(jì)流程、系統(tǒng)架構(gòu)等多層級(jí)的STAS超低功耗設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于這一平臺(tái)開發(fā)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的優(yōu)化效果。而這兩種核心技術(shù)是中科芯蕊團(tuán)隊(duì)在國家重大項(xiàng)目的支持下，經(jīng)歷了十余年的技術(shù)積累，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獨(dú)特的超低功耗芯片設(shè)計(jì)方法。
據(jù)介紹，中科芯蕊是由中國科學(xué)院微電子研究所孵化的高科技企業(yè)，是國內(nèi)研究超低功耗設(shè)計(jì)方法和技術(shù)最早的團(tuán)隊(duì)，相關(guān)的技術(shù)研發(fā)得到了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國家科技重大專項(xiàng)（01、02專項(xiàng)）、中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持，逐步形成了成熟完善的全新超低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)體系。
此外，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)曾為國內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域龍頭企業(yè)設(shè)計(jì)了國內(nèi)首款亞閾值處理器，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)“零的突破”。
強(qiáng)大的硬實(shí)力不僅讓中科芯蕊奪得MCU低功耗榜單的第一名，還獲得了中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS）雙創(chuàng)引導(dǎo)項(xiàng)目支持以及中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)、北京市海淀區(qū)胚芽企業(yè)的稱號(hào)和資質(zhì)。今年，中科芯蕊XRM32UL051更是在第十六屆“中國芯”優(yōu)秀產(chǎn)品征集活動(dòng)中榮獲“芯火新銳產(chǎn)品”獎(jiǎng)，這也說明了其超低功耗產(chǎn)品已經(jīng)獲得了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的認(rèn)可。
“中國芯”獎(jiǎng)杯
“開疆?dāng)U土”：保持超低功耗技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位
從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，未來物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)、消費(fèi)電子等對(duì)低功耗MCU的需求將不斷增加，換句話說，超低功耗MCU市場(chǎng)將迎來快速增長。據(jù)MarketsandMarkets數(shù)據(jù)顯示，超低功耗微控制器市場(chǎng)規(guī)模2019年為44億美元，到2024年將增長到129億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為24.1%。
面對(duì)終端市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功耗不斷加強(qiáng)的需求，以技術(shù)領(lǐng)先為突出特點(diǎn)的中科芯蕊，將繼續(xù)通過技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)卓越性能，打造技術(shù)壁壘。
針對(duì)部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)邊緣計(jì)算的需求越來越多，傳統(tǒng)的MCU無法應(yīng)付這類運(yùn)算需求，中科芯蕊計(jì)劃推出采用RISC-V內(nèi)核+AI引擎的輕量級(jí)AIoT類處理器。同時(shí)，為了豐富產(chǎn)品線應(yīng)對(duì)更多應(yīng)用場(chǎng)景，中科芯蕊后續(xù)會(huì)推出更多內(nèi)核的通用型超低功耗MCU。此外，中科芯蕊還將推出面向醫(yī)療、能源計(jì)量行業(yè)應(yīng)用的定制型超低功耗MCU，進(jìn)一步提高客戶產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭力。除了搭建技術(shù)領(lǐng)域的壁壘，中科芯蕊對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)也將提出更高的要求。由于采用了創(chuàng)新性的亞閾值芯片設(shè)計(jì)技術(shù)與異步電路設(shè)計(jì)技術(shù)的技術(shù)路線，目前，中科芯蕊在相關(guān)領(lǐng)域申請(qǐng)發(fā)明專利近30項(xiàng)。據(jù)介紹，在發(fā)展初期，中科芯蕊側(cè)重對(duì)核心技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行專利布局，未來將采用以面代點(diǎn)的方式進(jìn)行專利部署，力求在多個(gè)特色領(lǐng)域形成相互聯(lián)系的專利組和專利池，預(yù)計(jì)在2024年擁有核心發(fā)明專利超過50項(xiàng)，構(gòu)建全面保護(hù)創(chuàng)新技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。
隨著終端創(chuàng)新性產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，中科芯蕊作為超低功耗技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，將繼續(xù)“開疆?dāng)U土”，持續(xù)加大研發(fā)和生產(chǎn)投入，不斷拓寬產(chǎn)品線，豐富產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景。
寫在最后
當(dāng)前中國MCU市場(chǎng)空間廣闊，摩根士丹利的亞太大中華區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為中國的MCU本土化企業(yè)生產(chǎn)需求增長率將大幅提升，從2017至2020年的年均5%，加速以20-25%的年均增長率至2025年。
在疫情、全球“缺芯”危機(jī)以及地緣政治摩擦之下，國產(chǎn)化或?qū)⒊蔀閯傂瑁袊鳰CU市場(chǎng)也將迎來新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，超低功耗MCU也不例外。
意法半導(dǎo)體部門副總裁、微控制器事業(yè)部總經(jīng)理Ricardo de Sa Earp曾表示：“在過去的五年中，ST微控制器全球份額幾乎翻了一倍，STM32超低功耗微控制器出貨量迄今超過20億。ST在超低功耗微控制器類別具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，并占有約25%的市場(chǎng)份額。”由此可推測(cè)全球超低功耗微控制器市場(chǎng)在100億以上。
由此可見，國內(nèi)低功耗MCU賽道有望迎來“黃金時(shí)代”。廣闊市場(chǎng)空間背后，是“可期”的技術(shù)發(fā)展，期待中科芯蕊在超低功耗領(lǐng)域闖出更大的一片天。
