爭食IoE市場大餅　MCU廠節能/高效方案上陣

爭食IoE市場大餅　MCU廠節能/高效方案上陣
微控制器(MCU)供應商正大舉圈地萬物聯網(Internet of Everything, IoE)市場。萬物聯網為近年科技業界最火紅的話題之一，近期網路設備龍頭思科(Cisco)於美國佛羅里達州奧蘭多市所舉辦的年度Cisco Live 2013大會中，亦首度公開闡述對於萬物聯網的定義：萬物聯網是繼物聯網(IoT)之後，更進一步的概念，強調人、物體及數據溝通互動的過程；讓萬物不再僅是被動接受指令或訊息，而係能根據外在環境或人類行為產生更多的互動或反饋，未來將大大影響人類的生活(圖1)。
 

圖1 萬物聯網概念架構　資料來源：思科

根據思科研究報告統計，目前全球聯網設備數量約一百億台(圖2)，然地球上的實體裝置數量約一兆五千億台，換言之，世界上仍有超過99%的實體裝置尚未聯網，因此思科預測未來10年內，萬物聯網所創造的商機規模將高達14兆4,000億美元。
 

圖2 萬物聯網演進圖　資料來源：思科

值此萬物聯網商機崛起之際，機器對機器(M2M)裝置與智慧化嵌入式系統(Intelligent Embedded System)出貨量亦快速激增，並帶動低功耗及高效能的微控制器需求水漲船高，不僅為微控制器業者帶來可觀的應用商機，亦促使微控制器產品規格快速演進。
 

IoE應用熱潮興起　節能與高性能MCU行情看俏 

萬物聯網除要實現讓所有具備M2M功能的終端裝置皆可透過通訊技術相互溝通之外，最終目的是要借重智慧化嵌入式系統和M2M終端裝置，達成網路電子商務交易的願景。
 

國際數據資訊(IDC)研究副總裁Shane Rau表示，智慧化嵌入式系統在萬物聯網的主要功能，係透過讓主要的電子系統和M2M互動，以及為用戶提供相關數據，藉此優化交易或工作量的價值。
 

根據IDC定義，智慧化嵌入式系統係配備高性能微處理器(MPU)、網際網路通訊協定(IP)連結及高階作業系統的裝置；預期2013年智慧化嵌入式系統銷售量將上看三十五億台，產值可達1兆7,000億美元；至2017年銷售量更將超過五十億台，且產值將高達2兆4,000億美元。
 

隨著萬物聯網激勵M2M裝置和智慧化嵌入式系統市場規模急速擴大，終端裝置品牌商勢必增加更省電和更高性能微控制器的採購數量，藉此開發出更節能及更智慧化的產品，因此讓半導體廠商正加緊投入新一代產品研發，以強化相關產品線的布局。
 

購併Energy Micro　芯科搶食IoT與智慧能源市場大餅 

瞄準萬物聯網應用對於低功耗微控制器的龐大需求，芯科實驗室(Silicon Laboratories)已於日前宣布購併Energy Micro，藉此掌握低功耗32位元微控制器產品線及相關核心技術，準備在物聯網與智慧能源市場攻城掠地。
 

芯科實驗室執行長Tyson Tuttle表示，芯科實驗室與Energy Micro將借重各自的混合訊號設計專長，開發出超低功耗技術，以搶攻更環保、更智慧及無線連接的市場。本次收購案將結合兩家公司奈米功耗(Nano-power)的微控制器與無線系統單晶片(SoC)設計的強大資源，加快展開新產品線部署，以積極搶進物聯網和智慧能源應用市場。
 

據了解，在物聯網市場規模擴大，以及各國政府戮力部署智慧電網和智慧能源基礎設施之下，高效能、節能的處理和無線連接技術重要性將更加突顯，成為帶動具備低功耗功能的連接設備需求走強的主要動能之一。根據產業專家預測，至2015年，物聯網連結設備的數量將突破十五億台，至2020年更將達到五十億台。
 

也因此，繼收購Ember取得ZigBee的Sub-GHz無線產品後，芯科實驗室再斥資購併Energy Micro，藉此大幅擴充物聯網和智慧能源兩大應用領域所需的低功耗微控制器產品線組合，預期這樁戰略性收購案有助於加速芯科實驗室壯大物聯網和智慧能源市場勢力版圖，且挹注可觀的營收貢獻。
 

芯科實驗室稱，此次收購大大擴展該公司的微控制器產品組合，增加近二百五十個基於安謀國際(ARM)核心的低功耗微控制器產品系列EFM32 Gecko，以及基於Cortex-M4核心的小尺寸微控制器。另外，藉由添增Energy Micro的超低功耗無線電產品EFR Draco，芯科實驗室的無線電產品陣容也將大幅強化。這些多功能的無線收發器和SoC將支持sub-GHz?2.4GHz頻段範圍及多個標準和專有協議，包括低功耗藍牙、6LoWPAN、RF4CE、ZigBee、802.15.4g、KNX及ANT等。
 

據悉，過去Energy Micro主要係專注於開發節能的32位元微控制器產品組合，並基於Cortex-M0核心開發出具備多協議無線射頻解決方案，兩大產品線正好皆瞄準對於低功耗要求較嚴苛的物聯網、智慧能源、家庭自動化、安全及可攜式電子產品應用。
 

Energy Micro總裁暨執行長Geir Forre指出，Energy Micro團隊在合併後，將加入芯科實驗室，其中，芯科實驗室豐富的資源和技術將助力合併後的企業更快速開發出新產品，搶攻市占；並結合Energy Micro既有適用於能源應用的微控制器、無線電、無線連結及感測器方案組合，重新定義超低功耗的嵌入式產業。
 

另一方面，飛思卡爾(Freescale)、意法半導體(ST)、英飛凌(Infineon)和新唐等MCU業者，亦已於近期紛紛公布2013年低功耗產品發展藍圖，積極卡位IoE市場先機。
 

圈地IoE市場　MCU廠低功耗方案輪番上陣 

以飛思卡爾而言，針對萬物聯網應用，即推出標榜業界最小尺寸且省電的新一代Kinetics L系列微控制器–Kinetics KL02。飛思卡爾微控制器部亞太區資深市場經理曾勁濤表示，萬物聯網應用的裝置涵蓋可攜式消費性電子裝置、穿戴式裝置及醫療等，且大多數產品皆已具備智慧化的功能，未來將持續朝更小尺寸、更低功耗及支援更多聯網技術功能演進，因此對於更小體積與省電的MCU需求將大幅升溫。
 

也因此，飛思卡爾採用安謀國際(ARM)強調低功耗特性的Cortex-M0+核心，搭配十種彈性功率模式和低功率開機模式，開發出可在36微安培(μA)/MHz低功耗運行模式下，兼顧小巧、節能及價廉特性的32位元微控制器。曾勁濤指出，Kinetics KL02將助力系統開發商迅速開發出智慧化的嵌入式系統，進攻物聯網市場。
 

曾勁濤進一步提到，該公司已擁有六十六種Kinetics L系列微控制器產品；看準萬物聯網的後勢發展潛力，2013年產品款式更將增加一倍，提供業界系統設計人員更多封裝類型及功能組合的微控制器產品。
 

圖3 意法半導體大中華區暨南亞區產品行銷經理楊正廉表示，該公司已視Cortex-M0和Cortex-M4核心為兩大主力產品線，持續推陳出新。

不僅是飛思卡爾，意法半導體亦預定2013年下半年再發布超低功耗系列STM32 L1新產品，意法半導體大中華區暨南亞區產品行銷經理楊正廉(圖3)強調，該公司預計於9月上市的超低功耗系列微控制器，功耗將較前一代下降5~10%，以因應低功耗產品的開發要求。
 

同樣戮力擴大旗下低功耗32位元微控制器產品線陣容的英飛凌，近日發布的32位元低功耗微控制器價格甚至已媲美8位元，藉此加速瓜分8位元微控制器應用領域市占。英飛凌工業與多元電子市場高級經理黃志鴻(圖4)認為，物聯網將成為長期驅動感測器與制動器(Actuator)市場成長的動能，因此該公司已針對物聯網應用採用Cortex-M0核心開發出具備價格競爭力的32位元微控制器–XMC1000，並提供豐富的周邊功能，如分散式感測器與小型馬達等應用所需的12位元類比數位轉換器(ADC)，以及足夠的運算效能和記憶體容量；年底前將再發布強調節能優勢的系列方案。
 

圖4 英飛凌工業與多元電子市場高級經理黃志鴻指出，該公司挾專有的嵌入式快閃記憶體技術，能開發出更高性價比的Flash MCU產品。

至於國內微控制器廠商新唐，2013年產品策略也將改弦易轍，除仍專注於通用型產品(主要鎖定消費性電子、工業及馬達應用)研發之外，亦將借助低功耗的製程(0.18微米)，並整合省電技術，戮力擴大低功耗產品線陣容，主要瞄準健康照護、智慧遙控，及智慧電表等應用，其待機模式耗電量將小於1微安培。新唐科技微控產品中心協理林任烈(圖5)談到，儘管該公司今年通用型微控制器產品線所挹注的營收貢獻比重仍高達90%以上，然該公司標榜省電特性的微控制器產品線已獲得客戶導入設計(Design In)，預計將於下半年開始有較為顯著的營收貢獻。
 

另值得關注的是，32位元微控制器廠商除競相發布低功耗產品之外，價格直逼8位元的方案亦傾巢而出，將助力終端裝置製造商開發出更多低成本且高性能的M2M終端裝置，並有利於加速萬物聯網市場成熟。
 

價格直逼8位元　32位元MCU大軍壓境
價格直逼8位元　32位元MCU大軍壓境 

圖5 新唐科技微控產品中心協理林任烈提到，該公司加入Cortex-M4核心微控制器市場戰局後，將與國外半導體大廠在工業控制和綠色能源應用領域短兵相接。

繼英飛凌、恩智浦(NXP)及飛思卡爾之後，意法半導體亦推出首款價格逼近8位元的32位元MCU–STM32F030，並具備入門級32位元MCU中少見的功能，藉此大幅提升該款產品的性價比，準備大舉搶攻8位元MCU市場。
 

意法半導體微控制器產品部產品行銷經理Patrice Hamard(圖6)表示，系統客戶經常面臨效能和成本難以取捨的頭痛問題，因此該公司發布兼具8位元價格與32位元性能優勢的低價32位元MCU，助力系統業者設計出不犧牲產品性能，又具成本競爭力的方案。
 

據了解，囿於成本限制，過去市面上入門級32位元MCU鮮少搭載內部即時時脈(RTC)、五條直接記憶體存取(DMA)通道及業界安全標準的功能，而意法半導體基於Cortex-M0核心開發的STM32F030則全數配備上述功能。
 

由於STM32F030支援五條DMA通道，可同步進行快閃記憶體代碼執行與DMA資料傳輸，有助於簡化應用開發，提高效能；另配備的業界安全標準功能，包括硬體隨機存取記憶體(RAM)同位元檢查、時脈安全系統(CSS)及循環冗餘校驗(CRC)等。
 

圖6 意法半導體微控制器產品部產品行銷經理Patrice Hamard談到，該公司借重超低價入門級32位元MCU，積極搶攻8位元市場版圖。

Hamard指出，意法半導體新發布的超低價32位元MCU除具備市面上入門級32位元MCU少有的功能外，亦支援豐富的周邊，有助吸引更多既有採用8位元或16位元MCU開發產品的系統商青睞，並擴大該公司在入門級32位元MCU的市占。
 

據悉，STM32F030主要係瞄準家電、工業控制及消費性電子應用，其配備家電應用所需的功能，如12位元類比數位轉換器、計時器、RTC及內部整合電路(I2C)快速模式等；以及工業控制應用必備的工業標準通訊介面和RTC精準度達0.95ppm要求；另有消費性電子應用常見的高解析度多媒體介面(HDMI)消費性電子控制(CEC)通道支援。
 

防堵低價32位元MCU進犯　8位元ASIC MCU上陣 

面對近期入門級32位元微控制器步步進逼，8位元微控制器供應商除持續開發特定應用標準產品(ASSP)微控制器之外，亦加重特定應用積體電路(ASIC)微控制器的專用型產品開發比重，為特定應用領域的客戶打造量身定做的8位元解決方案，減緩32位元微控制器低價攻勢的衝擊。
 

圖7 盛群8位元MCU產品部處長林俊鳴強調，高階8位元MCU除運算效能不如入門級32位元MCU外，其餘主要功能與價格皆毫不遜色。

盛群8位元微控制器產品部處長林俊鳴(圖7)表示，儘管入門級32位元微控制器售價已跌至0.32美元以下，並對高階8位元微控制器市場造成不小的威脅，然單一系列的低價32位元微控制器係針對已設定的目標應用所開發的標準型產品，僅配備該領域所需的周邊功能，因此無法通吃所有的嵌入式應用市場。
 

林俊鳴進一步指出，國外半導體大廠基於產品策略，較不會針對特定應用領域的客戶開發專用型微控制器，因此專用型產品已被台灣8位元微控制器廠商視為突破入門級32位元微控制器價格攻勢的利器，避免低價32位元微控制器加速壓縮8位元產品的市場生存空間。
 

不同於其他台灣微控制器業者，主要係側重ASSP微控制器產品線部署，盛群則針對特定領域的單一客戶提供量身訂做ASSP與ASIC微控制器，林俊鳴強調，開發ASIC微控制器的挑戰雖鉅，但卻是最能貼近特定領域客戶要求的產品，因此更容易獲得市場青睞。
 

在入門級32位元微控制器大軍壓境之下，盛群已積極針對特定應用領域客戶，加強ASIC微控制器的產品線布局，林俊鳴提到，近期該公司ASIC微控制器的開發比例有增長態勢，顯見特定應用領域客戶群對於ASIC微控制器產品的需求看漲，將成為盛群8位元微控制器產品線主要的營收貢獻來源。
 

林俊鳴認為，8位元價格仍存在市場優勢，隨著開發成本壓力大增，嵌入式系統品牌商對於整體物料清單(BOM)成本將更錙銖必較，因此即便入門級32位元微控制器售價已逼近高階8位元微控制器，且運算效能更高，但8位元單價普遍仍低於入門級32位元微控制器，再加上並非所有的應用皆須配備高運算效能的微控制器，因此未來入門級32位元微控制器不可能完全瓜分8位元市占。
 

相對於萬物聯網中的M2M終端裝置對於低功耗和低單價的32位元微控制器需求量大增；智慧化嵌入式系統則是要求搭載更高運算效能、更高內嵌編碼型(NOR)快閃記憶體容量及具備加密功能的32位元微控制器，以打造出搭載更豐富的人機介面、更強大功能及聯網資料更安全的方案。
 

強攻智慧型嵌入式系統　MCU廠加重Cortex-M4產品開發 

也因此，除意法半導體、德州儀器(TI)、飛思卡爾等國外半導體大廠之外，國內微控制器廠商新唐亦計畫於下半年推出首款Cortex-M4核心的微控制器，核心處理速度可達84MHz、內嵌NOR快閃記憶體容量高達512KB及搭配最高達256位元的進階加密標準(AES)模組，全力搶攻工業控制、綠色能源等應用朝智慧化發展的商機。
 

林任烈表示，工業控制設計不斷進化，如從交流馬達進階至更高效率的直流無刷馬達(BLDC)，以及支援聯網技術和圖形化介面等，需要能兼顧更運算效能和節能效益的32位元微控制器，預期對於Cortex-M4核心的微控制器需求大增。
 

林任烈進一步指出，Cortex-M4核心的微控制器除工業控制之外，在太陽能逆變器(Inverter)的市場版圖亦將擴大，主因係太陽能逆變器不僅須將太陽能模組輸出的直流電轉成交流電，亦須具備最大功率追蹤(MPPT)、監控系統等智慧化的功能，遂讓太陽光電系統業者對於逆變器的轉換效率、可靠度，及彈性等性能要求更趨嚴苛，因此須借助Cortex-M4核心的微控制器開發出符合上述效能的方案。
 

瞄準更高運算性能的32位元微控制器在工業控制和綠色能源市場商機，新唐已計畫於2014年底前導入90奈米製程量產Cortex-M4核心的微控制器，以因應更高階馬達、控制板等工業控制，及太陽能逆變器製造商的產品開發藍圖。
 

林任烈談到，新唐Cortex-M4核心微控制器除配備高運算效能、內嵌更高快閃記憶體容量及更高位元的AES之外，亦將首度搭載工業乙太網路，及通用序列匯流排(USB)、通用異步收發器(UART)等傳輸介面，以迎合工業控制朝支援更多聯網功能發展的趨勢。
 

林任烈認為，隨著工業控制、綠色能源朝更智慧化的方向演進，該公司預期Cortex-M4核心微控制器產品線挹注的營收貢獻將會逐步攀升，成為帶動公司營業額成長的主要動能。
 

眼見後進者加入Cortex-M4市場戰局，意法半導體亦非省油的燈，下半年也蓄勢推出新一代Cortex-M4產品。楊正廉透露，該公司預計2013年第四季前，將再發表運算效能上看180MHz且支援十指以上觸控功能的新款Cortex-M4核心產品，可實現指紋辨識、手勢遙控等功能。
 

迎合IoE應用M型化需求　Cortex-M0/4產品賣相佳 

由於萬物聯網中的M2M終端裝置與智慧化嵌入式系統分別對於低功耗和高性能微控制器需求殷切，因而加速Cortex-M0、Cortex-M0+及Cortex-M4核心微控制器需求節節攀高；相對而言，Cortex-M3核心產品在萬物聯網應用市場將漸趨式微。
 

楊正廉不諱言，該公司已將Cortex-M0和Cortex-M4核心微控制器視為兩大主力產品線，未來不再投入Cortex-M3核心產品的研發，僅會持續維護與銷售既有的Cortex-M3核心微控制器產品線。
 

林任烈亦認為，Cortex-M0和Cortex-M4核心微控制器已能分別滿足訴求低功耗且低單價，及高性能應用的需求；反觀Cortex-M3價格和性能愈來愈無法與Cortex-M0和Cortex-M4核心產品抗衡。
 

圖8 盛群32位元微控制器產品部門處長盧俊銘認為，超低價32位元MCU不見得符合所有應用所需，短期對市場的衝擊有限。

不過，跨入32位元微控制器領域較早的盛群，仍選擇固守Cortex-M3核心產品線，盛群32位元微控制器產品部門處長盧俊銘(圖8)強調，該公司進軍32位元微控制器市場時，Cortex-M0核心尚未問世，因此先採用Cortex-M3核心開發微控制器；而今則考量投入Cortex-M0或Cortex-M0+的開發成本高昂，若產品上市後，市場銷售不如預期，恐將大幅侵蝕獲利，因此目前暫不考慮導入相關產品線開發。
 

盧俊銘認為，國外半導體大廠的32位元微控制器無法通吃所有市場，將是該公司旗下Cortex-M3核心微控制器可大展身手的絕佳機會，盛群將善用ASSP和ASIC方案策略，爭取最大市占。
 

面對國外半導體大廠超低價32位元微控制器來勢洶洶，國內半導體業者則係挾ASSP微控制器產品站穩市場一席之地。松翰系統設計一部資深經理陳奕儒(圖9)指出，現階段各家半導體業者皆採用Cortex-M核心開發微控制器，但僅單就核心難以突顯產品附加價值，反而是透過客戶的意見反饋，生產出貼近客戶要求的客製化方案，才能長期擄獲顧客的芳心。
 

圖9 松翰系統設計一部資深經理陳奕儒指出，該公司將主打ASSP MCU產品，迎戰國外MCU大廠的低價32位元產品攻勢。

陳奕儒進一步強調，該公司採用Cortex-M0核心開發的32位元ASSP微控制器，由於係客製化方案，因而可維持高毛利，更可避免與國外半導體大廠的超低價32位元微控制器正面交鋒，淪為價格戰。
 

在萬物聯網浪潮之下，32位元微控制器將朝M型化發展，其一為訴求超低價與低功耗的Cortex-M0或Cortex-M0+核心產品，其二是配備高運算效能、高內嵌快閃記憶體容量及更高位元AES的Cortex-M4方案，各家半導體業者將在此波趨勢需求下各擅勝場，趁這波市場商機衝高營收與獲利。