近幾年，隨著物聯網興起，各式各樣的物聯網裝置湧向市場。根據中國產業資訊網的資料及預測，2019 年全球物聯網裝置數量已達到 107 億臺，預計 2025 年物聯網連線數將達到 251 億臺，保持 12%以上增長。
然而龐大市場背後，物聯網裝置電池續航時間卻逐漸成為制約使用電池供電的物聯網產品發展的問題，有限的電池容量很難滿足消費者日漸增長的續航需求，如何在電池容量有限的情況下提高裝置的續航能力？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，就必須先從晶片上入手。
面向未來龐大的物聯網節點應用需求，超低功耗MCU開始受到越來越多的關注，中科芯蕊在內的眾多國內MCU廠商緊抓機遇，醞釀一波新變局。
國際認定：低功耗MCU榜單第一
一直以來，低功耗是物聯網發展過程中無法避開的技術話題，系統功耗是物聯網部署的主要考慮因素之一，原因在於當前物聯網終端節點大部分採用電池供電，而MCU作為控制整個物聯網節點的核心器件，其能耗水平決定了物聯網節點的整體功耗特性，毫無疑問，低功耗自然也成為MCU的重要指標。
隨著物聯網類應用逐漸走入工業和消費領域，對MCU的低功耗和整合度都提出了更高的要求。無論是消費電子還是可穿戴裝置，只要是用電池供電的物聯網終端對低功耗都有嚴格的要求，並且產品的續航能力還與消費者體驗息息相關，電子系統的能耗越大，產品的續航能力越差，消費者的體驗越糟糕，反之，能耗越小，消費者體驗也會有所提升。
即便在非消費類領域，大規模部署的物聯網節點也需要面臨著高昂的維護成本，由於電池的供電能力無法維持整個產品生命週期，大部分產品需要人工更換電池進行維護，物聯網節點的大量部署存在空間佈局不規則的特性，這給維護帶來了巨大的成本壓力。
在數量巨大的物聯網應用的倒逼下，超低功耗毋庸置疑成為了MCU的核心競爭力。國際MCU巨頭意法半導體、瑞薩半導體等也皆在積極佈局超低功耗領域。
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超低功耗MCU領域一顆冉冉升起的新星，產品面向物聯網、可穿戴電子、人工智慧等領域，提供超低功耗晶片及解決方案，擁有多項超低功耗積體電路設計技術“黑科技”。
在成立兩年的時間裡，中科芯蕊先後推出了超低功耗MCU、實時時鐘、低功耗語音訊號處理器、訊號調理等系列產品，產品功耗效能指標處於國際領先水平。
其中，XRM32UL051是北京中科芯蕊開發的32位基於ARM Cortex-M0+的超低功耗MCU晶片，最高工作頻率可達48MHz，支援最高達64KB程式空間以及18KB SRAM儲存空間。據介紹，該產品還支援豐富的外設資源，工作電壓在2.0V-3.6V之間，工作溫度範圍為-40℃~+85℃，可以提供多種封裝形式，滿足不同應用的需求。
XRM32UL051評估板
除此之外，XRM32UL051採用獨特的亞閾值技術和非同步電路技術，支援執行(ACTIVE)、睡眠(SLEEP)、停止(STOP)、待機(STANDBY)等多種低功耗模式。在各種工作模式下，均具有優秀的功耗指標，具體來看，產品執行模式功耗為20uA/MHz，停止模式功耗0.7uA ，功耗僅為市場同類產品的1/4~1/5。極低的能耗在實現理想的電池續航能力的同時，更能被廣泛應用於物聯網、人工智慧、可穿戴電子等領域。
眾所周知，業內不同的微控制器、微處理器廠商的產品各不相同，因此很難對產品進行標準化的評估。為了能更好的評價低功耗MCU的功耗特性，嵌入式微處理器基準協會（EEMBC）與各大MCU廠商聯手推出了ULPMark，透過同一套演算法和相同的電流測試板，對各家產品進行標準化的評估。作為超低功耗MCU權威標準，ULPMark對中科芯蕊超低功耗技術給予了肯定。目前，中科芯蕊XRM32UL051已通過了ULPMark的評測，評測得分高達到451分，在同等核心中排名全球第一。
創新性技術路線：兩項超低功耗技術的結合
國際上的認可離不開中科芯蕊強勁的技術實力和卓越的研發團隊。
一般來說，亞閾值電路設計是超低功耗MCU設計的必由之路，因為它可以將晶片的工作電壓降低到電晶體閾值附近，進而降低靜態漏電和動態功耗。眾所周知，MCU功耗一般分為靜態漏電和動態功耗兩部分，在靜態漏電部分，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準單元設計。在動態功耗部分，可以減小電源電壓或者降低電路無效翻轉來降低功耗。
而中科芯蕊在超低功耗積體電路設計技術路線上，有別於傳統技術路線，不僅採用上述所提到的亞閾值晶片設計技術，還使用非同步電路設計技術。非同步電路技術，即採用事件觸發的方式進行工作，能夠徹底消除電路中的無效翻轉。更重要的是，非同步電路技術能夠有效解決亞閾值技術面臨的時序難題，更加有效的發揮亞閾值技術的功耗最佳化效果。
通過當前最為先進的兩項超低功耗技術的結合，中科芯蕊獨立開發了囊括底層IP庫、設計流程、系統架構等多層級的STAS超低功耗設計平臺，基於這一平臺開發的產品實現“1+1>2”的最佳化效果。而這兩種核心技術是中科芯蕊團隊在國家重大專案的支援下，經歷了十餘年的技術積累，形成了具有自主智慧財產權的獨特的超低功耗晶片設計方法。
據介紹，中科芯蕊是由中國科學院微電子研究所孵化的高科技企業，是國內研究超低功耗設計方法和技術最早的團隊，相關的技術研發得到了國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家科技重大專項（01、02專項）、中國科學院知識創新工程重大專案、中國科學院戰略性先導科技專項的支援，逐步形成了成熟完善的全新超低功耗電路設計技術體系。
此外，其研發團隊曾為國內積體電路設計領域龍頭企業設計了國內首款亞閾值處理器，各項技術指標實現了國內“零的突破”。
強大的硬實力不僅讓中科芯蕊奪得MCU低功耗榜單的第一名，還獲得了中國科學院科技服務網路計劃（STS）雙創引導專案支援以及中關村高新技術企業、北京市海淀區胚芽企業的稱號和資質。今年，中科芯蕊XRM32UL051更是在第十六屆“中國芯”優秀產品徵集活動中榮獲“芯火新銳產品”獎，這也說明了其超低功耗產品已經獲得了國內產業的認可。
“中國芯”獎盃
“開疆擴土”：保持超低功耗技術的領導地位
從當前技術發展趨勢來看，未來物聯網生態系統、消費電子等對低功耗MCU的需求將不斷增加，換句話說，超低功耗MCU市場將迎來快速增長。據MarketsandMarkets資料顯示，超低功耗微控制器市場規模2019年為44億美元，到2024年將增長到129億美元，年複合增長率(CAGR)為24.1%。
面對終端市場對產品功耗不斷加強的需求，以技術領先為突出特點的中科芯蕊，將繼續透過技術突破實現卓越效能，打造技術壁壘。
針對部分物聯網應用場景對邊緣計算的需求越來越多，傳統的MCU無法應付這類運算需求，中科芯蕊計劃推出採用RISC-V核心+AI引擎的輕量級AIoT類處理器。同時，為了豐富產品線應對更多應用場景，中科芯蕊後續會推出更多核心的通用型超低功耗MCU。此外，中科芯蕊還將推出面向醫療、能源計量行業應用的定製型超低功耗MCU，進一步提高客戶產品的市場競爭力。除了搭建技術領域的壁壘，中科芯蕊對智慧財產權保護也將提出更高的要求。由於採用了創新性的亞閾值晶片設計技術與非同步電路設計技術的技術路線，目前，中科芯蕊在相關領域申請發明專利近30項。據介紹，在發展初期，中科芯蕊側重對核心技術點進行專利佈局，未來將採用以面代點的方式進行專利部署，力求在多個特色領域形成相互聯絡的專利組和專利池，預計在2024年擁有核心發明專利超過50項，構建全面保護創新技術的智慧財產權保護體系。
隨著終端創新性產品的不斷湧現，中科芯蕊作為超低功耗技術的領導者，將繼續“開疆擴土”，持續加大研發和生產投入，不斷拓寬產品線，豐富產品應用場景。
寫在最後
當前中國MCU市場空間廣闊，摩根士丹利的亞太大中華區半導體產業研究團隊認為中國的MCU本土化企業生產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”危機以及地緣政治摩擦之下，國產化或將成為剛需，而中國MCU市場也將迎來新的轉折點，超低功耗MCU也不例外。
意法半導體部門副總裁、微控制器事業部總經理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的優勢，並佔有約25%的市場份額。”由此可推測全球超低功耗微控制器市場在100億以上。
由此可見，國內低功耗MCU賽道有望迎來“黃金時代”。廣闊市場空間背後，是“可期”的技術發展，期待中科芯蕊在超低功耗領域闖出更大的一片天。
今天是《半導體行業觀察》為您分享的第2901內容，歡迎關注。
晶圓｜積體電路｜裝置｜汽車晶片｜儲存｜臺積電｜AI｜封裝
