超低功耗MCU年復(fù)合增長率將達24.1％，設(shè)計方向是什么？

根據(jù)MarketsandMarkets報告，超低功耗微控制器市場規(guī)模2019年為44億美元，到2024年將增長到129億美元，年復(fù)合增長率為24.1％。預(yù)計2019年至2024年，32位超低功耗微控制器細分市場將處于市場領(lǐng)先地位。這些微控制器的增長，可以歸因于在功耗與高性能之間取得平衡，有助于滿足低功耗應(yīng)用系統(tǒng)的需求。

ST日前就推出了具有高性能和先進安全功能的STM32U5系列超低功耗微控制器，來滿足可穿戴、個人醫(yī)療、家庭自動化和工業(yè)傳感器等對低功耗有嚴格要求的智能應(yīng)用設(shè)備。

ST中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東表示，智能系統(tǒng)的極致需求，推動微控制器進一步向更省電、更獨立自主、更高集成度、更安全的方向發(fā)展。過去五年中，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，在超低功耗微控制器領(lǐng)域占有約25%的市場份額。

全新超低功耗MCU，注重高能效和安全根基

ST中國區(qū)微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理彭祖年介紹，超低功耗微控制器一直是STM32的戰(zhàn)略性產(chǎn)品線。ST自2007年發(fā)布第一款基于Cortex-M內(nèi)核的通用單片機之后，通過兩年時間將Cortex-M系列單片機擴展到了超低功耗領(lǐng)域。從2009年開始，陸續(xù)迭代了一代又一代超低功耗產(chǎn)品平臺，其中也包括了入門級的STM32L0，以及基于Cortex-M4系列的L4系列產(chǎn)品，STM32L4+則是一款在中國智能手表市場的明星產(chǎn)品。STM32U5有望續(xù)寫這樣的歷史，客戶利用這款產(chǎn)品能夠開發(fā)出新的具有高能效、高性能、高安全的智能消費電子和工業(yè)產(chǎn)品等。

STM32U5五大創(chuàng)新特性包括

1、超低功耗。STM32U5內(nèi)部的功耗管理模式升級，增加了低功耗后臺自主模式，以及可在低功耗下運行的外設(shè)和功能，可以在CPU睡眠的狀態(tài)工作，進一步提升電池的續(xù)航能力。

2、信息安全。增加了AES、PKA，抵抗邊界攻擊。

3、功能安全。為進一步降低芯片的故障失效率，F(xiàn)lash和SRAM支持ECC校驗功能。

4、數(shù)據(jù)存儲能力。有512KB Flash可以支持10萬次擦寫。

5、更精確的模擬外設(shè)。包括新型14位精度ADC、多功能數(shù)字信號濾波器，解決更多模擬前端采樣的問題，因此在工業(yè)場景中可以作為工業(yè)信息采集的節(jié)點。

彭祖年著重介紹了低功耗后臺自主模式。通常，當芯片進入低功耗模式時，CPU需要斷電，但是，產(chǎn)品外面可能還會搭載很多傳感器，這些傳感器數(shù)據(jù)會實時輸入到主控芯片一側(cè)。通常情況下，傳感器數(shù)據(jù)傳輸需要喚醒CPU來進行數(shù)據(jù)處理工作。但是，STM32U5設(shè)置了一個獨特的外設(shè)，可以將很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC等外設(shè)上的數(shù)據(jù)，在不喚醒CPU的情況下，搬運至單片機內(nèi)部的SRAM4（大概有16KB空間），當這些數(shù)據(jù)累計到一定數(shù)量時，再喚醒Cortex-M33內(nèi)核進行一次性批處理。通過避免頻繁喚醒CPU，達到降低功耗的目的。
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取得PSA 3級和SESIP3安全認證

安全方面，STM32U5設(shè)計了層層保護。首先，它基于Cortex-M33內(nèi)核，支持TrustZone安全隔離架構(gòu)，并且針對產(chǎn)品內(nèi)部的存儲、總線以及外設(shè)都做了隔離配置的設(shè)計，增加了更多安全加密的功能，以及全程可控的多層保護狀態(tài)機。存儲保護方面，針對內(nèi)部存儲防篡改，增加了OTP空間，還有更多的主動式防侵犯的active tamper設(shè)計等。在完整的安全設(shè)計下，Secure Boot安全啟動也可以讓用戶的安全架構(gòu)設(shè)計能夠獲得不可變的穩(wěn)定的信任根。最終，產(chǎn)品通過PSA Level3認證，成為目前所有STM32系列中首款通過三級安全認證的產(chǎn)品。

值得一提的是，STM32U5還可提供安全固件加載功能。用戶的軟件設(shè)計好之后，可能不會將生產(chǎn)環(huán)節(jié)也放在自己的公司，而是授權(quán)第三方公司實現(xiàn)PCB的貼板、固件的燒錄以及最終的組裝等生產(chǎn)流程。這個流程下，由于授權(quán)的第三方是不在監(jiān)控范圍下的，所以無法保證自己的固件在遠程生產(chǎn)燒錄過程中的安全性。ST通過內(nèi)部的SFI生產(chǎn)流程，可以幫助用戶在第三方的燒錄環(huán)境下，嚴格控制燒錄固件的安全和燒錄數(shù)量的控制。燒錄過程中的許可密鑰和燒錄次數(shù)存放在HSM智能卡中，通過特定的離線燒錄服務(wù)器，達到固件保護的效果。

此外，ST還開發(fā)了STM32U5 IoT Discovery Kit (B-U585I-IOT02A)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件，集成MCU與Wi-Fi模塊、Bluetooth模塊和各種傳感器。微軟已經(jīng)將這個工具套件指定為新的Azure認證設(shè)備計劃參考板。

超低功耗系列MCU的設(shè)計方向

STM32U5是ST超低功耗系列的旗艦產(chǎn)品，覆蓋128K到4M的Flash范圍，未來還將有更大容量版本的STM32U5系列，以及更小更精簡的低成本產(chǎn)品推出。目前已量產(chǎn)的memory size為512K-2M，下一步的量產(chǎn)計劃中包括更低和更高容量的產(chǎn)品系列。

曹錦東介紹，STM32U5系列產(chǎn)品將會從memory、引腳以及不同的外設(shè)組合上給客戶更豐富的選擇。下一步很快面市的將是4M產(chǎn)品，主要面向可穿戴手表，因為在這類應(yīng)用中，需要更多地存儲程序以及數(shù)據(jù)。

回顧STM32系列從L1到L0、L4、L5，ST有超過十年的MCU低功耗設(shè)計經(jīng)驗，盡管如此，STM32U5的系統(tǒng)復(fù)雜性比以往更高，要在同樣的主頻，進一步降低功耗，是很大的挑戰(zhàn)。

通過工藝的升級，從過去的110nm到90nm再到現(xiàn)在的40nm，工藝本身會帶來動態(tài)功耗的降低，但對于靜態(tài)功耗卻是相反的，這是兩個相悖的數(shù)據(jù)。因此，ST在外設(shè)方面也做了更精確的設(shè)計，達到整體系統(tǒng)功耗降低的目的。

對于超低功耗MCU的設(shè)計方向，曹錦東強調(diào)，需要更多關(guān)注性能和功耗。STM32U5從性能至少兼顧兩個維度，一是圖形軟件引擎，二是硬件顯示加速的效果，類似計算機中的GPU graphic引擎，STM32U5添加了專門的IP，支持2.5D加速器。ST的低功耗MCU產(chǎn)品線，會根據(jù)用戶需求，以特定IP的方式、硬件的形式集成在MCU中。從功耗的角度，會提供多重功耗模式供客戶做選擇。

彭祖年補充，功耗的選擇沒有標準公式可以套用，因為綜合評估系統(tǒng)功耗，是一個系統(tǒng)問題，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景來判別。有的產(chǎn)品應(yīng)用90%以上的時間在休眠，有的產(chǎn)品CPU一直在運行，前者更應(yīng)該關(guān)注靜態(tài)功耗，后者則要更多關(guān)注CPU的功耗，ST提供了不同的模型，供客戶來評估適合自己的功耗選擇。

高性能、超低功耗產(chǎn)品將成為MCU一個重要的新方向，在可穿戴、物聯(lián)網(wǎng)以及多種便攜式設(shè)備中越來越多地被采用。

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