多协议RF会成为未来MCU的发展趋势吗?

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曾经“井水不犯河水”的无线技术开始万众一“芯”了。以IoT无线技术的分合为例,虽然IoT界各种无线互连技术相互之间的竞争互有攻守,各成其就,不过时至今日,在碎片化的IoT市场“一家通吃”是一个不可完成的任务,“共存”成为一个可行的选择。而这样的“合作”已见端倪,越来越多的厂商开始推出支持多协议RF如BLE + IEEE802.15.4的单芯片MCU,而这会是MCU的下一风口吗?
 
MCU暗存变局
 
作为通用电子产品的基础部件和心脏,MCU的重要性不言而喻,市场规模也在持续攀升。据IC Insights研究报告,全球MCU市场将于2020年达到高峰,销售额达209亿美元,出货267亿颗。而占据C位的中国市场自承其重,据IHS研究报告,2018年中国市场将会达到50亿美元,2021年将有64.2亿美元。
 
在市场格局相对稳定的MCU市场中,国外大厂ST、瑞萨、NXP、TI等一直把持头部位置,国内厂商仍在从低端向中高端加快渗透步伐。值得注意的是,MCU在技术升级的道路上一路向前,但重要的是如何保持一致?
 
物联网、工业4.0、AI、智能驾驶等新兴应用对MCU提出了一些新的要求,包括处理能力提升、数据采集速度与精度、通信协议接口、可靠性和稳定性等,相应地需要高性能、低功耗、高可靠性、超大容量Flash和RAM,支持多种网络接口、无线技术和OTA空中升级,达到严格的功能安全和网络安全。这些新技术将引领新一代MCU的技术升级。“随着无线技术的成熟,无线功能作为MCU的标准外设迟早都要到来。”一直做MCU研究的业界专家唐晓泉总结说。
 
在这一过程中,新老势力的角逐也将逐渐分化。传统MCU市场的竞争领域主要以硬件为中心,包括功耗、外设、性能、体积和材料成本等等,而未来可预见更大的系统级差异化,围绕芯片提供综合性解决方案或将产生新的变局。
 
无线MCU成趋势
 
随着越来越多的设备接入IoT,不只要求更多的无线连接功能和更高安全性,还需要低成本、低功耗等,因而以往MCU+无线芯片的分立方案出现了“危机”,集成已是心照不宣的选择。正如市场所见,恩智浦的K32W0x、TI的SimpleLink双核结构CC2650、ST的STM32WB多协议芯片、Nordic的nRF52840都已面世,无线MCU已成蔚然之势。
 
诚然,这一集成带来了新的挑战,比如如何配置芯片的硬件资源,支持不同协议的运行;如何在芯片复杂性增加的前提下,依然保持低功耗的特性;如何提供多协议应用的可靠、易用的开发工具等。STM32超低功耗和网络微控制器市场经理Hakim Jaafar就指出,无线协议栈的调试、生态系统搭建及竞争力体现均是挑战。
 
但这样的多协议、单芯片MCU的优势仍然显见。Hakim Jaafar分析道,以往解决方案是单核MCU+无线芯片,不仅成本更高,而且单核既需要跑应用也需要跑无线协议,因而需要分时系统,更加复杂。同时任务处理时间长,因而功耗更高。而从集成之后的架构来看,一般无线MCU以ARM Cortex-M4和Cortex-M0+来配置,M0+负责无线协议栈以及安全密钥,而应用则在M4上运行,这有助于在实时性、安全性获得优势,并在M0+工作时让M4休眠等方式实现功耗优化。
 
同时,这为开发者带来了便利,比如在热门的智能门锁中使用支持BLE和Thread的双协议芯片,既可支持带有BLE的手机直接开锁,也可作为智能家庭Thread网络节点,通过云端进行控制和管理。
 
虽然以往也有集成相关无线RF的MCU,但Hakim Jaafar提及,STM32WB可支持最新的协议栈为蓝牙5.0,具备mesh的功能,而过去的蓝牙IP不支持5.0,有了最新的IP才使其成为可能。
 
主流的无线MCU大都集成了开放的2.4G射频多协议模块,支持蓝牙5.0以及Thread和ZigBee的协议栈。或许现在的问题是,如何在同质化的无线MCU中脱颖而出?
 
竞争力比拼
 
“无线功能将成为MCU的标准外设,此时MCU的竞争又将回到最原始的状态,即性价比、服务支撑特别是软件的支撑。”唐晓泉直言。
 
而对于STM32WB系列的价值点,ST中国区微控制器事业部市场及应用总监曹锦东如数家珍,一是超低功耗,在256K的RAM条件下可达到1.8µA,在关闭模式下则小于50nA;二是超安全性,提供诸多的保护与安全性能;三是系统成本,STM32WB集成了巴伦等,外部器件最少只需6个,而且最少可做到两层板,大幅降低了成本;四是可延续或共用STM32已有的生态系统,有免费的软件和IDE集成开发环境,可降低开发门槛,加快开发进程;五是ST可提供长达10年的供货保证。
 
安全性对于IoT的重要性不言而喻。曹锦东表示,STM32WB主要通过双核保证安全,M0+存储安全密钥,这一区域是M4内核访问不了的,通过这一机制,当程序通过OTA升级时收到代码后,需M0+确认程序的密码是否与原始密码相匹配,如不匹配则停止升级。此外,在IoT保护上,面对非入侵式攻击以及软件攻击,都有一系列的防御措施。
 
除在MCU的“软硬指标”比拼之外,还要考量操作系统和云连接的“度”。曹锦东提到,STM32WB支持主流的IoT操作系统如AliOS、RT-Thread和LiteOS等,云厂商合作伙伴则有亚马逊、微软、阿里等,同时也支持一些中小型云厂商。
 
独立无线芯片仍有市场?
 
很显然,无线MCU已成厂商的关注重点。而且各大厂商开发都基于一个平台化的架构,如ST的STM32 、TI的SimpleLink、Nordic的nRF5、NXP的Kinetis W等,以沿袭之前的生态优势。未来随着市场的发展,各大厂商还将不断推出新功能的无线MCU,以应对细分市场的需求。
 
“下一步ST还将推出WL系列,即长距离(Long range)无线,诸如Sub-GHz等,甚至是带有WiFi的SoC,这些都是ST在未来的规划。” Hakim Jaafar指出。
 
同时也要看到,在无线MCU芯片走向多协议化的背后,其实还有一个更深层次的动因,那就是无线技术的IP化——WiFi本身具备IP能力,BLE 4.2版本增加了对IP网络的支持,而基于802.15.4的Thread也是基于IP的网络协议——这样的“共性”将如何推动物联网无线互连技术的走向,值得业界关注。
 
而无线MCU兴起,是否意味着以后分立的蓝牙或ZigBee市场之消减?Hakim Jaafar的看法是,从技术上讲这两大技术需求不一,而客户的需求是多样化的,尤其是IoT市场特别碎片化,有的可能需要比较小的资源,只做一些透传的射频;有的可能需要强大的资源,外部要接强大的处理器如MCU或MPU。“传统的无线射频芯片仍会存在,而集成化亦是一大趋势,这两种架构的芯片彼此互补,关键是看市场需求。”Hakim Jaafar提及。
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