英飛凌、恩智浦等紛紛在MCU中集成AI功能，未來發(fā)展方向是啥？
作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中必不可少的控制與計(jì)算的大腦，MCU的市場(chǎng)規(guī)模也將持續(xù)提升。另外隨著AI、5G技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)MCU也提出了新的要求。
目前，MCU行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀如何？
在MCU中集成AI功能
IoT應(yīng)用由感知、計(jì)算、執(zhí)行、連接和安全幾部分組成。工作流程基本是：首先，由傳感器檢測(cè)環(huán)境信息，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳遞給MCU；接著，MCU對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析和處理，得出決策結(jié)果，傳遞給執(zhí)行層；再接著，執(zhí)行層根據(jù)指令完成相應(yīng)的動(dòng)作。在這個(gè)過程中，必要的數(shù)據(jù)也會(huì)通過無線連接的方式上傳到云端進(jìn)行云AI運(yùn)算或存儲(chǔ)。
過去AI運(yùn)算多在云端，現(xiàn)在逐漸向邊緣端發(fā)展。目前的情況是一般在云端進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)（簡(jiǎn)稱ML）訓(xùn)練，推理除了在云端完成，也可以在設(shè)備端進(jìn)行。在邊緣端進(jìn)行ML的處理，可以提高本地的設(shè)備響應(yīng)，減少云端上傳的數(shù)據(jù)帶寬，提高本地?cái)?shù)據(jù)的安全性。當(dāng)前一些企業(yè)會(huì)在MCU中添加特定加速器，通過專用算力進(jìn)行ML的運(yùn)算，從而釋放CPU的通用算力。
隨著5G技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的延遲和能耗提出了更高的要求。在MCU中融入人工智能算法，可以將MCU低功耗、低成本、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、開發(fā)周期短、廣闊的市場(chǎng)覆蓋率等特性與人工智能強(qiáng)大的處理能力相結(jié)合，從而更有利于終端智能化。
在應(yīng)用層面，圖像和語音處理是MCU+AI的重要應(yīng)用方向，比如圖形識(shí)別、語音助手喚醒詞處理以及其他用于各種安全系統(tǒng)的聲音分類等應(yīng)用。人工智能終將會(huì)滲透進(jìn)人們生活的方方面面，而通過MCU來完成一些AI運(yùn)算，也是未來的重要趨勢(shì)。
越來越多的廠商布局
從目前的情況來看，全球主要幾家MCU廠商都已經(jīng)在該領(lǐng)域有所布局，包括意法半導(dǎo)體、瑞薩、恩智浦、英飛凌等等。
意法半導(dǎo)體從2007年起開始設(shè)計(jì)基于ARM Cortex-M的STM32 32位MCU系列，目前意法半導(dǎo)體通用MCU銷量已位居全球首位，擁有基于ARM Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7/M33，ARM Cortex A7等多個(gè)內(nèi)核，超過1200個(gè)料號(hào)的多系列、多功能覆蓋的全面MCU產(chǎn)品線。
該公司此前表示，近幾年，智能家電的快速發(fā)展，對(duì)MCU的性能、互聯(lián)提出了越來越高的要求，基于MCU平臺(tái)運(yùn)行人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，發(fā)展性能更高、功耗更低的邊緣計(jì)算，正在成為行業(yè)熱點(diǎn)。面對(duì)這樣的趨勢(shì)，意法半導(dǎo)體很早就開始布局智能的MCU。
意法半導(dǎo)體的軟件工具STM32CubeMX中就集成了AI模塊，可以方便客戶將訓(xùn)練好的AI模型轉(zhuǎn)換為MCU上運(yùn)行的軟件，使MCU可以方便實(shí)現(xiàn)AI功能。
瑞薩電子在MCU領(lǐng)域也有很深的積累。今年6月9日，該公司宣布買下美國從事機(jī)器學(xué)習(xí)模型開發(fā)的新創(chuàng)企業(yè)Reality AI。
Reality AI公司的強(qiáng)項(xiàng)在于聲音和視覺之外的傳感器數(shù)據(jù)解析，例如工廠偵測(cè)異音或是汽車的語音辨識(shí)等都可應(yīng)用到相關(guān)技術(shù)。瑞薩買下Reality AI，將可以結(jié)合自家MCU 產(chǎn)品，以及該公司的開發(fā)環(huán)境和推論軟體等，對(duì)外提供支持AI運(yùn)算的MCU。此前，雖然瑞薩有自行研發(fā)機(jī)器控制用途的MCU，但AI相關(guān)應(yīng)用軟件都是向外部合作伙伴購買的。
恩智浦也推出了內(nèi)置NPU的MCU，該公司表示，AI應(yīng)用最開始是在云端，而現(xiàn)在有一個(gè)很明顯的趨勢(shì)，從PC到嵌入式端的需求越來越多。人臉/語音識(shí)別門鎖、以及包括語音識(shí)別、物體識(shí)別等在內(nèi)的各種識(shí)別裝置，都提出了在本地實(shí)現(xiàn)更多推理的需求。
以前的應(yīng)用對(duì)一款微控制器的要求是，按下按鈕就有很快的反應(yīng)。現(xiàn)在就不止這些了，人們希望處理器本身具有預(yù)知性，這就需要增加人工智能技術(shù)。
恩智浦推出了針對(duì)MCU現(xiàn)有應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行升級(jí)的內(nèi)置NPU的MCX，在傳統(tǒng)控制應(yīng)用基礎(chǔ)上增加AI元素，在醫(yī)療設(shè)備、無人機(jī)或者工業(yè)控制中加上智能識(shí)別、故障檢測(cè)、語音控制等。
基于NPU的MCX可以應(yīng)用在一些更新的場(chǎng)景中，比如可以識(shí)別物體的秤，只需把物體放在秤上就可以直接結(jié)賬；在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，可以用于檢測(cè)含瘧疾的紅細(xì)胞；在交通出行中，可以幫助智能車識(shí)別障礙，自動(dòng)做出判斷和處理等等。
國產(chǎn)MCU廠商困難重重
MCU是微控制器的英文簡(jiǎn)稱，又稱單片機(jī)，是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成的芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。MCU幾乎存在于汽車、工業(yè)控制、消費(fèi)電子、家用電器、可穿戴設(shè)備等各種應(yīng)用領(lǐng)域中，扮演著控制核心的角色。
MCU產(chǎn)品迭代速度較快，有4位、8位、16位、32位、64位的MCU，目前主流的是8位和32位。其中8位具有低成本、低功耗、易開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，主要用在汽車風(fēng)扇、空調(diào)、雨刷、天窗、車窗、座椅、門鎖等低階功能控制；而32位主要應(yīng)用于中高端場(chǎng)景，如智能儀表、多媒體系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輔助駕駛等高階功能控制。據(jù)IC insights的數(shù)據(jù)，超過四分之三的汽車MCU銷售來自32位的，而全球車用MCU市場(chǎng)將近9成集中在6大廠中，主要是瑞薩、英飛凌、恩智浦、ST、德州儀器、Microchip等占據(jù)。
近幾年在國產(chǎn)替代的大風(fēng)口之下，國內(nèi)MCU廠商如雨后春筍般出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)有近百余家，他們往往從低端的小家電和消費(fèi)電子為切入口，出于供應(yīng)鏈安全考慮，國內(nèi)部分客戶對(duì)使用國產(chǎn) MCU 的意愿不斷增強(qiáng)，這幾年逐漸實(shí)現(xiàn)了一定的國產(chǎn)替代。
但現(xiàn)在國產(chǎn)MCU廠商面臨的一大難題是庫存堆積。2021年MCU經(jīng)歷了嚴(yán)重的缺貨，客戶為了避免受此影響，已做了一定的備貨準(zhǔn)備，目前大多數(shù)的消費(fèi)電子缺貨并不嚴(yán)重；再加上現(xiàn)在消費(fèi)電子市場(chǎng)萎靡不振，客戶砍單新聞?lì)l現(xiàn)報(bào)端；這讓本來是當(dāng)紅炸子雞的MCU承壓，尤其在消費(fèi)端。
不過業(yè)內(nèi)資深MCU行業(yè)從業(yè)者認(rèn)為，從供需的角度看，消費(fèi)電子最近的疲軟，對(duì)一些MCU的原廠帶來困惑，迫使有些原廠降價(jià)，這是短期行為，但工業(yè)和汽車依然是增量市場(chǎng)，還是供不應(yīng)求。車規(guī)MCU的交期還跟原來差不多，維持在45-52周之間，32位的車規(guī)MCU相對(duì)來說更為緊缺。而且專家估測(cè)，隨著疫情封控結(jié)束、海外戰(zhàn)事平穩(wěn)之后，整車廠需求一旦恢復(fù)，緊缺 狀況可能又要嚴(yán)重。根據(jù)研究公司GlobalData的數(shù)據(jù)，ST即將在第三季度停產(chǎn)的 STM8（8 位）MCU系列將額外漲價(jià)25%至30%，并將引導(dǎo)客戶轉(zhuǎn)向替代 STM32（32 位）系列；Microchip也已全面實(shí)施了5%至40%的價(jià)格上漲幅度，平均漲幅為10%，目前的交貨時(shí)間長達(dá) 50 周，任何新訂單都必須是不取消、不退貨 (NCNR) 和一年的交貨窗口。
另一方面，上游晶圓廠還在繼續(xù)漲價(jià)。臺(tái)積電在近期的投資者大會(huì)上表示，不會(huì)為了短期利潤而魯莽上調(diào)代工價(jià)格，也不會(huì)輕易降低報(bào)價(jià)以應(yīng)對(duì)終端市場(chǎng)需求放緩。但如果需要，也不排除戰(zhàn)略性報(bào)價(jià)上漲的可能。這也說明，晶圓產(chǎn)品在去年價(jià)格高漲后，將繼續(xù)在高位徘徊，不降反而有可能繼續(xù)漲。
雖然消費(fèi)電子需求疲軟，但車用電子、新能源等的快速發(fā)展，晶圓廠產(chǎn)能依舊利用率很高，即使各大廠商擴(kuò)產(chǎn)還是遠(yuǎn)達(dá)不到供需平衡，新建產(chǎn)能最快也要到2023 年才能陸續(xù)釋放。這也給一眾Fabless MCU企業(yè)帶來了很大的產(chǎn)能供應(yīng)挑戰(zhàn)。這對(duì)于那些規(guī)模大的MCU企業(yè)可以將制造成本轉(zhuǎn)嫁給客戶，而那些規(guī)模不大、議價(jià)能力較弱的Fabless MCU企業(yè)，下游客戶不僅不接受成本分?jǐn)傔€希望降價(jià)，企業(yè)維持毛利率將越來越困難。
無論是降價(jià)去庫存還是晶圓廠漲價(jià)，這些都讓國產(chǎn)MCU廠商難上加難。國產(chǎn)MCU廠商們已經(jīng)意識(shí)到，在低端消費(fèi)電子領(lǐng)域已經(jīng)不具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，超高性能MCU將成為全球MCU市場(chǎng)中重要的發(fā)展藍(lán)海和增量市場(chǎng)。
未來MCU設(shè)計(jì)的方向是什么？
伴隨著社會(huì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)水平要求也在逐步提高， MCU產(chǎn)品正處在技術(shù)不斷突破、性能改進(jìn)、功耗降低、體積增大的階段。近幾年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和其他領(lǐng)域的興起，為使 MCU能提供足夠的性能支持，微處理器（MCU）的設(shè)計(jì)也變得更為復(fù)雜，同時(shí)也引導(dǎo)了 MCU產(chǎn)業(yè)未來的產(chǎn)品市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
在未來，MCU設(shè)計(jì)的方向又是什么呢？
1、智能化方向
從2017年起，一些主要的 MCU廠商就開始嘗試在 MCU中增加智能 ai功能。首先是 ST的 Project Orlando項(xiàng)目作為 MCU超低功耗AI加速器單元的實(shí)驗(yàn)，接下來，瑞薩在2018年發(fā)布了 MCU可編程協(xié)處理器 DRP。直到三年后的今天，要想提高 MCU在 ai方向上的運(yùn)算能力，通常使用專用的 ai加速器比提升處理器性能更有效率。所以，將 ai加速器引入單片機(jī) MCU已成為主流?？梢灶A(yù)見，這一方向在未來也將不變。
2、高性能方向
長期以來，不斷提高計(jì)算和處理性能是MCU設(shè)計(jì)工程師和開發(fā)商的目標(biāo)。從最初的4位MCU、8位MCU到32位MCU和64位MCU，不斷增加的位數(shù)也是為了提高M(jìn)CU的計(jì)算和處理性能。如今，各大MCU制造商開始專注于改變MCU核心，提高M(jìn)CU處理器的性能，并在制造過程中取得升級(jí)和突破?？傊疅o論采用何種方法，MCU設(shè)計(jì)的未來方向都是提高性能。
3、低功耗方向
消費(fèi)性電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備以及其他以電池為動(dòng)力的物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)低功耗有著嚴(yán)格的要求。在 IoT設(shè)備中，系統(tǒng)功耗是需要考慮的一個(gè)重要因素，在許多應(yīng)用場(chǎng)景中， IoT設(shè)備需要電池供電，并且需要持續(xù)使用十年以上，這對(duì) MCU有著非常嚴(yán)格的低功耗要求，為了滿足用戶的低功耗要求，各大 MCU廠商也是紛紛推出了低功耗 MCU，以滿足用戶低功耗的需求。
4、支持無線連接
近年來，無線傳感器、智能電表、智能家居、可穿戴設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無線連接產(chǎn)品發(fā)生了爆炸性增長。傳感器和處理器等電子設(shè)備的成本逐漸降低。同時(shí)，無線連接功能和人工智能性能的支持使許多產(chǎn)品更加智能，無須人工干預(yù)即可相互通信。無線MCU將成為未來時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)處理器 芯片。
5、更小尺寸
為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的需求，MCU開發(fā)人員需要平衡性能、功耗和尺寸。與許多可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)一樣，體積小、重量輕是客戶認(rèn)可的關(guān)鍵因素。在小型MCU的發(fā)展歷史上，2004年microchip推出的世界上最小
小結(jié)
整體而言，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中必不可少的計(jì)算大腦的MCU，也迎來了很好的市場(chǎng)增長機(jī)會(huì)。同時(shí)隨著AI、5G技術(shù)發(fā)展，一些新興應(yīng)用場(chǎng)景也給MCU提出了新的要求，需要具備一定的AI功能。因此過去幾年越來越多的廠商在MCU中集成AI功能。
