什么樣的MCU才能登上物聯網市場高速增長的列車？

本刊編輯部

什么樣的MCU才能登上物聯網市場高速增長的列車？

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引 言

物聯網市場呈現飛速增長的發展，在這些領域蓬勃發展的背后，MCU作為物聯網的核心器件，要滿足怎樣的條件才能符合用戶產品的需要？更多聯網產品的出現，使得MCU的功耗是否要越來越低？MCU是否要同FPGA和無線模塊高度整合在一起，更加集成化地服務于上述技術領域？究竟什么樣的MCU才能抓住機遇，登上物聯網市場高速增長的列車？

業界聲音

連接能力、能量模式和集成功能是MCU必備的素質Silicon Labs32位微控制器產品高級營銷經理 φ ivind Loe

(1) 連接能力是物聯網的必備條件

無論現在還是未來，連接能力都是物聯網(IoT)連接設備中的微控制器的關鍵特性之一。強大的無線連接能力不僅對許多物聯網應用而言是必需的，而且這些應用也需要更先進的特性，例如對多協議無線的支持，可用來處理諸如多種網絡的調試和共存這樣的問題。能夠使通信信道安全對于保護物聯網系統免受入侵也是至關重要的。安全性應該通過硬件加速來最大化效率、響應時間和電池續航能力，因為數量眾多的物聯網設備都是由電池供電的，或者擁有有限的能源。

此外，高效的傳感器接口、靈活計時外設和高集成度通信外設也是關鍵的構件，這些外設必須都能夠在深能級模式中自主工作，以最小化能量損耗。

物聯網開發人員需要能幫助自己去實現能效最大化、調試問題和優化網絡的開發工具。強大的軟件構件也是非常關鍵的，它可以使開發人員致力于實現產品的差異化，同時無須為每個設計項目進行重復性的工作。

(2) MCU必須要有精心設計的能量模式

一些物聯網應用，如智能抄表和智能信用卡，可能會有極低功耗的要求；而諸如智能手表等其他應用，可能對MCU本身的低功耗要求并沒有那么嚴格，因為手表中其他的元器件可能占據了電流消耗的主要部分。

為了適合各種不同的應用，MCU必須擁有精心設計的能量模式，支持MCU去實現電流消耗與響應時間和功能之間的平衡。舉例來說，諸如智能信用卡這種需要睡眠模式下電流消耗低于50 nA的應用，可以使用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU和Wireless Gecko SoC的EM4模式。EM4模式擁有最低的電流消耗，但同時只提供少量的外設且喚醒時間更長。而智能水表應用則寧愿使用Gecko MCU和無線MCU的EM2模式，因為EM2模式允許低于1 μA的電流消耗，同時允許復雜的傳感器接口自主運行，以便水表處于休眠模式時仍可測量水流量。

(3) 集成功能對于MCU的眾多好處

將各種功能集成到MCU中有許多益處，包括更低的解決方案成本、更小的占板面積和更高的功能集成度，進而可產生更高的性能和更低的能耗。我們也看到了對于驗證無線模塊的高度需求，該無線模塊包含一個無線MCU，同時集成了包括天線在內的所有外部無線元件，從而使產品開發人員可以極其容易地將無線功能集成到自己的產品中。

安全防護是MCU急需解決的問題

新唐科技股份有限公司 單片機應用事業群技術經理 凌立民

物聯網已開始席卷全球應用領域，成為市場關注焦點，根據高德納 (Gartner) 物聯網預測報告顯示，2017年全球物聯網裝置數量將會達到84億個，市場份額可達到1 700億美元，而到2020年裝置將成長至204億個，份額達2 936億，可見物聯網市場為未來之新興成長動能，臺面上各家廠商亦已經積極展開布局。

進一步分析物聯網應用范圍，其應用范圍相當廣泛，包含智能醫療、智能家庭與城市、智能工廠、智能交通、環境監控與安控等；其中物聯網終端設備為能支持各類型平臺，串連網絡傳輸與應用，因此必須具備高效能的運算能力，筆者相信高效能已經成為廠商競逐的殺戮市場；但除了效能外，物聯網終端設備更重要的是設備必須時刻無線連結上網，無時無刻不存在安全隱患，設想一個家庭的電、水與瓦斯等設備裝設了可受遠端管理的連網裝置，如果能輕易被黑客竊取控制權，輕則導致能源供應中斷，重則可能引起人身安全或重大公安意外。因此，作為物聯網核心器件的單片機，除了效能外，更該考慮的是如何順應日益嚴峻的連網安全需求。

目前物聯網終端節點，大部分只配備了基礎資源進行簡單的感測與資料傳輸工作，但伴隨著云計算與大數據的興起，許多關鍵性的資料存儲與運算都至云端進行，資料到達云端前會經過連接層、路由器層、通信協定連線層及網際網絡層等，資料透過不同的裝置傳送，傳遞過程皆有可能出現安全風險；參考OWASP (Open Web Application Security Project) 組織所整理的物聯網最可能引起信息安全與實體安全防護問題的疑慮之前十項為：不安全的網絡界面；認證/授權不足；不安全的網絡服務；傳輸加密機制的缺乏；隱私權防護不足；不安全的云接口；不安全的移動設備接口；安全配置不足；不安全的軟件/韌體；不安全的硬件設備。

不難發現，除信息安全外，實體安全防護仍是物聯網最需要解決的問題。ARM公司在2016年10月發布了過去僅在Cortex-A系列才配備的TrustZone技術的Cortex-M23和Cortex-M33處理器，這兩款處理器都是基于ARMv8-M架構的新型CPU；TrustZone技術可視為將軟件運行在不同的處理器區域上，如安全區 (Secure Zone) 和非安全區 (Non-Secure Zone) ，彼此互動將受到嚴格管制，我們可以想象如同在安全區開了一份白名單，唯有符合白名單條件才能通行，兩種軟件方能進行互動，因此TrustZone讓通用型單片機借由白名單規則來防范惡意程序，滿足物聯網設備所需的實體安全防護需求。

當然安全防護有不同等級，以ARM 公司官方的分類來看，嵌入式系統 (Embedded System) 安全等級的考慮分為四類，安全性從低至高為應用級防護 (Application Level Security)、進階型防護 (Privilege Level Security)、TrustZone防護 (TrustZone防護)、防竄改防護 (Anti-tampering Security)。

應用級防護本質上為軟件所提供的安全機制，幾乎所有市場上的處理器 (CPU、MPU、MCU等) 皆可以支持此等級的安全需求；進階型防護在執行時將系統程序分類成Privileged和Un-privileged 狀態，類似開了一份黑名單給管理單元來預防破壞的惡意程序，以警告或強制停止系統運行等方式進行保護，由特定等級的MCU才能做到；TrustZone防護僅少數MCU可以做到，如Cortex-A 系列或Cortex-M23和Cortex-M33系列；防竄改防護等級是針對特定用途所設計的芯片，考慮的是MCU本身對實體攻擊 (Physical Attack) 的防護，如MCU線路布局設計、引腳信號不可偵測性、整體軟件運行速度調整防止比對等進行防護。

上述四類的安全防護等級與投入的資源相關，設計者可思考自己的MCU應用系統需要提供的安全防護等級；一般應用級防護適用于所有處理器，故其出貨量成長最為快速；進階型防護可利用此類MCU內建的MPU (Memory Protection Unit)來設定專屬記憶體保護區塊，以運用于進階資安需求的應用，例如一些未連網的裝置或對連網安全不是那么有迫切需求的電子產品，TrustZone防護可適用于更高安全層級軟件資產安全保障需求的生物辦識領域(如指紋辨識應用、智慧連網裝置如電子鎖應用與門禁系統等)，更可在MCU應用系統領域里實現由TrustZone所支持的更加安全的二次開發 (Collaborative Secure Software Development)，同時兼顧連網裝置在設計功能上多樣性需求的彈性，非常適合用于打造安全之物聯網環境，其成長力道不容小覷；至于防竄改防護MCU，例如金融行業的相關卡類應用可以說是對芯片安全防護要求等級最高的，可采用防竄改防護等級，保護機密資料不易被入侵。

物聯網將持續發酵與帶動半導體產業新興應用發展，IC Insights預估，IC市場從2015年至2020年成長動能除車用市場外，以物聯網市場成長最為快速，年復合增長率為12.8%。相信各家廠商要決戰全球物聯網市場，除了必須善用原有競爭優勢，發展關鍵技術以外，安全相關的技術亦扮演舉足輕重的角色，唯有確保了安全性，才能在此波商機中，搶得一席之地。

飛騰公司FT-2000/64芯片性能追平Intel

2016年8月，飛騰公司發布了FT-2000/64芯片，其通過集成高效處理器核心、基于數據的大規模一致性存儲架構、層次式二維Mesh互連網絡以及自定義擴展接口，搭配獨立的存儲擴展芯片(CMC)，提供業界領先的計算性能、訪存帶寬和I/O擴展能力。

物聯網的建設離不開海量服務器的支持，雖然ARM叫囂著進服務器市場叫了不少年，但是到目前為止，產品并不多。所以，能有一款逼近了Intel的性能和性能功耗比的芯片，對整個ARM架構占領服務器市場來說都是意義重大的。

編輯視角

隨著物聯網時代的復雜化，海量數據需要被物聯網硬件采集，大型的服務器同時要對海量數據進行處理、分析，對于64位MCU會有大規模的需求，將刺激64位MCU的大幅增長；而如何在低功耗的前提下又能實現較高的運算能力，成為擺在MCU廠商面前的一道難題，超低功耗MCU是物聯網時代的必備條件；物聯網環境下，要通過傳感器感知外界信息，通過處理器進行數據運算，通過無線通信模塊發送/接收數據，因此采用集成傳感器+MCU+無線模塊的方案才是MCU要抓住的機遇。

隨著MCU技術的成熟、芯片設計技術的普及，以及對市場的充分了解，物聯網時代不斷涌現的巨型企業，必然會走專用MCU的創新之路。近年來許多大用戶直接發展自己的專用MCU，如科大開發用于超級計算機、服務器的MCU、華為開發手機專用MCU，最近小米的松果芯片也面向市場，種種市場現象都表明，實現個性化的MCU創新定制才能抓住機遇，登上物聯網市場高速增長的列車。