这些年,嵌入式处理器厂商也是蛮拼的,盘点马年十大亮点

2015-02-03 08:55:27来源: EEWORLD作者: 陈颖莹
    从诞生至今,MCU、MPU等嵌入式处理器一直围绕着性能、能效、尺寸、连接性、安全、开发难度等主要参数进行改进,近些年我们发现很多通用处理器厂商又反过来做专用处理器,这个“轮回”也显得很有意思。其实主要是因为不同行业需求大相径庭,为了抢单,这种“专用型”通用嵌入式处理器就孕育而生了。

   在IHS 2014年12月公布的半导体公司20强中,把通用MCU\MPU\SoC作为重心的公司占了不少份额,如德州仪器、意法半导体、瑞萨、NXP、飞思卡尔。随着竞争加剧,半导体公司也是蛮拼的,想方设法改进嵌入式处理器的各种参数,并实现差异化,EEWORLD在马年尾声为您盘点嵌入式处理器的亮点,包括最任性的MCU、领跑的ARM处理器、安全性、“多维”低功耗(高能效)、高集成度 、抢手的内核、架构、专用化、工艺、物联网生态系统&平台等十大方面,看看今后这些厂商是否还能策马奔腾?
 
 
一、最任性的MCU
 
    现在很多畅销的MCU/MPU/SoC都是基于ARM核,但是也有一些任性的半导体公司继续推出了一些“任性”的处理器,而这些处理器也是在继承自身DNA的基础上,获得了很大的改进。
代表:
 
1.德州仪器(TI)的MSP430FRxx系列 - 低功耗性能第一
 
    MSP430有着20多年的历史,TI 对MSP430系列不但不抛弃不放弃,而且还越来越重视,几乎每年都会把MSP430升级一个档次。MSP430FRxx特点:低功耗、FRAM。嵌入式微处理器基准评测协会(EEMBC)做了评估,评估囊括了大多数8 bit、16 bit和32 bit MCU,评估的标准值称为ULP -MAX(Bench),该值比较全面地权衡各种状态下的功耗和性能,这个最能体现超低功耗的总体性能。FR5969 的ULP -Bench值大约为119.2,与其他的供应商(再次强调包括8 bit低功耗单片机)相比具有巨大的优势(第二名仅为80左右)。
 
 2.Microchip  PIC32MX1/2/5系列 -  32位的低成本MCU
 
    说起PIC,很多工程师的印象就是便宜,是的,Microchip一直延续着PIC低成本这个传统,也特别适合中国成本敏感型市场,8位PIC和16位PIC一直受到这类市场的欢迎。随着32位逐渐成为主流,Microchip近些年也一直加大对32位PIC的投入力度。采用MIPS microAptiv或M4K内核的Microchip 32位产品系列提供高性能单片机和开发嵌入式项目所需的所有工具。最新PIC32MX1/2/5系列专为低成本应用设计,性能高达83 DMIPS,拥有智能的外设组合及可扩展的大容量存储选择,为消费类、工业、医疗和通用嵌入式控制市场提供了成本更为低廉、设计更为便捷的创新解决方案。
 
    在去年Microchip推出的具备双ADC外设的低成本8位PIC单片机和超低功耗(XLP)16位MCU PIC24F“GB2”系列新器件也进一步为PIC补充新鲜血液,为Microchip扩大低成本、低功耗优势。
 
3.飞思卡尔 QorIQ T系列处理器 – 继续Power Architecture创新。
 
   通信处理器的应用领域决定了它的最大需求是“快”,飞思卡尔 QorIQ T系列通信处理器多年来一直是行业的老大。飞思卡尔每年也在向QorIQ传输新鲜血液,继续Power Architecture创新。飞思卡尔QorIQ T1024/14和T1023/13通信处理器就是众多新品之一,这些新处理器采用28 nm技术,将性能领先的Power Architecture e5500处理器内核与运行频率高达1.4 GHz的先进缓存架构、应用领先的卸载引擎和面向未来、低功耗的内存子系统整合在一起,它们主要针对低成本的企业和服务供应商边缘和网络控制应用。
 
二、领跑的ARM处理器
 
    32位MCU在全球增幅一般是15%以上,其中基于ARM架构的32位MCU的增幅更是达到30%。过去两年,32位MCU出货量翻了一番,以前的规律通常是5年才能实现翻一番。目前,全球领先的MCU供应商中,只有4家霸占了市场份额,而且排名前两位的MCU厂商,其增长速度远远超过其他厂商。这两个系列都是基于ARM架构的,一是STM32系列,二是的Kinetis系列,这两款卖得最好,在过去1年翻了一番。
 
1.意法半导体STM32
 
   特点:靠ARM核大翻身,STM32无疑是最“功成名就”的基于Cortex-M 核的MCU。IHS的一份报告显示,2012年Cortex-M MCU在中国的出货量中,意法半导体占了35%,稳居第一。凭借Cortex-M 核,2013年意法半导体在全球通用MCU厂商中排名第4位,而6年前是第10位。最新基于Coretx-M7的STM32F7也抢在第一公布。 
 
2.飞思卡尔Kinetis
 
   特点:产品线齐全,突出安全性、可扩展性和高能效,值得一提的是,飞思卡尔低功耗的技术突破很多都来自中国。例如,基于ARM Cortex-M4的Kinetis V系列MCU简化下一代电机控制和数字功率转换应用;Kinetis微型产品系列Kinetis KL03 MCU成为世上最小的、最具能效的、基于ARM技术的32位MCU;最先为最近发布的ARM Cortex-M7内核提供全面支持;Kinetis L系列微控制器的低功耗性能出类拔萃。
 
三、安全性
 
    由于各个领域都在与物联网有交集,因此各种级别的处理器就必须要考虑安全性,以在硬件层次符合安全标准。
 
代表:
 
1.德州仪器SafeTI和Hercules MCU
 
    SafeTI硬件开发流程认证以及成功的Hercules MCU平台架构概念评估。Hercules TMS570LS12x/11x与RM46x微控制器(MCU)已经过TÜV SÜD的认证,符合ISO 26262(2011版)与IEC 61508(2010版)对ASIL D和SIL 3安全完整性等级的功能安全标准的相关要求。
 
2.飞思卡尔的安全联盟
 
    安全性保障来源于物理性安全(硬件安全),以及软件安全(用户认证、身份管理、安全网络接入等)。在这方面飞思卡尔已与很多合作伙伴携手成立联盟,这些联盟的使命是,将过去不能相互连接的MCU应用变成强大的系统化网络连接中的一部分。硬件安全可以对包括电压、频率、温度在内的物理特性进行保护。
 
四、“多维”低功耗(高能效)
 
    从独家的MSP430,到通用的Cortex-M0+核,处理器厂商们都在想如何取长补短去降低功耗,而且还要保持性能。有的厂商会用EEMBC的ULP -Bench值去评估和比较,;有的厂商会在不同模式下比较MCU功耗,甚至细化待机模式;有的厂商会在不同温度情况下,去比较最低功耗......“多维”去比拼功耗极限将为更多智能应用带来无限和“无电”可能。
代表:    
 
1.TI MSP430 FRAM MCU
 
    其中,FR5969 ULP -Bench值 为119.10,排名第一。MSP430 FRAM MCU的待机功耗、模拟功耗(外设功耗)、数据写入功耗、运行处理功耗这4种功耗综合起来是最低的。此外,MSP430FR4x/ FR2x有一个片上电荷泵,使得不管电池提供的电压是多少,输入到所有LCD驱动的电压是恒定的。即使是在待机的时候,也能正常显示温度、风量等需要的信息。
 
2.STM32L0
 
    其运行模式功耗降至87µA/MHz。更牛特点是:其他品牌产品的功耗随着温度升高而快速增加,在105 ℃时,它们其中的一些漏电流就高达150 µA;而意法半导体独有制造工艺在很宽的温度范围内保持稳定的低功耗,使该系列产品在125°C时创下世界最小的功耗记录,其漏电流低于30 µA。
 
五、针对不同应用的高集成度  
 
    搭载更多异构核以及更多高精度模拟器件是几乎所有嵌入式处理器厂商都在做的事情,因为高集成度的好处有很多,例如节省物料成本、提高稳定性、降低功耗等。特别是对于一些本来模拟器件比较强的而嵌入式产品又相对被冷落的公司而言,“搭售”或许是另一条捷径。当然不是一味地加入更多,而是按需分配,针对不同应用,灵活配置内核,有点像搭积木。
 
代表:
 
1.LPC54100系列MCU
 
    内置了Cortex-M0+和Cortex-M4F两个核,特点是实现传感器数据管理优化,有监听模式、读取模式、算法处理3个模式。针对工业应用,LPC54100内置了一个高能效ADC。它的特点是在任何电压下(1.62 V~3.6 V),都能实现最高性能,达到12位 4.8 MS/s。而其他竞争对手产品中内置的ADC速率只有2.4 MS/s,而且必须是在高电压下。
 
2.Altera MAX 10 FPGA
 
     虽然FPGA不是SoC,但不可否认两者的界限已经越来越模糊了。Altera 把大量的外围器件(包括振荡器、时钟、模数转换器、温度传感器等)集成到MAX 10中,而过去系统的核心32位处理器也可以用Altera的软核处理器Nios II来替代,这能够让电路板面积减小50%。将来Altera还可能把电源系统也集成到FPGA内部。
 
六、抢手的内核-高大上的Cortex-M7
 
     Cortex-M7在2014年华丽推出,意法半导体、飞思卡尔、Atmel都已经第一时间购买了Cortex-M7的授权,意法半导体更是率先推出STM32F7。Cortex-M7真的很拉风!
 
Cortex-M7的计算性能和DSP处理能力是现有产品的两倍,可让厂商以低成本满足高性能嵌入式应用需求。M7的首要使命是高性能,号称达到了前所未有的水平,同时还要维持该系列一贯的超小面积、超低功耗。
Cortex-M7架构上采用了六级、顺序、双发射超标量流水线,拥有单精度、双精度浮点单元、指令和数据缓存、分支预测、SIMD支持、紧耦合内存(TCM)。40 nm LP工艺下可在400 MHz频率上提供2000 CoreMark的性能。
Cortex-M7将MCU的性能提升到了新的档次,而且进一步将DSP的角色纳入倒了单独一个32位ARM指令集的CPU之中。性能、功能的丰富,可以让设备厂商更多地依赖MCU,应用处理器则尽量少用,自然能改进整体功耗,甚至做出以前不敢想象的产品。2015年及未来几年,Cortex-M7应该是Cortex-M核中最耀眼的明星,也是各大处理器厂商的争夺点。
 
七、架构
 
   对于处理器而言, 内核是“心”,架构是 “骨架”。如果都用同样的内核,那么如何把一个核或者多核有效地组织起来绝对是个技术活。好的架构就像盖房子时的地基一样至关重要。虽然以下架构已经推出约两年多,但是产品真正被采用却在2014年,并且在2014年陆续推出了很多新的更加成熟的产品。相信未来更多地厂商会把自己的MCU相关技术提升到“架构”层面。
 
代表:
 
1.软件感知的Layerscape架构
 
    Layerscape是一个以软件和编程能力为主的方法,也是一个与核无关的架构,既可以用Power Architecture也可以用ARM。其优点在于:可以保护软件投资,加快上市时间,低功耗运行以及很好的灵活性。
 
    例如: 高性能64位ARM Cortex-A57处理器与飞思卡尔QorIQ LS2系列独特架构的相结合,可满足网络行业重点实现新水平的可扩展性和效率,推动网络基础架构的演进发展,并提供使SDN、NFV和虚拟化网络转型的机会。
 
2.TI KeyStone及KeyStoneII

   DSP架构已走到尽头,要发展DSP,Keystone架构帮助DSP打破僵局,其最大的改善是带宽加宽了,具有多层处理单元。TI 可扩展KeyStone II 架构支持TMS320C66x 数字信号处理器(DSP) 系列内核以及多高速缓存同步的四通道ARM Cortex-A15 集群,包含多达32 个DSP 和RISC 内核,可需要高性能和低功耗应用领域的理想选择。
例如:针对云应用的28 nm多核SoC 66AK2H12(高密度运算+管理)以及今年新推出的汽车微控制器Jacinto 6都采用了Keystone架构。
 
八、专用化

   从特定应用集成电路到通用SoC(MCU/MPU/DSP),市场已经充分接受了通用系统级芯片并广泛采用。但是随着一些特定行业的爆发(如物联网相关应用),这些行业又反过来希望目前所采用的通用芯片能有一些“专用性”。处理器厂商开始有针对性地推出专用的处理器,例如针对工业的安全和稳定需求,针对传感器网络和针对汽车的。
 
1.工业领域
 
    工业领域一直不变的共同追求有3个:可靠性、稳定性和长期供货能力。工业市场有个非常明显的发展趋势,从传统意义上简单的、单向的、点对点的控制开始向复杂的、组网拓扑结构工业控制演进,每一颗处理器以及每个设备要兼顾通信、控制以及运算,所以对性能的要求会大幅度提升。
 
  代表:
 
 (1)瑞萨全新工厂自动化解决方案RZ/T1实时处理器。
    作为MCU的老大,瑞萨近几年近况有些令人担忧,但是其产品的稳定性一直是工业、汽车厂商所最中意的,求新求变是必须采取的措施。
    RZ/T1 MPU特点:(1)工作频率高达600 MHz的Cortex-R4F内核以及直接与CPU内核相连的高速、大容量紧密耦合内存可实现高速处理性能和卓越的响应性。(2)R-IN引擎工业以太网通信加速器。(3)保留了获得行业认可的瑞萨MCU外设功能,进一步提升了用于工业设备的新增外设功能和安全功能。(4)新增对编码器接口的支持,提供单片式AC伺服解决方案。
 
(2)TI C2000和AM437x

   C2000算是TI在工业应用中的“老前锋”,每年,C2000都会有一些新惊喜给大家。去年,TI新推出的C2000 Delfino 32位F2837xS MCU,为工业实时控制设计带来了功能强大的单核系列产品。这些单核MCU是业界首个可提供4个16位ADC并且能在电源控制应用中进行精准反馈的产品。新F2807x MCU可在降低系统成本的同时加速控制系统并提高集成度。
 
    Sitara相比C2000是“新兵”,Sitara系列不负所托,在上市之后约3年时间逐渐被工业领域用户接受,并完成了它两个巨大的使命:将Cortex-A8普及到目标客户以及帮助TI从手机等消费类市场向工业、通信领域的战略转移。新推出的AM437x的采用1 GHz Cortex-A9 内核,比上一代Sitara 系列产品高40%的性能;集成了图像加速器,4核可编程实时单元(PRU),这是TI有别于ARM处理器供应商的最大差异化的技术。此外,TI独特的低功耗工艺使得AM437x内部所有功能都运作起来功耗也在1 W以内。
 
2.网络
 
     由于很多智能家居等应用对ZigBee并不“感冒”,TI不得不转向广受欢迎的Wi-Fi。TI SimpleLink Wi-Fi CC3100和CC3200低功耗Wi-Fi可编程微控制器,是真正单芯片的SoC。CC3100内部集成整个TCP/IP堆栈、RAM、ROM、DC/DC、振荡器和BAT Monitor等,还有TLS、SSL以及和安全相关的硬件加密在里面。CC3200是片上互联网+MCU,即80 MHz ARM Cortex-M4核与Wi-Fi网络处理器相集成,并还有DMA、计时器和GPIO等通常MCU有的外设。
 
3.汽车 - 绝对是重头戏和火拼焦点
 
     未来3~5年,无论是中国市场还是全球市场,智能化对整个产业来说是非常好的机会。很多高端汽车的功能正在逐步迁移至初级和中级汽车应用,包括辅助驾驶、抬头显示等,未来车厂差异化的地方很多来自于人机交互和使用体验,汽车从以前我们认为是纯机械的产品,慢慢会转化成机械+IT的产品,因此处理器在此是非常有潜力的。这就导致除了总所周知的瑞萨、飞思卡尔,TI,甚至Spansion都加入到汽车处理器的争夺战中。
 
(1)瑞萨:R-Car持续创新
 
    瑞萨是老牌的汽车微控制器领头羊,近些年受到了很大的挑战,不过瑞萨还是在车用微控制器上保持创新。推出新款集成式汽车驾驶舱解决方案R-Car E2车载系统芯片(SoC),可为入门级汽车集成驾驶舱系统提供卓越的信息娱乐和音响功能,并可支持汽车-智能手机的交互操作。具有强大的处理性能、良好的可扩展性和简单易用的开发环境。此外,最新推出的面向ADAS(先进驾驶辅助系统)、拥有高分辨率图像识别功能的R-Car V2H也备受瞩目。该产品采用最先进的图像识别技术,支持先进驾驶辅助系统(ADAS)中的高分辨率的环视功能。这是瑞萨推出的首款R-Car系列的ADAS器件,其包含的附加功能可提高性能、降低功耗、并增强传统汽车和新兴无人驾驶汽车的安全性。
 
(2)英飞凌:RESCAR项目

   英飞凌主导的RESCAR 2.0研究获得圆满成功,大幅提高汽车电子部件的可靠性与鲁棒性。RESCAR项目五大合作伙伴涵盖汽车价值链的所有环节,其研究成果可助力汽车行业找到应对以下困境的解决方案:更短的创新周期必须与汽车不断提高的复杂性、汽车电子系统及其内部芯片的可靠性等更高要求协调一致。为期三年的RESCAR项目主要关注对电子部件具有相当高要求的电动汽车。
 
(3)飞思卡尔:传统优势
   据悉,全球前十名的OEM汽车原厂都使用了飞思卡尔i.MX应用处理器。i.MX已经好几年前就到第六代了,这两年一直属于“吃老本”,不过其他产品系列还是有一些创新。飞思卡尔Kinetis EA系列MCU是Kinetis汽车系列中的第一款产品,它专为中国市场开发。此外还有专为汽车仪表板打造的三核MAC57D5xx,号称业内最高性能的MCU,实现了新一代优质图像,这款三核MAC57D5xx可在每个器件的3个内核上采用独立操作系统进行并行操作,从而增加安全性。
 
(4)TI:“双剑合璧”
    TI ADAS处理器TDAx以及Jacinto处理器Jacinto 6是TI的两把“宝剑”。TI这两个系列的目标十分明确,让普通车也能有顶级车的ADAS和信息娱乐体验,特别是中国国产车。值得一提的是,TI把多年来在通信基站领域的经验引入汽车领域,把多核DSP的成功架构(Keystone)移植到Jacinto 6,为多媒体信息娱乐和音频功能重新定义了性能标准。其处理器组合包括ARM Cortex-A15、C66x DSP、双核ARM Cortex-M4、Imagination Technologies POWERVR SGX544-MPx GPU、IVA-HD 1080p视频协处理器、无线电协处理器和2D BitBLT (GC320)。
 
4.多媒体处理器
 
    传统应用方向不再单一,MCU也随之进化,强化运算及各种介面的延伸,打造出符合市场需求的产品,让MCU需求不断提高。 

    NVIDIA的GPU(图形处理器)无疑是业界的王者,也是多媒体处理器的领导厂商。由于各个产业对于图形显示的需求逐步增强,GPU等多媒体处理器也成了很多厂商想重点发展的领域。当然,还需要一个“出头者”,这次ARM充当了这个角色,虽然不是半导体厂商,但是其地位无疑是举足轻重的。
 
     图像、视频是物联网诸多应用的“灵魂”。据统计,90%的设备内容收入来自游戏,而游戏越来越复杂;53%的移动数据是视频;73%的移动设备分辨率都是高清甚至更高。随着显示复杂程度、分辨率的提高,对高能源效率、高性能、低功耗、快速上市时间的不懈追求,新的多媒体IP势在必行。
 
    ARM Mali-V550视频加速器、Mali-DP550显示处理器以及Mali-T800图形处理器。新Mali多媒体IP套件就代表了ARM在分布式处理领域的扩展,确保以视觉为主的内容在最合适的处理器上运行。当然,ARM不可能独自完成,需要生态系统中的合作伙伴一起来实现。
 
九、工艺的角逐
 
  从0.25μm到10 nm并不是简单的工艺进步,而是蕴藏在深处的所有技术让其成功,包括逻辑、模拟、嵌入式闪存、RF、图像传感器、高压、MEMS和电源IC。对于喜欢领先工艺技术的人来说,2014年是等待那些已经发布但是还没有正式商用、生产出来的器件的时期,希望2015年不要再等了!
   代表:
   Intel:14 nm 三极工艺
   GlobalFoundries、三星:14 nm FinFET   
   TSMC:16 nm FinFET+工艺、10 nm FinFET

 
十、物联网生态系统&平台
 
    生态系统就是要发挥1+1大于2的力量,而平台则是给生态系统提供彼此交互的接口。未来5年,物联网是驱动嵌入式处理器发展的主要市场,因此,各个半导体公司也在谋划利用生态系统和平台打败对手或者合作共赢(他们也会加入类似苹果HomeKit、微软AllSeen、谷歌Thread的联盟)。
 
1.ARM mbed
 
    ARM mbed的目标十分明确,即解决物联网时代的资源匮乏,撬开“冰山一角”,释放出具有无穷潜力的物联网市场。ARM mbed物联网设备平台(IoT Device Platform)包括 mbed OS、mbed设备服务器和mbed 生态系统,这三部分成就了ARM mbed在生产率、安全、连接、管理和效率5方面上的优势。
 
    例如,恩智浦广受欢迎的LPCXpresso开发板的最新版本(版本2)就完全支持ARM mbed平台,在为LPC和mbed微处理器平台开发高级应用时,可为嵌入式工程师提供更多选择和灵活性。
 
2.TI云服务供应商生态系统
 
    TI建立了第三方物联网云服务供应商生态系统,将帮助采用 TI 技术的制造商更便捷地连接物联网。该生态系统的首批成员包括 2lemetry、ARM、Arrayent、Exosite、IBM、LogMeIn、Spark 以及 Thingsquare。每个成员都面向 TI 的一款或多款无线连接、微控制器 (MCU) 及处理器解决方案提供云服务支持,这些方案覆盖广泛的物联网应用领域,包括工业、家庭自动化、保健以及汽车等。
 

关键字:嵌入式处理器  MCU

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/2015/0203/article_18319.html
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北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

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