新工業、新「智」造

意法半導體(STMicroelectronics;ST)市場行銷、傳播及戰略發展總裁Marco Cassis日前在該公司舉辦的首屆工業峰會上表示:「ST將專注增長最快的工業應用市場」,相對於工業化水準較高的歐美國家而言,亞洲國家在工業化升級方面有著更大的提升空間。以中國為例,隨著人口紅利逐漸消失,勞動密集型企業對工業自動化有了迫切的需求。

20190808NT61P1 2019~2022年全球MCU市場規模及出貨量預測。(資料來源:IC Insights)

目前,亞洲地區的工業市場規模達到了44億美元,雖然規模龐大,但卻呈現高度碎片化趨勢。為了更加深耕亞洲市場,ST目前為止已經在亞洲範圍內建立了5個技術能力中心,包括馬達控制與工業技術能力中心、物聯網中心、智慧型手機中心、電力與電源中心、新能源汽車中心。上述5個中心在中國均有相應機構,尤其是新能源汽車中心,該項目目前正在中國進行,項目一期將於2019年完成,2020年實現全部竣工。

汽車、工業、個人電子設備、通訊設備,電腦與周邊是ST當前主要關注的四大終端市場。其中,工業市場約佔ST總銷售額的30%。Cassis援引IHS Markit的數據稱,2018~2021年的3年內,工業市場總體複合年增長率將會達到6%,ST所服務的市場的複合增長率將會超過7%。

如果繼續細分,四大終端市場中的智慧汽車、電源和能源、物聯網正成為ST的三大關鍵戰略應用,並由此帶動ST形成廣泛的、強有力的產品組合系列。例如針對智慧汽車的專用汽車IC、離散元件/功率電晶體;針對電源和能源戰略的類比元件/工業晶片/功率轉換IC、通用MCU/通用MPU/安全MCU/EEPROM,以及針對物聯網的MEMS/專用影像感測器和基於ST專有技術的ASIC晶片。

Cassis將更多自主控制系統需要的智慧和感知、更高能效,以及安全可靠的利用物聯網技術,列為推動半導體產業發展的三大工業應用趨勢。以智慧工廠為例,當前,自動化水準正在向分散式控制發展,人們需要更安全的工作環境、新的人機互動模式和具備更高能效比的機器設備/數位電源。同時,機器設備還需要被連接至雲端,其狀態資料要能夠被捕獲並進行預測性維護。

儘管ST能夠為工業應用提供包括MCU、功率元件、類比元件、MEMS感測器、BCD,RF/FD-SOI/eNVM CMOS、封裝技術在內的完整方案。但他也提醒業界,在智慧工業發展過程中,考慮到工業產業對即時性的嚴格需求,找到巨量資料的分析和解決之道將更為重要。也就是說,只有充分的利用人工智慧和邊緣運算對巨量資料進行分析、理解和處理,才能夠預測出最好的機器控制方法,不斷降低資訊傳達的延遲性,從而將傳統工業真正轉化成為智慧工業。

在這一過程中,5G扮演的角色不可忽視。由於自身具備高性能、高傳輸速率、低延遲的傳輸特性,借助5G技術的物聯網才能透過海量感測器、機器人和資訊系統產生的高頻優質資料不斷訓練人工智慧的模型,協助工業企業分析和決策,從而使企業管理者更高效地管理工廠,實現價值鏈上商品的即時追蹤,對產品進行從零售貨架到消費者的全程追蹤。

「跨界」嵌入式處理器概念興

AI-IoT(AIoT)時代,MCU的開發者們在軟體、硬體和生態系統上遇到了很多新的變化與挑戰,比如雲端服務供應商開始進入嵌入式開發領域,系統安全的重要性遠遠超過元件安全本身等等。恩智浦(NXP)資深副總裁兼MCU事業部總經理Geoff Lees在接受《國際電子商情(ESMC)》專訪時,以下圖為例,闡述了嵌入式處理的未來:縱向——人工智慧、機器學習、自動駕駛等應用對晶片性能的要求越來越高,直接推動了運算的發展;橫向——精密類比、感測器介面、非揮發性儲存、高壓整合和RF等多樣化技術,又推動了物聯網發展。這對於專注MCU和微處理器的恩智浦來說,學會如何在兩者間找到適當的平衡非常關鍵。

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為此,恩智浦在2017年提出了「跨界」嵌入式處理器的概念。這種新型應用處理器的最大特點是採用了MCU核心,但基於應用處理器的架構方式,因此既能實現應用處理器的高性能和豐富功能,同時又兼具傳統MCU的易用性和即時低功耗運行特性,從而突破了應用處理器和MCU之間的界限。

i.MX RT1050是恩智浦跨界處理器系列的首款產品。進入2018年後,恩智浦接連宣佈推出該系列的最新產品:RT1060、更具性價比的RT1020,以及採用新封裝製程的RT1050,而基於40奈米製程,售價1美元以下的i.MX RT1010則是2019年的新產品,主打超級性價比優勢,由中芯國際北京Fab 2工廠代工生產。恩智浦MCU事業部全球產品總監曾勁濤認為,i.MX RT1010並非傳統意義上的MCU,因為「通常情況下,不到1美元的價格只能獲得100MHz或以下的性能;而要想得到500MHz的性能,MCU產品價格通常會在5美元之上」,能在這個價位上提供如此高性能的產品,RT1010是第一款。

Lees說另一個值得關注的市場新趨勢是隨著產品功能的日益豐富,對儲存單元的要求正水漲船高。例如對RAM而言,由於要執行Wi-Fi、藍牙、圖形處理等多重功能,RAM容量也不斷看漲,以前幾KB甚至Byte級別的RAM配置水準現在完全沒有市場。同時,由於串列快閃記憶體價格不斷下跌,很多MCU廠商選擇將快閃記憶體放在片外,給片上RAM留出擴容空間,以便其更快更安全的運作,這是目前MCU的設計趨勢。但此舉又對安全加密提出了新要求,因為一旦選擇將快閃記憶體置於片外,就必須同時提供一套邊讀取、邊線上加解密的系統,以防資料被竊取。

Lees並提到現在半導體產業追逐的熱點——MRAM技術。MRAM具有高速讀寫能力,同時也能永久地保存資料,所以既屬於RAM,又能兼顧非揮發性,但MRAM不是用來替代快閃記憶體的,而是用來處理運算過程中產生的資料。2017~2018年間,恩智浦聯合其他幾家合作夥伴一起開發了MRAM測試晶片,i.MX RT團隊正在研究將其內置於下一代產品中,預計將於今年內推出樣片。

Arm/RISC-V都投入

如果說採用「MCU+應用處理器」理念的跨界處理器,在某種程度上體現了恩智浦在產品設計上採取的雙重屬性,那麼恩智浦身上具備的另一個雙重屬性——既是中國最大的Arm MCU供應商,同時也是RISC-V基金會的白金級會員和董事會成員,同樣值得關注。

「事實的確如此。我們有RISC-V晶片,但目前並不公開出售,只是用來做軟體測試。對於RISC-V架構和生態,我們只有一個準則,那就是和全球RISC-V社區在一起。」Lees從以下幾方面對該準則進行瞭解讀:

首先,RISC-V會以IP核心的形式存在於恩智浦的產品序列中。目前很多大型系統的子系統異常複雜,甚至超過了普通的MCU和處理器,對於那些以前老舊的核心產品來說,由於缺乏及時的軟體和開發工具支援,導致生命週期銳減。如果使用Arm架構的話,出售給客戶的系統內有的子系統可以收費,有的卻又是免費,從而帶來複雜的收費系統。相比之下,RISC-V就非常有優勢,內核非常靈活。

其次,RISC-V指令集架構非常穩定,同時它現在也擁有一個快速增長的生態系統,是一個非常理想的選擇。目前,恩智浦提供了兩個開放原始碼核心產品,一個是RI5CY,相當於Arm Cortex-M4;另一個是ZERO-RI5CY,相當於Arm Cortex-M0+,均整合在恩智浦VEGA平台中。據稱,工程師能夠很容易地將以前在Cortex-M4上運作的軟體移植到RISC-V上。

「我們為VEGA中文取名為『織女星』,意思是希望能夠激勵自身像織女一樣辛勤地耕耘RISC-V生態。」Lees說,恩智浦今年5月已經宣佈在中國推出第一個RISC-V應用和設計大賽,主要針對學生和年輕的工程師群體。同時,恩智浦還向RISC-V全球社區捐贈了2,000片開發板,用以支援開發者們開發屬於自己的創新應用。

但他也坦誠,受制於開發環境和生態系統的成熟度,RISC-V現在的商用規模還不大,要想在工業和汽車領域看到RISC-V量產可能還需要幾年,當前也沒有出現客戶堅決要求不用Arm,而只用RISC-V的現象,所以一切都還處於耕耘階段。但可喜之處在於,大學、研究機構和政府部門目前對RISC-V的興趣甚至超過了Arm,RISC-V社區裡也誕生了很多新的想法。未來某一天,基於RISC-V架構誕生的創新產品如果超過Arm,也不是一件令人感到意外的事情。

本文為姊妹刊國際電子商情原創文章,並同步刊登於《國際電子商情》2019年8月刊雜誌。