无线MCU微控制单元成为发展趋势

前言：曾经“井水不犯河水”的无线技术开始万众一“芯”了。时至今日，无线技术在碎片化的IoT市场中“一家通吃”是不可能完成的任务，“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，这会是MCU的下一风口吗？

　　MCU微控制单元暗存变局

　　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微控制单元市场中，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微控制单元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微控制单元成趋势

　　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微控制单元已成蔚然之势。

　　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微控制单元的优势仍然显见。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微控制单元，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微控制单元大都集成了开放的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微控制单元的标准外设，此时MCU微控制单元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1.8A，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微控制单元的“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微控制单元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微控制单元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。