日期：2009-11-09 来源：

    东芝上市配备"Coretx-M3"的微控制器

    在过去几年间,日本微控制器的行业结构没有大的变化.但在最近,可能改变行业结构的"黑船"陆续驶来.其先锋就是ARM和英特尔.首先驶来的"黑船"是ARM.现在,第2集团厂商正在开发并销售配备"ARM7"、"ARM9"等手机ASSP用32位RISC(reducedinstructionsetcomputer)内核的微控制器.今后,随着配备ARM内核的微控制器的增加,第2集团将有望君临经营自主内核微控制器的第1集团之上(图3(b)).

    新一代ARM内核"Cortex-M3"因作为其起爆剂而备受关注(图4).与ARM7和ARM9相比,Cortex-M3面向微控制器着眼的嵌入市场进行了优化,提高了中断处理等性能.以ST的市场投放为起点,NXP(注3)和TI陆续推出了配备Coretx-M3的微控制器.2008年9月底,东芝在日本国内大型半导体厂商中率先上市了配备该内核的微控制器(注4).

    (注3)日本恩智浦半导体表示,NXP会率先在2008年内样品供应配备"Coretx-M3Revision2"的微控制器.按照NXP的要求,Revision2在功能和性能上较最初的Cortex-M3有所提高.

    (注4)东芝准备通过取得车载微控制器Cortex-M3授权等措施,集中采用ARM的16、32位微控制器内核.自主内核的更新除8位外已基本中止.16、32位自主内核产品的供应及支持仍将继续.

    图4:在微控制器市场上已经具有一定地位ARM的手机领域销售额比例降低到了整体的2/3.(a)为ARM数据.(b)为东芝、意法半导体及荷兰恩智浦半导体数据.

    使用自主内核的厂商认为:"微控制器内核不会像手机ASSP内核那样被ARM席卷"(瑞萨科技董事微控制器统括本部本部长武藏业务所所长赤尾泰).另一方面,推举ARM的厂商则主张:"越来越多的用户都希望ARM继ASSP之后,在微控制器领域也成为全球标准内核.以便在全球市场销售产品"(东芝半导体系统LSI营业推进第二部微控制器营业推进负责人部长猪野英治).

    在不远的将来,销售额规模不大的自主内核微控制器厂商将面临是否改换第三方内核的选择.这与"是否应该拥有自主制造工艺"的讨论非常相似.当收益能够负担开发费用时,自主工艺将占据优势.这除了单纯的降低成本外,还有积极性的因素.就像自主工艺是IDM(integrateddevicemanufacturer)制造部门的"灵魂"那样,自主内核也可以称为逻辑设计部门的"灵魂".

    关注英特尔2009年以后的动态

    "来袭"日本微控制器市场的第二艘"黑船"是同时能够自主开发工艺及内核的英特尔.该公司在2008年3月面向PC、服务器以外的市场推出了"Atom"x86架构(注5)微处理器(图5).英特尔虽然也意图利用Atom进军微控制器的势力范围--嵌入市场(注6),但从市场角度来看,Atom与PC微处理器的差别不大,未对现有微控制器构成威胁.

    图5:意图在个人电脑及服务器以外的领域扩大销售额帕特?基辛格在2008年8月底的"英特尔开发者论坛"上发表主题演讲时用最多的时间介绍了"Atom".(a)为本站拍摄.(b)为英特尔数据.

    (注5)指英特尔个人电脑微处理器的CISC架构.该公司表示,Atom的优势在于面向x86架构的应用软件开发环境等丰富的支持产品.

    (注6)Atom现有4个型号.其中,面向嵌入市场的2个型号的保修期为7年.而英特尔普通个人电脑微处理器的保修期为5年.

    其首要原因是功耗大.英特尔虽然宣称Atom是"功耗最低的x86微处理器",但微控制器厂商却一致认为:"与现有微控制器相比,其功耗高出了1位数以上".第2个原因是板卡面积大.英特尔把微控制器中集成于单芯片的外围接口安装在了Atom以外的"SystemControllerHub"(注7)芯片上.

    (注7)Atom虽然使用45nm尖端工艺制造,但SystemControllerHub使用130nm制造.

    英特尔预定在2009年后上市Atom与SystemControllerHub一体化的产品.一体型产品将首先面向MID(MobileInternetDevice)投放.在未来,如果能够推出面向嵌入的一体型产品,那么英特尔就有望称霸自主内核微控制器领域(图3(c)).

    瑞萨科技正在开发新型CISC微控制器

    为了迎击新进厂商,现有微控制器厂商正在强化产品能力.具体措施包括:"内核的选择与集中"、"外围电路的充实"、"低功耗化"以及"投放着眼于亚洲市场的低价产品".下面,笔者将就其详细内容逐一进行介绍.

    首先是"处理器内核的选择与集中".如今,业内第一巨头瑞萨正在开发的新型16/32位CISC(complexinstructionsetcomputer)内核备受关注.配备该内核的微控制器"RX"家族的首款产品(32位"RX600"系列)已于2009年第二季度投放市场(图6).

    图6:新型16/32位CISC微控制器正在开发瑞萨正在把微控制器集中到三个内核架构(a).RX微控制器与SuperH(SH)同样使用基于平台的方式开发(b).该公司数据.

    瑞萨的赤尾表示,RX与高端微控制器"SuperH(SH)"家族一样采用了基于平台的"EXREAL"开发方法(注8).其目的是提高硬件(电路)和软件的重复利用性,从而降低开发成本、缩短开发期.但一般来说,以平台为基础开发会加大优化单个芯片的面积和性能的难度.

    (注8)对于SoC结构LSI,通过硬件模块和软件模块接口的标准化,提高硬件和软件重复利用性的方法.除EXREAL外还有松下的"UniPhier"等.

    另外,RX通过集约日立制作所时代和三菱电机时代的微控制器,减少了内核的种类(架构).这样可以降低构筑应用软件开发环境的费用.

    在此之前,很多微控制器厂商都开展过减少内核种类的行动.例如,松下曾于1996年推出集RISC和CISC"优点于一身"的新架构,借助该架构开发出了8、16、32位内核(图7).基于"UniPhier"的ASSP内核也采用了该架构.

    图7:利用统一结构开发全部位数的内核松下从1996年开始使用统一架构开发全部的8、16、32位内核.16位新型内核的开发已经结束,今后将向32位产品集中.该公司数据.

    而且,使用第三方内核的第2集团也在削减内核的种类.以ST为例,该公司采取了在32位产品中集中采用Cortex-M3的方针(图8).减少了ARM7和ARM9产品的新开发项目.

    图8:大幅集中32位、8位内核的架构意法半导体示例.配备Cortex-M3的低价产品中备有购买100万个时单价为100日元的型号(32位新一代产品的下级).该公司数据。

    从内核到外围电路

    其次是"外围电路的充实".这一措施是为了应对用户在选择微控制器时不再关注同位内核间详细差异的趋势.因为在过去,开发应用时需要按照内核选择固定的编译器,而现如今,C语言的使用得到了广泛普及.

    实际上,微控制器厂商宣传外围电路的机会甚至超过了内核详情(图9).作为微控制器厂商,NEC电子正在分芯片、产品、系统三个层级宣传有利于用户的环境对策,其中,产品、系统层级是能够由外围电路提供的功能.现在,为了与竞争对手形成差异,微控制器厂商正在全力发展闪存、A-D转换器、LCD驱动等外围电路.

    图9:用户在选择微控制器时,内核的重要性下降,外围电路更受关注NEC电子向用户展示了三个与微控制器相关的环境对策,其中,产品和系统层级的主角是外围电路(a).现在,A-D转换器、闪存、LCD驱动可称为重要的外围电路(b).(a)为NEC电子数据.(b)为本站制作.

    其中,在闪存方面,微控制器厂商大多备有自主电路,其主要区别在于访问速度、改写次数限制和芯片面积.而且在最近,配备闪存以外的新型非挥发性内存的趋势逐渐显现.例如瑞萨开发的配备MRAM(magneticrandomaccessmemory)的微控制器,富士通微电子电子和TI开发的配备FeRAM(ferroelectricrandomaccessmemory)的微控制器.除此之外,松下也预定于2011年度上市配备"新一代非挥发性内存"的微控制器(图10).

    在模拟方面,各公司在传感器输入用A-D转换器上展开了激战.这场激战不同于精度、速度和配备数量的竞争.最近,在微控制器中集成A-D转换器上级使用的运算放大器,从而提高附加值的情况有所增加.例如,NEC电子在逆变器控制用32位微控制器"V850E/Ix3"、16位微控制器"78KOR/Ix3"上都配备了运算放大器.这些微控制器是该公司为上面提到的"产品层级环境对策"推出的芯片.

    此外,东芝在2008年4月上市了集成直接连接传感器需要的运算放大器、滤波器等各种模拟电路的8位微控制器系列(图11).为了方便用户立即使用,东芝准备了修正传感器误差需要的软件.首款产品可以应用于加速度传感器,面向其他传感器的产品也将陆续上市.

    图11:使传感器输出直接进入微控制器东芝2008年4月上市的微控制器"Mixed-Signal控制器"通过集成运算放大器,实现了与传感器的直接连接.该公司数据.

    微控制器同样借助多核实现节能

    再次是"低功耗化".该措施是为了应对环保热潮中快速上涨的功耗关注度.如今,各微控制器公司纷纷把为手机ASSP开发的节能电路技术应用于微控制器.利用多核同时实现高性能和节能的方式也在高端微控制器产品中得到了普遍采用.例如瑞萨的四核"SH-4A"和双核"SH-2A".NEC电子也在为32位"V850E"系列开发双核产品.

    此外,飞思卡尔于2008年6月发布了面向通信装置的高端微控制器"PowerQUICC"新一代家族"QorIQ".QorIQ采用了以多核为前提的新架构(图12).与PowerQUICC相比,功耗降低了50%,性能则提高到了4倍.

    低功耗化发展的尽头是能够利用电池长期驱动的"超低功率"微控制器.在该领域,兼具时钟厂商身份的精工爱普生优势明显.拥有待机电流不到1μA的32位微控制器.该公司此前主要借助电路技术实现节能,如今则转入了低功耗工艺的开发.其目标是使0.18μm工艺的待机电流达到0.6μm工艺的水平.

    此外,除使用ARM内核的产品外,TI也拥有自主的16位内核低功耗微控制器"MSP430"(图13).MSP430过去只有0.35μm产品,2008年又推出了0.18μm的"F5xx"家族.

    瞄准亚洲市场

    最后的措施是"投放着眼于亚洲市场的低价产品".例如,富士通微电子于2008年9月发布了8位微控制器"F2MC-8FX"的低价型号(图14).此次低价型号的投放是着眼于亚洲家电产品的战略手段.

    由于该市场的优势掌握在美国微芯科技(MicrochipTechnology)手中.因此,富士通微电子没有沿袭日本国内的完善支持,而是希望利用无需成本的互联网支持撼动微芯的根基.其基本形式是在主页上为用户提供相互交流的环境,利用FAQ(frequentlyaskedquestions)发布富士通微电子的支持信息.