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超低功耗MCU，八仙過海

索尼傳感器

超低功耗MCU，八仙過海

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隨著AI技術的演進 ， 智能終端正在變得越來越復雜 。 而MCU作為連接感知與執行、實現終端智能化的核心元件 ， 也正在“卷”地越來越細分 。
超低功耗MCU ， 就是其中一個細分市場 。 這種MCU功耗非常低 ， 通常在微安級別以下 ， 采用特殊的設計和技術 ， 以最大程度地減少功耗并延長電池壽命 。 此外 ， 超低功耗MCU還具有高度集成的特點 ， 可以在小型封裝中實現多種功能 ， 從而降低系統成本和復雜度 。
近年來 ， 超低功耗MCU市場發展迅速 。 其規模將從2024年的51.2億美元增長至2025年的56.6億美元 ， 復合年增長率達10.6% 。 這得益于各種應用對節能解決方案日益增長的需求 ， 尤其是在物聯網(IoT)、可穿戴設備和智能家居技術領域 。 此外 ， 邊緣計算的興起正在推動制造商采用超低功耗微控制器在本地處理數據 ， 從而降低延遲和帶寬要求 。
既然海在低處 ， 各大MCU廠商便聞風而動 ， 通過不同的技術路線與產品 ， 力圖成為在這新興市場第一家“上岸”的公司 。
01超低功耗 ， 如何實現？
首先 ， 超低功耗MCU如何實現 ， 是一個值得探究的問題 。
簡單來說 ， 要想降低MCU的功耗 ， 可以在以下五個部分下功夫：
1.工藝：MCU的芯片面積 ， 晶體管的數量 ， 片上集成和使用的模擬功能/外設數量 。
2.電源電壓：CMOS邏輯電路中消耗的電流與電源電壓的平方成正比 。
3.時鐘頻率：在不要求進行高速處理的應用中 ， 降低時鐘頻率可以降低功耗 。
4.外設：激活的外設數目越多 ， 或使用的MCU功能數目越多 ， 則功耗越大 。
5.工作模式：功耗會隨著應用所處的不同功耗模式而改變 。
為了從這些方面降低功耗 ， 各種先進技術紛紛登場 。
Ambi的專利亞閾值功耗優化技術 (SPOT) 允許其Apollo MCU在0.5V電壓下運行 ， 而其他尖端 MCU 則需要 1.8V 電壓 。 其SPOT技術的核心原理 ， 在于將芯片中的CMOS電路工作電壓降低至亞閾值電壓區域（比如0.3V） ， 在這個電壓下 ， CMOS處于沒有出現導電溝道的一種工作狀態 ， 即是Vgs≤VT 、表面勢ψs ≈ 費米勢ψb的狀態 。 這時還是有一股較小的電流通過器件微弱導通 ， 這個電流叫做亞閾電流 。 亞閾電流雖然較小 ， 但其驅動的邏輯門仍可進行邏輯運算 ， 只是速度變慢 。 同時它仍能很好地夠受到柵極電壓的控制 。 Ambiq就是利用這個區域的特性 ， 極大地降低功耗 。
臺積電的超低功耗技術（ULP）提供超低漏電器件(ULL)、超低SRAM和低工作電壓解決方案 。 ULP技術包括40nm ULP(40ULP)、22nm ULL(22ULL)和鰭式場效應晶體管(FinFET)技術 。 其中 ， ULP工藝聚焦動態功耗優化 ， 通過電壓調節和制程微縮（如22ULP相較28HPC面積減少10% ， 性能提升30%或功耗降低30%) ， 適用于對運算能效比敏感的場景 。 ULL工藝強調靜態漏電控制 ， 通過晶體管結構優化降低待機功耗 ， 延長電池續航時間 ， 適用于長期待機或間歇性工作的設備 。
恩智浦的自適應動態電壓控制系統(ADVC)搭載雙域架構 ， 在單個器件中合并了實時處理和超低功耗傳感功能 。 該處理架構由Arm Cortex-M33實時域和Arm Cortex-M0+ ULP始終在線感測域組成 。 實時域中的M33內核運行頻率高達96MHz ， 電流消耗特性為24μA/MHz 。 實時內核使用SIMD DSP指令和浮點單元實現了Armv8-M Baseline ISA ， 可快速、高效地按需處理ULP域獲取的數據 ， 以便通過有線/無線網絡傳輸或記錄到存儲機制 。 M0+內核旨在用于始終在線操作 ， 使用始終在線域中的低功耗模擬和數字外設的組合來收集傳感器數據 。 例如 ， ULP傳感子系統在執行100kbit/s I2C任務時 ， 在2MHz下運行時僅消耗14μA 。 提供7種低功耗模式 ， 在最深睡眠模式下可實現亞μA級功耗 。
荷蘭公司Innatera推出了全球首款商用的神經形態微控制器 ， 可將延遲降低至傳統處理器的百分之一 ， 并在人工智能應用中僅消耗其五百分之一的功耗 。 神經形態設備在多個方面模仿大腦的工作方式 。 例如 ， 傳統微芯片使用固定節奏的時鐘信號來協調電路動作 ， 而神經形態架構則常通過“脈沖”來工作 ， 即在一定時間內接收到足夠輸入信號后才會產生輸出 。 由于其低于毫瓦級的功耗 ， 該微控制器可實現持續的傳感器數據處理 ， 即便是在電力極度受限的設備中也能運行 。 例如 ， 它能以僅600微瓦的功耗實現基于雷達的存在檢測 ， 或以400微瓦實現音頻場景分類 。 相比之下 ， 使用傳統電子技術實現類似功能的系統通常需10到100毫瓦的功耗 。
02超低功耗MCU ， 卷瘋了
目前市面上的超低功耗MCU ， 功耗低只是最基本的標準 。 如何在低功耗的同時保持高性能、小體積 ， 甚至還要適配AI功能 ， 才是MCU大廠們卷的目標 。

2025年6月 ， 瑞薩電子推出RA2L2系列超低功耗MCU 。 新品基于Arm Cortex-M23內核 ， 支持UCB-C 2.4版新規范 ， 對電壓檢測靈敏度等進行了優化 。 配置自帶64KB~128KB閃存、16KB SRAM及4KB數據閃存 ， 豐富外設包括USB-C、CAN、I3C、SPI、低功耗UART、ADC等 ， 支持87.5μA/MHz的活動功耗與250nA軟待機電流 。 瑞薩為生態開發提供全套FSP軟件支持包 ， 便于IP遷移及設計替換 ， 提高了項目開發效率與系統集成度 。
意法半導體推出了超低功耗的STM32 U3系列 ， 采用主頻96MHz的Arm Cortex-M33內核 ， 能效評分為117 Coremark/mW ， 是上一代產品的兩倍 。 其核心是近閾值電壓技術 ， 將動態功耗降至10μA/MHz ， 靜態功耗為1.6μA ， 制造中采用AI輔助的自適應電壓調節進行優化 。 該系列配置最高1MB雙閃存和256KB SRAM 。 安全方面 ， 在STM32U5的基礎上新增密鑰庫 ， 并首次采用耦合鏈式橋 (CCB) 技術保護出廠預裝密鑰 。 產品線提供是否帶硬件加密加速器的選項 ， 并集成了I3C等新外設接口 ， 支持最高105°C的工業溫度等級 。
德州儀器推出的MSPM0 C1104 MCU ， 基于Arm Cortex-M0+內核 ， 采用65nm制程工藝和晶圓芯片級封裝 (WCSP) ， 尺寸僅為1.38mm2 ， 大小約相當于一粒黑胡椒粒 ， 較當前業內同類型產品減小38%的面積 。 搭載16KB內存、一個具有三個通道和六個通用輸入/輸出引腳的12位模數SAR數據轉換器 ， 并提供了UART、SPI和I2C的標準通信接口 。 其運行功耗僅為87μA/MHz ， 待機功耗低至5μA ， 并支持SRAM數據保留 。 此外 ， MCU還內置了蜂鳴器功能 ， 進一步簡化了外圍電路設計 ， 為設備制造商提供了更高的集成度和更低的開發成本 。
不止國外巨頭卷的飛起 ， 國內的MCU廠商也不甘示弱 。
2025年4月 ， 小華半導體發行HC32L021系列 ， 基于Arm Cortex-M0+內核 ， 主頻48MHz ， 配置64KB Flash與6KB SRAM ， 并搭載高精度RC48M內部時鐘 。 支持豐富的接口資源（低功耗UART、SPI、I2C、1Msps采樣ADC、全套定時器/RTC等） ， 可在1.85.5V寬電壓、-40℃-105℃寬溫下穩定運行 。 靜態功耗最低降至0.65μA ， 動態功耗優于同級 ， 對電池壽命及移動設備市場具有吸引力 。
兆易創新的GD32L235系列采用Arm Cortex-M23內核 ， 最高主頻為64MHz 。 其采用了超低功耗工藝制程 ， 從硬件層面降低功耗；支持包括深度睡眠（Deep-sleep）、部分睡眠（Sleep）和待機（Standby）等六種低功耗模式 。 在Deep-sleep模式下 ， 電流降至1.8uA ， 喚醒時間低于2uS；Standby模式電流更是低至0.26uA 。 即使在最高主頻全速工作模式下 ， 其功耗也僅為66uA/MHz ， 實現了效能和功耗間的卓越平衡 。
03功耗低 ， 熱度不低
The Business Research Compeny預測 ， 超低功耗微控制器市場在未來幾年將繼續保持強勁增長勢頭 。預計到2029年 ， 超低功耗微控制器市場規模將增長至83.7億美元 ， 復合年增長率為10.3% 。
超低功耗MCU的應用范圍非常廣泛 ， 包括汽車電子、智能家居、醫療設備、可穿戴設備等 。
在汽車行業中 ， 超低功耗MCU可以應用于包括車內電機、電容式觸摸屏、信息娛樂系統、轉向系統和前大燈等 ， 因為它能夠提高燃油效率并延長電池壽命 。 此外 ， 這種靈活的器件旨在降低標準電池的漏電功率域 ， 并具有高安全性、低噪音、低延遲以及多種通信功能 ， 從而提升產品質量標準 。 隨著支持智能便攜式電池供電設備使用的研發投入不斷增加 ， 超低功耗微控制器的市場份額將在未來幾年大幅增長 。
超低功耗MCU是智能家居實現節能的關鍵技術 。 它在傳感器節點、智能照明和智能安防三大領域發揮著重要作用 。 在傳感器節點中 ， 超低功耗MCU確保設備長時間運行 ， 有效收集環境數據 。 智能照明系統利用其低功耗特性 ， 在控制燈光的同時顯著降低能耗 ， 并支持定時、場景聯動等智能化功能 。 在智能安防方面 ， 超低功耗MCU應用于門磁、煙霧探測器等設備 ， 提供持久的家庭安全保障 。
醫療電子終端設備對MCU的要求極高 ， 其中低功耗是重要因素 。 超低功耗的MCU芯片適用于便攜式醫療設備 ， “便攜式”通常意味著設備由電池供電 。 通常情況下 ， 新增加的功能會產生更多的功耗 ， 但是開發人員在設計便攜式醫療設備時不能要求終端用戶使用又大又重的電池 ， 也不能要求他們頻繁更換電池 。 超低功耗的MCU芯片能確保設備長時間運行 ， 不斷提供穩定的健康監測服務 。
總的來看 ， 隨著智能終端的日益復雜化這一趨勢 ， 超低功耗MCU市場正在加速技術迭代與場景落地 。 國內外的廠商們不僅卷功耗 ， 還在卷性能、體積和價格 。 在這個過程中 ， 研發實力、商業嗅覺以及大環境催動等等因素 ， 缺一不可 。
然而 ， 風一旦吹起 ， 就不會停止 。 新的市場已經在生長 ， 可以期待的是 ， 更低的功耗 ， 將帶我們渡過更遠的海 。
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