站稳32位元MCU市场 64位元蓄势待发

    微控制器(MCU)的架构，从早期的4或8位元，演进到近期逐渐流行的16、32位元架构，并应用在各式各样的中高阶电子产品领域。然在行动装置追求更纤细的画质与更高执行效能之下，业界纷纷推出更先进的制程与处理器架构来因应，尤在苹果iPhone 5s率先搭载64位元处理器抢占世人目光之后，更加速行动处理器市场迈向下世代64位元的趋势，期与桌上型计算机处理器架构分庭抗礼，为下世代先进架构的处理器市场布局…

    8位元应用广泛  32位元已成主流

    MCU(微控制器)的产品种类繁多，从汇流排架构来区分，可以分成早期4或8位元，中期16位元，以及如今最广泛的32位元架构。在8位元架构部分，就有多达20几家MCU厂商，提供各种微架构(例如AVR、PIC、MCS-48/51、COP8、Z8/eZ8/eZ80、HC08/11/8、PSoC、TLCS-870、XC800)的处理器，以8位元运算、8/16位元的定址能力，7KHz至125MHz不等的运行时脉，来应付基本的运算与处理需求。

32位元MCU具备处理器核心、低功耗、系统、连接元件、存储器、使用者接口。图／Atmel

  
采64位元Power或ARM核心的QorIQ处理器，分成消费性／工业／网络等市场。图／Freescale

      一般都是应用在基本的电子玩具、各式家电、家庭自动化、灯控、工控、简易式消费电子产品(如行动电源、遥控器、单一游戏机)、胎压监测系统、简易WSN等领域。8位元的MCU，价格便宜，程序写作简单(支持汇编语言、C、Arduino等语言)。

     虽说MCU应该维持精简架构，然而在一些电子产品应用中，其资料的处理已经是以16位元(Word；字组)来运行，若透过传统8位元(Byte；位元组)分批处理方式，就必须耗费2至3次Cycle Time(时钟周期)，不仅会造成效能降低，连带降低系统功效。因此厂商纷纷推出16或32位元架构的MCU，处理Word型态资料只要1次Cycle Time即可解决，让系统设计人员在程序设计上能够更精简，资料处理上能够更快速，以发挥更佳的整体系统功效。

     在16位元的MCU部分，目前有将近10几家供应商，提供16位元微架构(例如C166、H8S、PIC24/dsPIC、MSP430、R8C、XC2000)，16位元运算、16/24位元定址能力。运行时脉从32KHz到125MHz不等，能够应用在资料处理量稍大的消费性电子产品。例如语音玩具、音乐玩具等。

    由于16位元MCU的处理效能／成本未必有明显优势，因此后续超过10多家MCU厂商转向直接推32位元的MCU，以完整的32位元微架构(例如AVR32、CRX、H8SX、PIC32、TLCS-900、TriCore)、32位元运算与定址能力，运行时脉从400KHz至500MHz都有，直逼AP(Application Processor；应用处理器)的水平，能够应用在需要复杂运算的工业或嵌入式领域，包含消费性电子、计算机外围(电竞鼠标／键盘、路由器)、车载电子、穿戴式装置、环境监控、WSN、各式感测装置等等。

    32位元MCU从多样化核心  朝单一平台聚合

    MCU里面所包含的指令集架构，可区分为CISC(如8051家族)和RISC(如MIPS/SuperH/ARM)指令集，其厂商亦有提供完善的程序开发工具，依照不同的MCU等级，来开发不同的应用。

    由于各家的MCU指令架构的不同，功耗表现也不一样，当开发者要替换不同指令集架构的MCU时，不仅要修改程式码，甚至得更换集成开发工具，造成研发成本与开发周期的增加，因此采用单一核心架构的MCU家族，逐渐成为系统开发者的趋势。

    目前当红的ARM Cortex-M家族微架构，有依照不同市场区隔区分成M0至M4的等级，其中，Cortex-M0可用来做初阶8/16位元应用，Cortex-M3可做中阶的16/32位元应用，而Cortex-M4则可拿来做高阶的32位元与DSC(数码信号控制)应用。由于采用单一架构MCU，在指令集向下兼容、且用法变化不大之下，便可在单一的软硬件开发环境下开发，以享有平台一致化与降低整体开发成本的好处。

     32位元实已足够  高阶64位元抢先布局

    当MCU跨入64位元领域，其运算效能与应用领域已经跟当今64位元CPU、AP相去不远，因此前几年虽然有厂商尝试推出64位元的MCU (例如Freescale和MIPS)来试水温，但由于应用太少，加上目前32位元的MCU足以满足各种市场需求，使得厂商退出64位元MCU的开发，转进特殊应用的MPU或SoC，来进攻行动装置以外的下世代高速应用市场，例如光纤网络、云端储存、Big Data(大数据)等领域。

    Freescale (飞思卡尔)的QorIQ家族平台，即是针对虚拟网络、宽频网络、移动通信、智能电网、自动化工厂、智能医院、航天、国防等高阶应用领域，所推出的64位元CPU，采用ARM或Power微架构设计。

    QorIQ共分成LS (采ARM Cortex A7/A15核心)、P (Power e500/e5500核心)、T (采Power e6500核心)系列，LS系列主打入门级网络处理器，内建单核至4核心的处理器，时脉高达1.4GHz，耗电量2~10瓦，效能达到10Gbps，适合拿来设计企业级Router(路由器)、Switch(交换机)、WLAN、储存设备、安全应用、打印与影像处理，以及工业级的单板计算机(SBC)、机器人、工厂自动化等应用。

    中阶产品则是在封包、I/O、混合式资料平面的处理效能有所提升，提供双至8核(Core)的单或双执行绪(Thread)的处理器，运行时脉达1.8GHz，耗电量7～25瓦，效能可达到20Gbps，适合设计成ISP(网络服务供应商)的Router或Switch、资料中心的CNA(聚合网络卡)／智能网络卡，以及工业用机械视觉与摄影机。

    至于高阶产品则在流量控制、处理等功能又更加强，搭配4至24核的单或双执行绪的处理器，运行时脉达2.4GHz，耗电量15～40瓦，效能可达到80Gbps，适合成为企业的保安应用产品、资料中心的应用交付控制器／服务器至储存设备的桥接芯片／64位元服务器、ISP业者的都会大型基地台。

    在MIPS部分，由于其早在1991年就发表第一颗64位元的MPU－R4000，搭配其MIPS64指令集架构，具备64位元定址空间与缓存器，可处理庞大的存储器资料量(当时只设计到40-bit，可以支持到1TB的记忆容量)，能应用于宽频网络、办公自动化、网络／电信基础设施、新世代行动装置、服务器等市场。

    使用MIPS64架构的厂商有Cavium(凯为)和Broadcom(博通)。Cavium的OCTEON MIPS64家族，包含4种等级的产品C3xxx(OCTEON)、C5xxx(OCTEON Plus)、CN6xxx(OCTEON II)、CN7xxx(OCTEON III)，采用单核至高达48核的架构，运行时脉从700MHz到2.5GHz。

    至于Broadcom的MIPS64架构处理器，则有BCM11xx(单核)、BCM12xx(双核)、BCM14xx(4核)等家族，以级XLP500系列(多核、多线绪架构)。以提供电信业者、服务供应商、资料中心、企业、家庭或中小企业的不同等级网络传输设备来使用。

ARM 64位元来势汹汹  各厂商纷纷加入

    然而上述的64位元的微处理器(MPU)碍于价格与功耗偏高，市场应用上并不普及。2011年ARM发表64位元架构指令集之后，挟其以在行动装置市场市占率与低功耗的绝佳优势，势如破竹地进军到高阶应用市场。此举也让原先采用Power 64、MIPS64架构的处理器供应商，也顺势推出ARM 64位元的网络处理器。

    例如前述的Freescale LS系列便是ARM 64架构。Cavium的ThunderX的ARM 64产品可提供高达48核、2.5GHz的顶级处理器，并依市场区格分成ThunderX_CP (运算)、ST (储存)、NT(网络)、SC(安全运算)等系列。

    而Broadcom也发表4核ARMv8-A架构的64位元网络处理器Vulcan家族，高达3GHz的运行时脉，可应用到高阶网络应用市场。另外Applied Micro的X-Gene家族，是一款Server-on-a-chip(芯片即服务器)产品，速度达2.4GHz，适合网页前端、记忆快取、大数据、云端储存等服务器应用市场。

    其余厂商部分，例如Apple(苹果)的Cyclone、Qualcomm(高通)、Samsung(三星)、NVIDIA(辉达)的Denver、AMD(超微)的K12等大厂，皆采用ARM 64位元架构，主攻行动装置处理器市场。软件方面，除了Apple的iOS7、微软Windows RT支持64位元环境之外，采Google Android L系列也将完整支持64位元环境，以发挥新世代行动装置的功能。