国内超低功耗MCU赛道迎“黄金时代”,中科芯蕊在行动

时间:2021-12-27 09:23 公众号:半导体行业观察 阅读:23 次

近几年,随着物联网兴起,各式各样的物联网设备涌向市场。根据中国产业信息网的数据及预测,2019 年全球物联网设备数量已达到 107 亿台,预计 2025 年物联网连接数将达到 251 亿台,保持 12%以上增长。


然而庞大市场背后,物联网设备电池续航时间却逐渐成为制约使用电池供电的物联网产品发展的问题,有限的电池容量很难满足消费者日渐增长的续航需求,如何在电池容量有限的情况下提高设备的续航能力?显然,低功耗成为厂商们无可避免的话题,而要想解决功耗问题,就必须先从芯片上入手。


面向未来庞大的物联网节点应用需求,超低功耗MCU开始受到越来越多的关注,中科芯蕊在内的众多国内MCU厂商紧抓机遇,酝酿一波新变局。


国际认定:低功耗MCU榜单第一


一直以来,低功耗是物联网发展过程中无法避开的技术话题,系统功耗是物联网部署的主要考虑因素之一,原因在于当前物联网终端节点大部分采用电池供电,而MCU作为控制整个物联网节点的核心器件,其能耗水平决定了物联网节点的整体功耗特性,毫无疑问,低功耗自然也成为MCU的重要指标。

随着物联网类应用逐渐走入工业和消费领域,对MCU的低功耗和集成度都提出了更高的要求。无论是消费电子还是可穿戴设备,只要是用电池供电的物联网终端对低功耗都有严格的要求,并且产品的续航能力还与消费者体验息息相关,电子系统的能耗越大,产品的续航能力越差,消费者的体验越糟糕,反之,能耗越小,消费者体验也会有所提升。

即便在非消费类领域,大规模部署的物联网节点也需要面临着高昂的维护成本,由于电池的供电能力无法维持整个产品生命周期,大部分产品需要人工更换电池进行维护,物联网节点的大量部署存在空间布局不规则的特性,这给维护带来了巨大的成本压力。

在数量巨大的物联网应用的倒逼下,超低功耗毋庸置疑成为了MCU的核心竞争力。国际MCU巨头意法半导体、瑞萨半导体等也皆在积极布局超低功耗领域。

而2019年成立的北京中科芯蕊科技有限公司(以下简称“中科芯蕊”)可以说是近两年国产超低功耗MCU领域一颗冉冉升起的新星,产品面向物联网、可穿戴电子、人工智能等领域,提供超低功耗芯片及解决方案,拥有多项超低功耗集成电路设计技术“黑科技”。

在成立两年的时间里,中科芯蕊先后推出了超低功耗MCU、实时时钟、低功耗语音信号处理器、信号调理等系列产品,产品功耗性能指标处于国际领先水平。

其中,XRM32UL051是北京中科芯蕊开发的32位基于ARM Cortex-M0+的超低功耗MCU芯片,最高工作频率可达48MHz,支持最高达64KB程序空间以及18KB SRAM存储空间。据介绍,该产品还支持丰富的外设资源,工作电压在2.0V-3.6V之间,工作温度范围为-40℃~+85℃,可以提供多种封装形式,满足不同应用的需求。


XRM32UL051评估板


除此之外,XRM32UL051采用独特的亚阈值技术和异步电路技术,支持运行(ACTIVE)、睡眠(SLEEP)、停止(STOP)、待机(STANDBY)等多种低功耗模式。在各种工作模式下,均具有优秀的功耗指标,具体来看,产品运行模式功耗为20uA/MHz,停止模式功耗0.7uA ,功耗仅为市场同类产品的1/4~1/5。极低的能耗在实现理想的电池续航能力的同时,更能被广泛应用于物联网、人工智能、可穿戴电子等领域。

众所周知,业内不同的微控制器、微处理器厂商的产品各不相同,因此很难对产品进行标准化的评估。为了能更好的评价低功耗MCU的功耗特性,嵌入式微处理器基准协会(EEMBC)与各大MCU厂商联手推出了ULPMark,通过同一套算法和相同的电流测试板,对各家产品进行标准化的评估。作为超低功耗MCU权威标准,ULPMark对中科芯蕊超低功耗技术给予了肯定。目前,中科芯蕊XRM32UL051已通过了ULPMark的评测,评测得分高达到451分,在同等内核中排名全球第一。


创新性技术路线:两项超低功耗技术的结合


国际上的认可离不开中科芯蕊强劲的技术实力和卓越的研发团队。

一般来说,亚阈值电路设计是超低功耗MCU设计的必由之路,因为它可以将芯片的工作电压降低到晶体管阈值附近,进而降低静态漏电和动态功耗。众所周知,MCU功耗一般分为静态漏电和动态功耗两部分,在静态漏电部分,为了减小漏电,可以做的是减小电源电压,以及使用低漏电的标准单元设计。在动态功耗部分,可以减小电源电压或者降低电路无效翻转来降低功耗。

而中科芯蕊在超低功耗集成电路设计技术路线上,有别于传统技术路线,不仅采用上述所提到的亚阈值芯片设计技术,还使用异步电路设计技术。异步电路技术,即采用事件触发的方式进行工作,能够彻底消除电路中的无效翻转。更重要的是,异步电路技术能够有效解决亚阈值技术面临的时序难题,更加有效的发挥亚阈值技术的功耗优化效果。

通过当前最为先进的两项超低功耗技术的结合,中科芯蕊独立开发了囊括底层IP库、设计流程、系统架构等多层级的STAS超低功耗设计平台,基于这一平台开发的产品实现“1+1>2”的优化效果。而这两种核心技术是中科芯蕊团队在国家重大项目的支持下,经历了十余年的技术积累,形成了具有自主知识产权的独特的超低功耗芯片设计方法。

据介绍,中科芯蕊是由中国科学院微电子研究所孵化的高科技企业,是国内研究超低功耗设计方法和技术最早的团队,相关的技术研发得到了国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技重大专项(01、02专项)、中国科学院知识创新工程重大项目、中国科学院战略性先导科技专项的支持,逐步形成了成熟完善的全新超低功耗电路设计技术体系。

此外,其研发团队曾为国内集成电路设计领域龙头企业设计了国内首款亚阈值处理器,各项技术指标实现了国内“零的突破”。

强大的硬实力不仅让中科芯蕊夺得MCU低功耗榜单的第一名,还获得了中国科学院科技服务网络计划(STS)双创引导项目支持以及中关村高新技术企业、北京市海淀区胚芽企业的称号和资质。今年,中科芯蕊XRM32UL051更是在第十六届“中国芯”优秀产品征集活动中荣获“芯火新锐产品”奖,这也说明了其超低功耗产品已经获得了国内产业的认可。


“中国芯”奖杯


“开疆扩土”:保持超低功耗技术的领导地位


从当前技术发展趋势来看,未来物联网生态系统、消费电子等对低功耗MCU的需求将不断增加,换句话说,超低功耗MCU市场将迎来快速增长。据MarketsandMarkets数据显示,超低功耗微控制器市场规模2019年为44亿美元,到2024年将增长到129亿美元,年复合增长率(CAGR)为24.1%。

面对终端市场对产品功耗不断加强的需求,以技术领先为突出特点的中科芯蕊,将继续通过技术突破实现卓越性能,打造技术壁垒。

针对部分物联网应用场景对边缘计算的需求越来越多,传统的MCU无法应付这类运算需求,中科芯蕊计划推出采用RISC-V内核+AI引擎的轻量级AIoT类处理器。同时,为了丰富产品线应对更多应用场景,中科芯蕊后续会推出更多内核的通用型超低功耗MCU。此外,中科芯蕊还将推出面向医疗、能源计量行业应用的定制型超低功耗MCU,进一步提高客户产品的市场竞争力。除了搭建技术领域的壁垒,中科芯蕊对知识产权保护也将提出更高的要求。由于采用了创新性的亚阈值芯片设计技术与异步电路设计技术的技术路线,目前,中科芯蕊在相关领域申请发明专利近30项。据介绍,在发展初期,中科芯蕊侧重对核心技术点进行专利布局,未来将采用以面代点的方式进行专利部署,力求在多个特色领域形成相互联系的专利组和专利池,预计在2024年拥有核心发明专利超过50项,构建全面保护创新技术的知识产权保护体系。

随着终端创新性产品的不断涌现,中科芯蕊作为超低功耗技术的领导者,将继续“开疆扩土”,持续加大研发和生产投入,不断拓宽产品线,丰富产品应用场景。


写在最后


当前中国MCU市场空间广阔,摩根士丹利的亚太大中华区半导体产业研究团队认为中国的MCU本土化企业生产需求增长率将大幅提升,从2017至2020年的年均5%,加速以20-25%的年均增长率至2025年。

在疫情、全球“缺芯”危机以及地缘政治摩擦之下,国产化或将成为刚需,而中国MCU市场也将迎来新的转折点,超低功耗MCU也不例外。

意法半导体部门副总裁、微控制器事业部总经理Ricardo de Sa Earp曾表示:“在过去的五年中,ST微控制器全球份额几乎翻了一倍,STM32超低功耗微控制器出货量迄今超过20亿。ST在超低功耗微控制器类别具有很强的优势,并占有约25%的市场份额。”由此可推测全球超低功耗微控制器市场在100亿以上。

由此可见,国内低功耗MCU赛道有望迎来“黄金时代”。广阔市场空间背后,是“可期”的技术发展,期待中科芯蕊在超低功耗领域闯出更大的一片天。

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