MCU+: Ein vollständiger Durchbruch
In den letzten zwei Jahren kam es auf dem MCU-Markt zu erheblichen Engpässen, was zur Entstehung vieler neuer Anbieter führte. Da MCUs oft pin-kompatibel sind, sind ihre funktionalen Architekturen im Allgemeinen ähnlich, was die Hersteller dazu veranlasst, hauptsächlich über den Preis zu konkurrieren. Reiner Preiswettbewerb sichert jedoch nicht wirklich einen Marktvorteil, was die MCU-Hersteller dazu veranlasst, ihre Strategien zu überdenken.
“MCU+” ist heute die wichtigste Differenzierungsstrategie. Wie der Name schon sagt, geht es darum, die Fähigkeiten von MCUs um KI, Sensorik, Kommunikation, Verschlüsselung und andere Funktionen zu erweitern, um eine umfassendere Lösung zu schaffen und die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte zu erhöhen.
Einige Hersteller integrieren MCUs in einen System-on-a-Chip (SoC), während andere sie mit anderen Produkten koordinieren. Im Grunde kann alles nach dem “+”-Zeichen hinzugefügt werden, abhängig vom Verständnis des Herstellers.
Da der Wettbewerb auf dem MCU-Markt intensiver wird, wird MCU+ zunehmend zum Mainstream.
01. MCU+KI
Vor dem Aufkommen großer KI-Modelle existierte das Konzept der Edge-KI bereits in der Branche. Da KI-Funktionen immer leistungsfähiger werden, ist die Integration von KI in MCUs zur Realisierung von Edge-seitigen Ein-Chip-Lösungen zu einem neuen Trend geworden.
Die Integration von KI/ML-Fähigkeiten in energiesparende MCUs ohne signifikante Erhöhung des Stromverbrauchs stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Es sind mehrere Lösungen verfügbar, darunter solche, die sich auf Algorithmen und Hardware beziehen.
Modelle, die auf MCUs laufen, unterscheiden sich von denen auf GPUs und verwenden typischerweise TinyML. TinyML ist ein Teilbereich des maschinellen Lernens mit einem Stromverbrauch im Milliwattbereich. TinyML-Workloads sind sehr einfach und benötigen viel weniger Speicher und Rechenleistung als fortschrittliche KI wie Gesichtserkennung, wobei oft die Bildverarbeitungsqualität für einen geringeren Stromverbrauch geopfert wird. Im Allgemeinen können kleinere Algorithmen von der DSP- oder Gleitkommaeinheit (FPU) des MCU ohne große Optimierung der Effizienz bewältigt werden.
Um TinyML auszuführen, führte Arm speziell für diese Aufgabe entwickelte Prozessorkerne ein, wie den Arm Cortex-M55, der die Helium-Technologie von Arm nutzt, um arithmetische Operationen parallel durchzuführen und so GPU-ähnliche Operationen in kleinerem Maßstab zu ermöglichen. Daher ist der Cortex-M55 besser für die Verarbeitung von KI-Workloads geeignet als typische Kerne, erhöht aber dennoch den Stromverbrauch.
Wenn MCUs größere KI-Algorithmen ausführen müssen, fügen viele Hersteller NPUs zur Hardware hinzu, um die KI/ML-Leistung zu verbessern. Beispielsweise verbessert der Arm Ethos-U microNPU die Leistung von Cortex-M-Kernen erheblich und dient als KI/ML-Beschleuniger für eingebettete IoT-Geräte, sodass KI/ML-Berechnungen direkt auf dieser neuen microNPU-Architektur ausgeführt werden können, was weitaus effizienter ist als bei Cortex-M-MCUs.
KI-fähige MCU-Produkte haben in den letzten zwei Jahren einen explosionsartigen Anstieg erlebt.
NXP war ein früher Anwender von NPUs in MCUs und brachte 2022 die Mikrocontroller-Serie MCX N auf den Markt. Diese Plattform kombiniert die Stärken der universellen MCUs LPC und Kinetis mit einer von NXP entwickelten Hardware-NPU zur Beschleunigung von Edge-KI-Berechnungen. Die NPU fungiert als KI-Berechnungs-Coprozessor für die CPU mit dedizierten Rechenkanälen.
ST hat ebenfalls auf NPUs gesetzt und 2022 den ersten universellen MCU mit einer hauseigenen NPU-Hardware-Verarbeitungseinheit, den STM32N6, mit einer Rechenleistung von 0,6 TOPS vorgestellt. Er integriert außerdem neue IP- und Video-Peripheriegeräte wie MIPI-CSI-Kameras, Bildsignalprozessoren (ISPs) für maschinelles Sehen, H.264-Video-Encoder und Gigabit-Ethernet-Controller mit Unterstützung für Time-Sensitive Networking (TSN)-Endpunkte.
Die neuesten Produkte von Infineon unterstützen den Arm Helium DSP-Befehlssatz und den Arm Ethos-U55 NPU. Die neu eingeführte PSoC-Edge-MCU-Serie umfasst die Modelle E81, E83 und E84 mit Helium und NPU sowie dem energiesparenden Hardware-Beschleuniger NNLite von Infineon zur Beschleunigung neuronaler Netze.
Renesas erzielt Leistung durch leistungsstarke Kerne. Die neue RA8-MCU-Serie verwendet den Arm Cortex-M85-Kern basierend auf der Arm v8.1M-Architektur mit einer 7-stufigen superskalaren Pipeline und bietet zusätzliche Beschleunigung für rechenintensive neuronale Netzwerke oder Signalverarbeitungsaufgaben. Der mit Helium (Arm M-Profile Vector Extension) ausgestattete Cortex-M85 ist der leistungsstärkste Cortex-M-Kern.
ADI konzentriert sich seit 2020 auf Edge-KI und integriert CNN-Beschleuniger direkt in MCUs. Beispielsweise verfügt der 2023 eingeführte energiesparende KI-MCU MAX78000 über ein integriertes Hardware-CNN, duale Mikrokerne, Speicher, SIMO und mehrere Kommunikationsschnittstellen, die KI-Inferenz bei sehr niedrigen Energieniveaus ermöglichen.
02. MCU+Analog
Die Integration analoger Signalkettenfähigkeiten in MCUs ist nicht neu, sondern begann früh im Bereich der Motorsteuerung, wobei MCUs bereits vor über zehn Jahren Treibermodule integrierten. Eine starke analoge Leistung ist ein Schlüsselfaktor bei der Bewertung von MCUs.
Hersteller integrieren nun mehr analoge Fähigkeiten in MCUs, wobei einige vollständig integrierte Lösungen entwickeln, die mehr Hardware und Algorithmen für eine Komplettlösung kombinieren.
TI hält seit langem an den Prinzipien “MCU+analog” und “MCU+Sensor” fest und brachte vor über einem Jahrzehnt Produkte wie den PGA900 mit einem 24-Bit-ADC und Cortex-M0-Kern auf den Markt. Kürzlich umfasst der M0+-MCU MSPM0 die charakteristischen analogen Peripheriegeräte von TI, wie einen 12-Bit-ADC und zwei Null-Drift-, Null-Crossover-Verzerrungs-Operationsverstärker.
ST, mit über 20 Jahren Erfahrung in der industriellen Motorsteuerung, bietet die STM32C0-Serie als Ersatz für 8-Bit-/16-Bit-MCUs und die Einstiegs-Serie STM32G0 mit integrierten 12-Bit-ADCs, DACs und Komparatoren. Die STM32G4-Serie integriert mehrere 12-Bit-ADCs, DACs, schnelle Komparatoren und programmierbare Operationsverstärker und ist für fortschrittliche Motorsteuerungen ausgelegt. Die leistungsstarke STM32H5-Serie bietet skalierbare Sicherheitsfunktionen für alle Anwendungsanforderungen, während die High-End-Serie STM32H7 die höchste Benchmark-Punktzahl für Cortex-M-basierte Mikrocontroller mit einem CoreMark-Wert von 3224 erzielte.
Der Motorsteuerungs-MCU der nächsten Generation von NXP, der S32K396, bildet zusammen mit fortschrittlichen Kernkomponenten (z. B. SBC, Treiber) eine Motorsteuerungslösung der nächsten Generation.
Renesas stellte im November 2023 den MCU RX23E-B vor, der für hochwertige industrielle Sensorsysteme entwickelt wurde. Dieser neue MCU integriert einen 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit einer Wandlungsgeschwindigkeit von 125 kSPS, 8-mal schneller als bestehende RX23E-A-Produkte, und integriert AFE und MCU in einem einzigen Chip, wodurch Systemgröße und Anzahl der Komponenten reduziert werden.
Chinesische Hersteller haben ihre eigenen Interpretationen von MCU+analog.
Chipsea Technology, mit über 20 Jahren Erfahrung auf der Doppelplattform “analoge Signalübertragungskette + MCU”, konzentriert sich auf Kernbereiche wie ADAS, Fahrwerk und Cockpit. Beispielsweise ist der CS32F036Q ein Automotive-MCU für Karosseriesteuerungsanwendungen, der nach AEC-Q100 zertifiziert ist und eine Komplettlösung einschließlich MCU, ADC und analogem Frontend (AFE) bietet.
YuanNeng Core konzentriert sich auf integrierte Designs von MCU+Treiber+MOSFET für intelligente Stromversorgungssysteme. Sein vollständig integriertes Flaggschiffprodukt MYi0002V0405 kombiniert MCU, Treiber und MOSFET, reduziert die Platinenfläche um mindestens 50% und löst Probleme wie Volumen, Platzierung und Wärmeableitung. Es wird häufig in Lüftern, kleinen Wasserpumpen und Kfz-Thermomanagementsystemen eingesetzt. Das Unternehmen betont, dass der MCU in seiner MetaOne-Plattform für intelligente Stromversorgungssysteme für Kunden im Wesentlichen kostenlos ist, wobei eine umfassende Lösung bereitgestellt wird.
03. MCU+Sensorik
Wenn MCUs das Gehirn elektronischer Produkte sind, sind Sensoren die Sinne. Die Integration beider wird von den Herstellern zunehmend betont.
Die hier diskutierten Sensoren sind nicht die üblicherweise in MCUs integrierten Temperatursensoren (zur Überwachung der Chip-Temperatur und des Zustands des MCU selbst), sondern Sensoren, die für spezifische Anwendungen integriert werden.
Seit etwa 2014 ist die Kombination von “MCU+Sensor” zum Mainstream geworden. Die meisten Lösungen der Hersteller trennen jedoch MCUs und Sensoren, da “MCU+Sensor” in den Bereichen SoC und SiP noch nicht Mainstream ist. Derzeit bietet die Trennung von MCU und Sensor mehr Flexibilität.
Der MCU+-Ansatz von SICMicro besteht darin, kapazitive Sensoren für spezifische Anwendungen wie Touch, Fahrzeugbeleuchtung, Motoren und kabelloses Laden in MCUs zu integrieren. Die CVM012x-Serie integriert 19 Kanäle zur Eigenkapazitätserkennung und ist mit 12-Bit-ADCs für eine verbesserte Kapazitätserkennungsgenauigkeit ausgestattet. Diese Automotive-MCUs unterstützen die Active-Shielding-Technologie für bessere Touch-Wasserfestigkeit und übertreffen damit das übliche Produktbereichsniveau bei weitem.
Die größte Herausforderung bei der Integration von MCUs und Sensoren liegt im Prozess, insbesondere bei beliebten MEMS-Sensoren. Aufgrund der Unterschiede in den MEMS- und MCU-Prozessen und des relativ späten Starts der MEMS-Technologie im Inland erhöht die Integration in SoCs die Komplexität. Für einfacher zu integrierende Bereiche wie Beschleunigungssensoren und Gyroskope haben jedoch mehrere Unternehmen bereits eine SoC-Integration erreicht, was ein Ausgangspunkt für inländische Unternehmen sein könnte.
04. MCU+Kabellos
MCU+Kabellos ist das derzeit heißeste Feld mit intensivem Wettbewerb, der sich hauptsächlich um Bluetooth 5.4 und Matter dreht.
Die neueste MCX-W-Serie von NXP, basierend auf Arm Cortex-M33, umfasst eine Reihe von pin-kompatiblen Multi-Protokoll-Funk-MCUs, die Matter, Thread, BLE und Zigbee unterstützen. Die MCX-W72x-Serie fügt Bluetooth-Kanalvermessung hinzu und verfügt über den Positionierungsberechnungsmotor von NXP für genaue, sichere Positionierung.
Im November 2023 brachte Infineon die Dual-Lösung AIROC CYW5551x Wi-Fi 6/6E und Bluetooth 5.4 auf den Markt und erweiterte damit seine AIROC-Produktlinie. Diese multifunktionale Serie bietet 1×1 Wi-Fi 6/6E-Konnektivität und erweiterte energiesparende Bluetooth-Konnektivität, optimiert für industrielle, tragbare Geräte und andere kleine IoT-Anwendungen. Smart-Home, (Dieser Punkt war im Original leer und wurde daher als leerer Punkt beibehalten).
Im März 2024 stellte ST die Mikrocontroller-Serie STM32WBA5 vor, die die Protokolle Bluetooth 5.4 LE, Zigbee, Thread und Matter für gleichzeitige Verbindungen mit verschiedenen IoT-Geräten integriert.
Espressif Technology hat einen hohen Marktanteil bei drahtlosen Kommunikations-MCU-Chips, insbesondere bei Wi-Fi-MCUs. Die Open-Source-Softwarearchitektur und stabilen AIoT-Lösungen von Espressif bieten weltweit Hunderten Millionen von Benutzern führende drahtlose Konnektivität, Sprachinteraktion und Gesichtserkennungsdienste. Im April 2024 brachte Espressif den ESP32-H4 mit Integration des neuesten Bluetooth 5.4 auf den Markt.
05. MCUs werden allmählich zu SoCs
Die heutigen MCUs ähneln mit zunehmender Funktionalität eher SoCs, während sie ihre energiesparenden Eigenschaften beibehalten. Daher ist es immer noch angemessen, sie MCUs zu nennen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hersteller, um sich im wettbewerbsintensiven MCU-Markt hervorzuheben, differenzierte Funktionen und umfassendere integrierte Lösungen anbieten müssen, um die Time-to-Market ihrer Produkte zu beschleunigen und eine bessere Resonanz mit MCUs zu erzielen.
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