MCU+ : Une Percée Complète
Au cours des deux dernières années, le marché des MCU a connu d’importantes pénuries, entraînant l’émergence de nombreux nouveaux acteurs. Étant donné que les MCU sont souvent compatibles broche à broche, leurs architectures fonctionnelles sont généralement similaires, ce qui pousse les fabricants à principalement rivaliser sur les prix. Cependant, une pure concurrence par les prix ne permet pas réellement de sécuriser un avantage sur le marché, incitant ainsi les fabricants de MCU à repenser leurs stratégies.
“ MCU+ ” est désormais la principale stratégie de différenciation. Comme son nom l’indique, elle consiste à étendre les capacités des MCU pour inclure l’IA, la détection, la communication, le chiffrement et d’autres fonctions, créant ainsi une solution plus complète et renforçant la compétitivité des produits.
Certains fabricants intègrent les MCU dans un système sur puce (SoC), tandis que d’autres les coordonnent avec d’autres produits. Essentiellement, tout peut être ajouté après le signe “ + ”, en fonction de la compréhension du fabricant.
Alors que la concurrence sur le marché des MCU s’intensifie, le MCU+ devient de plus en plus la norme.
01. MCU+IA
Avant l’avènement des grands modèles d’IA, le concept d’IA en périphérie existait déjà dans l’industrie. À mesure que les fonctionnalités de l’IA deviennent plus puissantes, l’intégration de l’IA dans les MCU pour réaliser des solutions monopuce en périphérie est devenue une nouvelle tendance.
Cependant, ajouter des capacités d’IA/ML aux MCU à faible consommation sans augmenter significativement la consommation d’énergie constitue un défi majeur. Plusieurs solutions sont disponibles, notamment celles liées aux algorithmes et au matériel.
Les modèles exécutés sur les MCU diffèrent de ceux sur les GPU, utilisant généralement TinyML. TinyML est un sous-ensemble de l’apprentissage automatique avec une consommation d’énergie de l’ordre du milliwatt. Les charges de travail TinyML sont très simples, nécessitant beaucoup moins de mémoire et de puissance de traitement que l’IA avancée comme la reconnaissance faciale, sacrifiant souvent la qualité du traitement d’image pour une consommation d’énergie plus faible. Généralement, les algorithmes à petite échelle peuvent être gérés par le DSP ou l’unité à virgule flottante (FPU) du MCU sans nécessiter beaucoup d’optimisation en termes d’efficacité.
Pour exécuter TinyML, Arm a introduit des cœurs de processeur spécialement conçus pour cette tâche, comme l’Arm Cortex-M55, qui utilise la technologie Helium d’Arm pour effectuer des opérations arithmétiques en parallèle, réalisant des opérations de type GPU à plus petite échelle. Ainsi, le Cortex-M55 est plus apte à gérer les charges de travail d’IA que les cœurs typiques, mais augmente tout de même la consommation d’énergie.
Lorsque les MCU doivent exécuter des algorithmes d’IA plus volumineux, de nombreux fabricants ajoutent des NPU au matériel pour améliorer les performances d’IA/ML. Par exemple, le microNPU Ethos-U d’Arm améliore considérablement les performances des cœurs Cortex-M, servant d’accélérateur d’IA/ML pour les appareils IoT embarqués, permettant aux calculs d’IA/ML de s’exécuter directement sur cette nouvelle architecture microNPU, bien plus efficacement que sur les MCU Cortex-M.
Les produits MCU dotés d’IA ont explosé au cours des deux dernières années.
NXP a été un des premiers à adopter les NPU dans les MCU, lançant la série de microcontrôleurs MCX N en 2022. Cette plateforme combine les atouts des MCU polyvalents LPC et Kinetis avec un NPU matériel développé par NXP pour accélérer les calculs d’IA en périphérie. Le NPU agit comme un coprocesseur de calcul d’IA pour le CPU avec des canaux de calcul dédiés.
ST a également ciblé les NPU, lançant en 2022 le premier MCU polyvalent avec une unité de traitement matériel NPU intégrée, le STM32N6, avec une puissance de calcul de 0,6 TOPS. Il intègre également de nouvelles IP et périphériques vidéo, tels que des caméras MIPI CSI, des processeurs de signal d’image (ISP) pour la vision industrielle, des encodeurs vidéo H.264 et des contrôleurs Gigabit Ethernet prenant en charge les points d’extrémité Time-Sensitive Networking (TSN).
Les derniers produits d’Infineon prennent en charge le jeu d’instructions Arm Helium DSP et le NPU Arm Ethos-U55. La nouvelle série de MCU PSoC Edge comprend les E81, E83 et E84, dotés de Helium et du NPU, ainsi que de l’accélérateur matériel ultra-basse consommation NNLite d’Infineon pour l’accélération des réseaux de neurones.
Renesas atteint des performances grâce à des cœurs puissants. Sa nouvelle série de MCU RA8 utilise le cœur Arm Cortex-M85 basé sur l’architecture Arm v8.1M avec un pipeline superscalaire à 7 étages, offrant une accélération supplémentaire pour les tâches de calcul intensif de réseaux de neurones ou de traitement du signal. Le Cortex-M85, équipé de Helium (Arm M-Profile Vector Extension), est le cœur Cortex-M le plus performant.
ADI se concentre sur l’IA en périphérie depuis 2020, intégrant directement des accélérateurs CNN dans les MCU. Par exemple, son MCU IA ultra-basse consommation MAX78000, lancé en 2023, dispose d’un CNN matériel intégré, de deux microcœurs, de mémoire, de SIMO et de multiples interfaces de communication, permettant une inférence IA à des niveaux d’énergie très faibles.
02. MCU+Analogique
L’intégration de capacités de chaîne de signaux analogiques dans les MCU n’est pas nouvelle, mais a commencé tôt dans le domaine du contrôle moteur, avec des MCU intégrant des modules de pilotage il y a plus de dix ans. De solides performances analogiques sont un facteur clé dans l’évaluation des MCU.
Les fabricants intègrent désormais davantage de capacités analogiques dans les MCU, certains développant des solutions entièrement intégrées, combinant plus de matériel et d’algorithmes pour une solution clé en main.
TI adhère depuis longtemps aux principes de “ MCU+analogique ” et “ MCU+capteur ”, introduisant des produits comme le PGA900 avec un ADC 24 bits et un cœur Cortex-M0 il y a plus de dix ans. Récemment, le MCU M0+ MSPM0 inclut des périphériques analogiques caractéristiques de TI, tels qu’un ADC 12 bits, deux amplificateurs opérationnels à dérive nulle et sans distorsion de passage par zéro.
ST, avec plus de 20 ans d’expérience dans le contrôle moteur industriel, propose la série STM32C0, remplaçant les MCU 8 bits/16 bits, et la série d’entrée de gamme STM32G0 avec des ADC 12 bits, DAC et comparateurs intégrés. La série STM32G4 intègre plusieurs ADC 12 bits, DAC, comparateurs haute vitesse et amplificateurs opérationnels programmables, conçue pour le contrôle moteur avancé. La série haute performance STM32H5 offre des fonctionnalités de sécurité évolutives pour tous les besoins applicatifs, tandis que la série haut de gamme STM32H7 a obtenu le meilleur score de référence pour les microcontrôleurs basés sur Cortex-M, avec un score CoreMark de 3224.
Le nouveau MCU de contrôle moteur de nouvelle génération de NXP, le S32K396, forme une solution de contrôleur moteur de nouvelle génération avec des composants centraux avancés (par exemple, SBC, Driver).
Renesas a introduit le MCU RX23E-B en novembre 2023, destiné aux systèmes de capteurs industriels haut de gamme. Ce nouveau MCU intègre un convertisseur A/N Delta-Sigma 24 bits avec une vitesse de conversion de 125 kSPS, 8 fois plus rapide que le produit RX23E-A existant, intégrant l’AFE et le MCU dans une seule puce, réduisant ainsi la taille du système et le nombre de composants.
Les fabricants chinois ont leur propre interprétation du MCU+analogique.
Chipsea Technology, s’appuyant sur plus de 20 ans d’expertise dans la plateforme double “ chaîne de signaux analogiques + MCU ”, se concentre sur des domaines clés comme l’ADAS, le châssis et l’habitacle. Par exemple, le CS32F036Q est un MCU de qualité automobile pour les applications de contrôle de carrosserie, certifié AEC-Q100, offrant une solution complète incluant MCU, ADC et circuit frontal analogique (AFE).
YuanNeng Core se concentre sur les conceptions intégrées de MCU+Driver+MOSFET, ciblant les systèmes d’alimentation intelligents. Son produit phare entièrement intégré, le MYi0002V0405, combine MCU, Driver et MOSFET, réduisant la surface de la carte d’au moins 50 %, résolvant des problèmes tels que le volume, le placement et la dissipation thermique. Il est largement utilisé dans les ventilateurs, les petites pompes à eau et les systèmes de gestion thermique automobile. L’entreprise souligne que le MCU de sa plateforme MetaOne pour les systèmes d’alimentation intelligents est essentiellement gratuit pour les clients, avec une solution complète fournie.
03. MCU+Détection
Si les MCU sont le cerveau des produits électroniques, les capteurs en sont les sens. L’intégration des deux est de plus en plus soulignée par les fabricants.
Les capteurs discutés ici ne sont pas les capteurs de température couramment intégrés dans les MCU (pour surveiller la température et la santé de la puce MCU elle-même), mais des capteurs intégrés pour des applications spécifiques.
Depuis environ 2014, la combinaison “ MCU+capteurs ” est devenue courante. Cependant, la plupart des solutions fournies par les fabricants séparent les MCU et les capteurs car “ MCU+capteurs ” n’est pas encore dominant dans les domaines du SoC et du SiP. Actuellement, la séparation des MCU et des capteurs offre plus de flexibilité.
L’approche MCU+ de SICMicro consiste à intégrer des capteurs capacitifs dans les MCU pour des applications spécifiques comme le tactile, l’éclairage automobile, les moteurs et la charge sans fil. La série CVM012x intègre 19 canaux de détection de capacité propre, équipée d’ADC 12 bits pour une précision accrue de la détection capacitive. Ces MCU de qualité automobile prennent en charge la technologie Active Shielding pour une meilleure étanchéité tactile, dépassant largement les niveaux de portée des produits conventionnels.
Le plus grand défi de l’intégration des MCU et des capteurs réside dans le processus, en particulier avec les capteurs MEMS populaires. En raison des différences entre les processus MEMS et MCU, et du démarrage relativement tardif de la technologie MEMS au niveau national, leur intégration dans des SoC ajoute de la complexité. Cependant, pour des domaines plus faciles à intégrer comme les accéléromètres et les gyroscopes, plusieurs entreprises ont déjà réalisé l’intégration SoC, ce qui pourrait devenir un point de départ pour les entreprises nationales.
04. MCU+Sans fil
Le MCU+sans fil est le domaine le plus chaud récemment, avec une concurrence intense principalement autour du Bluetooth 5.4 et de Matter.
La dernière série MCX W de NXP, basée sur Arm Cortex-M33, comprend une gamme de MCU sans fil multiprotocoles compatibles broche à broche prenant en charge Matter, Thread, BLE et Zigbee. La série MCX W72x ajoute la fonction Bluetooth channel sounding, dotée du moteur de calcul de positionnement de NXP pour un positionnement précis et sécurisé.
En novembre 2023, Infineon a lancé la solution double AIROC CYW5551x Wi-Fi 6/6E et Bluetooth 5.4, élargissant sa gamme de produits AIROC. Cette série multifonctionnelle offre une connectivité Wi-Fi 6/6E 1×1 et une connectivité Bluetooth ultra-basse consommation avancée, optimisée pour panneaux domestiques intelligents,, les applications industrielles, les appareils portables et autres petites applications IoT.
En mars 2024, ST a introduit la série de microcontrôleurs STM32WBA5, intégrant les protocoles Bluetooth 5.4 LE, Zigbee, Thread et Matter pour des connexions simultanées avec divers appareils IoT.
Espressif Technology détient une part de marché élevée dans les puces MCU de communication sans fil, en particulier dans les MCU Wi-Fi. L’architecture logicielle open source d’Espressif et ses solutions AIoT stables fournissent une connectivité sans fil, une interaction vocale et des services de reconnaissance faciale de pointe à des centaines de millions d’utilisateurs dans le monde. En avril 2024, Espressif a lancé l’ESP32-H4 avec l’intégration du dernier Bluetooth 5.4.
05. Les MCU deviennent progressivement des SoC
Les MCU d’aujourd’hui, avec des fonctionnalités croissantes, ressemblent davantage à des SoC tout en conservant leurs caractéristiques de faible consommation. Par conséquent, il est toujours approprié de les appeler MCU.
En conclusion, pour se démarquer sur le marché concurrentiel des MCU, les fabricants doivent offrir des fonctions différenciées et des solutions intégrées plus complètes, accélérant le délai de mise sur le marché des produits et résonnant mieux avec les MCU.
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