智能物聯網(AIoT)時代下的單片機MCU？為什么爆紅？

來源：日期：2021-11-17

當智能物聯網(AIoT)遇上小型機器學習(tinyML)是否會成為臺灣供應鏈下一個新商機！？

智能物聯網「AI+IoT=AIoT」就理當然變成了的銷行術語了。不過本來只要把各種傳感測量器（Sensor）連接到的信號利用超低的單環境服務（Single Chip Microprocessor or Micro Control Unit, MCU）（以下簡稱MCU）加上通訊模組有了把苦數據送上云端進行保存的智能分析、預測。但隨著云端通訊、保存并計算成本的增加，隱私數據和計算結果的增加，反應速度吃的不足，于是大家都驚呆了那個人耐勞又便宜的MCU上，需要在不上網的情況下，在本地（邊緣）這個成熟的邊緣智能（以下邊緣智能）的電源，所以微型機器學習基礎（tinyML.org）國際組識因運而生，為大家提供更多的解決方案。

下就讓我們來進一步了解AIoT、MCU和tinyML的機會所在，要如何整合才能成為下一個明星產業。

何謂MCU？為什么爆紅？

2020年受COVID-19疫情爆發，除臺灣外，影響世界各大工廠都無法順利生產及出貨，波及及產業行業，半導體亦成為重災區。伴隨著代工廠、包裝測試廠、設備供應商，到供應源的電子、家電、電腦周邊產品無一鏈不發生。 2021年各股MCU相關個股個個漲勢如虹。

這是一種什么是MCU呢？這是一種發展了四十多年的技術，智能智能單元（CPU）、輸出單元（GPIO）、輔助控制單元（Timer、UART、I2C、SPI、ADC等）及記憶體(Flash, SRAM, EEPROM) 整合在一起的一顆一顆上，相當于把一顆種子放在電腦塞進一個本地，早期就是將MCU稱為“微電腦”。如Blueoth, Zeebee, 4G, 5G）模擬食智能神經的神經運算加入加速單元如NPU）其中。，包括各式家電、行動（穿戴）、多媒體設備、電動玩具、物聯網產品汽機車的控制及電源管理系統等，讓我們更不能沒有它。也是包山包海，它屬于系統級本地包（SoC），單價高（>100美元），時脈速度高、計算能力強，但作業系統、應用程序及記憶體未包含在本地中，且鮮少直接用于一般邊緣端AIoT產品中，故此就暫不討論此類產品。

嵌入式系統SoC及MCU差異比較圖（OmniXRI整理圖，2021/8/14）

MCU的優點是體積小、價格便宜（視功能配置，約US$ 0.5~20）、功耗極低（mW級）可使用電池供電功能，從4bit到32bit最高，容易開發，有非常多完整的工具鏈（工具鏈）及生態體系（生態系統），連中小學生在玩的Micro:bit，Arduino開發板都屬于MCU的范圍。但缺點是系統架構種類及供應商，沒有統一的開發工具。另外一個價格參數，通常工作時不高（MHz級別），程序和記憶體區域經常小（KByte級別，閃光能到MByte），不利大量操作，通常也沒有作業系統，信息像Arm Mbed，RTOS可以運行在高樓的MCU上。所以開發出來的程序就象手機上的APP可以一樣任意運行在不同硬件的手機上。

臺灣MCU產業現況
MCU目前是非常成熟的產業，可以讓任何人自己開發應用程序所有資源的通用型MCU和專用功能少數程序甚至不用寫程序的專用型MCU（如LCD驅動，電源管理等）。本文微博重點討論MCU如何加入Edge AI相關算法，故僅會通用型MCU相關資訊。 , Microchip, NEC, NXP, Renesas, Samsung, Silicon Labs, STMicroelectronics (STM), Texas Instruments (TI), Toshiba, Zilog等（依英文字母順序排列）。大陸方面大約有五十家，包括中微、中穎、宏晶、雅特力、芯圣、匯春、靈動、晟矽、芯海、樂鑫、貝特萊、兆易、云間、健天、炬芯、國民、復旦、貝嶺、巨泉、國芯、東軟、沁恒、華芯、希格碼、華大、萬高、時代、航順、賽元、峰岹、極海、賽騰、杰發、芯旺、比亞迪及琪浦維。

而MCU指令集依寬度可分為4/8/1/16/32位，依工作架構又可分為復雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和專業指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC），如主要代表有Intel 8051系列，而后期常見代表有Arm Cortex-M、RISC-V等系列，而后期有指工作周期短省電優勢，因此現在RISC已逐漸取CISC。而Cortex-M4則之后的指令集更加入浮點及智能（如SIMD）指令集而RISC-V則有P及V指令子集。

早在1980歲臺灣家切入MCU的生產，第一半導體公司華電子生產知名的INTEL 8051系列單面板。（依股票代號排序，相關產品鏈接如文末參考文獻）
上市公司：

凌陽Sunplus (2401)
偉偉我們趨勢 (2436) [
義隆愛蘭 (2458)
新唐NuvoTon (4919)
凌通通通(4952)
松翰 Sonix (5471)

笙泉 Megawin (3122)
金麗科RDC (3228)
升達 Sentelic (4945)
太欣新太(5302)
世紀邁森 (5314)
通泰TonTek (5487)
纮康海康(6457)
九齊奈奎斯特 (6494)

經緯推出系列之后，臺灣通用型MCU廠商多早以Intel8051(8bit CI技術SC指令集)系列為主，隨著演進及用途陸續發展出自己（或相容）的指令集。1985年Arm推出第一個RISC架構的CPU「Arm1」。Arm是一家不生產實體體體電路（Integrated Circuit, IC）的公司，它只把矽智財（Intellectual Property Core, IP）給其他公司整合成實體體體Arm于2004年推出第一顆32bit RISC指令集的MCU IP「Cortex-M3」，此后接連發展出Cortex-M（MCU）系列，包括M1、M0、M4、M0+、M7、M23、M33、 M35P、M5等，國內多個大廠亦陸續取得授權，MCU[19]。近年亦是廠家生產相關產品不愿意支付巨額的矽智財授權費用或需要更復雜的客制化應用，轉向轉向第五代CPU開源教學實踐集RISC-V（V為羅馬數字5）發展出自家的MCU，而其IP就由臺灣知名RISC-V矽智財供應商「晶心科技(Andes Tech.)」所支持。完整的MCU供應商制造及產品系列、指令集對應的工作時脈、程序碼區及記憶體區容量大小，。

臺灣通用型MCU產品分類對照

注1：以上內容非各廠商產品系列，在此僅適用于所有類型的MCU相關產品，請參考文獻[1~[18]。
注2：對應程序碼區的容量大小需有產品系列欄位種類，其中MASK為訂制型不可自行燒錄，OTP表燒燒型，EEPROM表可重覆燒錄型，未錄入者為錄可重覆燒錄Flash型式。
注3：隨機記憶區通常指的為隨機記憶體（SRAM），使用動態記憶體（DRAM，DDR）。
注4：程序碼區及隨機記憶體容量表示方式，B = Byte, KB = 2^10 B = 1024, MB = 2^20 B = 1024KB。
注5：歸在「其他家族」是表示自己開發或未對抗類可能為 MCU 指令集家族產品。

AIoT與MCU關連
物聯網（物聯網，IoT）主要希望萬事萬物聯網，讓用戶能夠通過路途隨時可以得到物的狀態，如開關、溫物件及各式感測器，可以下命令（末端）有益的改變物件的工作內容，如電氣設備停止啟動、冷氣照度調整等。所以物聯網承載了幾大項目，“感測元件”收集了重要物件及環境狀態，而“作動元件則改變了物件的電氣或狀態”機構，而這些輸出須由動作“(MCU)”來處理相關運算工作。另外讓用戶能夠通過移動通訊裝置（手機、電池等）遠端工作，所以還需要貫穿不同級別的有線及無線「通訊元件」（如藍牙、ZigBee、WiFi、以太網、LoRa、NBIoT、4G等）廣播接力將資訊傳送到云端，必要時還可以把這些資料留在云端。 MCU在物聯網中攪拌演著非常重要的中介作用。

智慧物聯網架構

過去經常有很多人誤解，以為只要一直定時收集一個或多個感應器變化信息用戶或操作記錄，電腦突然自動提取數據特征或分析預測變化，大數據會自動生成智能，請幫忙預測和決策。但很遺憾地是后半段的工作通常都知道，所以根本沒有人工智能物聯網變成了物聯網這件事。邊界）費端串流接到云端就已盡大方的力氣，讓他們再搞懂人工智能的算法和應用程序就難上加難。若此時搭配一個專業的人工智能工程師直接從云端處理數據可愛的地是需要結合領域知識，可以進行專業的特征定義和引導說教式學式的資料集，可熟成這里特色的小公主。用非監督學習算法（如回歸再現式等）或者采用模型需求預測模型來解決不了。才具實務。此時若我們把AIoT的智能限縮一些，不要包山包海，不要能較容易找到通用模型，那工人就容易找到某個問題的答案。

再說到云端AIoT，如果你的口袋夠深，它幾乎可以無限地保留空間和算力，不管再復雜的算法問題。不過當要采用只有幾塊美金的MCU來完成邊緣AI應用時，常用算法要移植到只有數Kbyte到數MByte的程序碼區。