MCU供應商競逐低功耗技術競賽
2015-05-05 08:42:24 未知隨著最近一連串的低功率微控制器(MCU)新產品發布，勾勒出這一產業的最新發展趨勢——MCU供應商正追逐以電池供電的行動裝置等成長中的市場，特別是 與物聯網(IoT)有關的領域。利用嵌入式微處理器基準聯盟(EEMBC)去年發布的ULPBench功率基準，MCU供應商正投入一場較勁低功耗指標的 競賽，競相宣布具有不斷刷新測試結果的新產品，而宣稱在超低功耗處理技術的業界主導地位也不斷地交替著。
盡管這看來就像是一場行銷競賽，但在供應商為了降低功耗而提升自家技術時，開發人員終將成為最后的贏家。
過去，低功耗MCU往往意味著低性能，但隨著供應商不斷為低功耗應用提供越來越強大的MCU，開始對這種關聯性提出挑戰。然而，開發人員卻面臨著如何衡量 MCU產品的問題。例如面對裝置提供多種功率狀態時，包括mW/MHz的作業電流與睡眠模式的漏電流等傳統規格，已經變得越來越難評估。同時，在工業領域 中，對于低功耗作業特性的描述和規則也經常不一致。
此外，許多應用需要能快速回應事件的長休眠期MCU。在這一類應用中，包括喚醒時間和回到睡眠狀態前執行響應所需的時間等參數，將嚴重影響到MCU實際應用的總功耗。在評估低功耗元件所宣稱的準確度時，這些因素將產生重要影響。
ULPBench標準首先在2014年3月的EEMBC聯盟發布，目標在于為開發人員提供能‘可靠與合理測量MCU能效’的方法。去年十月，ULPBench以及公開發布的標準硬體測量平臺EnergyMonitor，共同成為MCU供應商如今不斷宣傳的新測試標準。
EEMBC主席Marcus Levy表示，“ULPBench是最嚴格的標準之一。這項標準可在1秒鐘內對MCU執行2萬次時脈周期作業，并在接下來的幾秒內進入休眠。透過這種方法讓每個處理器執行的工作量一樣，從而使執行標準的環境相同。
最終的分數是每10個標準周期中，用1,000除以中間值，得出平均功耗，因此，數值越大就代表功耗越低。
利用EEMBC聯盟的ULPBench工具，測量MCU核心處理器在一連串‘睡眠-處理-睡眠周期’期間所使用的功耗。
業界MCU供應商最近利用這項基準發布了一系列的測試結果，宣稱超越其他公司并占據暫時的領先地位。一開始是意法半導體(ST)在2月中發布其STM32L4 MCU系列。這款基于ARM Cortex-M4處理器的產品在ULPBench基準測試中得到了123.5分。一周后，德州儀器(TI)發布其基于Cortex-M3的SimpleLink C26xx無線MCU系列得到143.6分。
TI不久后又發布基于Cortex M4F的MSP-432系列，它在ULPBench取得了167.4分，超越自家前不久保持的記錄。然而，TI才剛向媒體簡報這款產品時，愛特梅爾 (Atmel)旋即悄悄地發布了一款經ULPBench測試得到185.5分的產品——基于Cortex M0+的SAM-L21 MCU。
然而，當Ambiq Micro發布其Apollo MCU測試評分后，上述所有的產品均黯然失色。這款基于Cortex-M4F核心的元件采用次閾值邏輯技術，而且利用邏輯水平比傳統CMOS水平更小的電 壓浮動。Ambiq行銷副總裁Mike Salas表示，相較于傳統邏輯，電壓浮動減少不僅可實現更快的開關轉換，而且動態功耗比更低10倍。
低功耗比分超越競賽看來還將持續一段時間，Atmel MCU業務部產品行銷總監Andreas Eieland表示：“低功耗是每家廠商傾注許多研發資源的領域，而且還用比以往更快速的步伐向前進展。也許我們現在的功耗是最低的，但你永遠不知道競爭 對手努力的目標。所以，我們也在尋求下一步進展。”
Levy表示，雖然暫停不斷提高的低功耗標準競賽十分吸引人，但對于開發人員來說，他們卻可以從這些活動中得到實際的價值。透過像這樣的測試基準工具以及 一點市場競爭，才能讓廠商瞭解如何改善自家產品。在基準范圍內，他們將會思考如何得到更好的分數，以及學習如何最佳化編程，更快速地實現低功耗模式。
這樣的經驗同樣適用于硬體設計領域，專門提供一連串的節能技術以及可讓供應商傳授給客戶的軟體訣竅。“同樣的事情也發生在CoreMark，”Levy強調“供應商明白編譯器的選擇可改善性能，這些事自始至終都應該如此，而今卻得透過競爭來刺激工具的導入。”
ST產品行銷經理Stuart McLaren表示：“我們學到的其中一件事是為我們的低功耗產品提供大量的彈性度。ULP基準只是低功耗的應用之一。其他的應用各不相同，而我們需要大量的可用模式供開發人員選擇適合應用的元件。”
“我們還將為周邊設備提供更智慧的多種選擇，”ST應用工程師Alec Bath說：“例如我們的I2C介面可執行位址匹配功能，當裝置接收到訊息時才啟動CPU。否則，它將忽略流量而讓CPU進入休眠模式。我們還為ADC提供時脈源以及不需要CPU時脈的周邊設備，使其可在CPU執行速度減緩或休眠時執行作業。此外，還有DMA可讓周邊設備直接傳送資料至RAM，只在傳輸完成時才喚醒CPU。”
Eieland表示，低功耗最初的發展工作主要著重于改善CPU架構。“但是，僅僅最佳化CPU是不夠的。”Eieland補充說，“因此，我們開始檢查 每個周邊設備，并為其實現最佳化，觀察產品的每顆電晶體。我們開始開發可讓周邊設備獨立運轉所需的時脈特點與邏輯，利用最小的電路板完成所需的任務，甚至 建立多種電源域，以便能關閉未使用的電路，同時排除其漏電流。”
對于低功耗的追求，也為軟體開啟了更多機會。開發人員可以利用軟體連結各種事件，在無需CPU介入的情況下啟動另一個周邊設備。Eieland說：“此外，透過平行中斷分層，則可分別為CPU和周邊設備建立一個IRQ執行緒。”
Eieland補充說，低功耗作業可能不會影響開發人員如何編寫其主回圈，但是，他們應該尋求利用休眠模式和智慧周邊設備成為其優勢的機會。Salas則 表示“當今的程式設計人員對能耗不夠重視，但是，軟體對電源設計至關重要，所以我們將花費大量的時間來尋找合適的軟體。例如，我們拆解了一個藍牙堆疊來研 究功耗元件所在，并發現重新正確組合元件可以實現節能。”
無疑地，基準得分記錄將繼續被刷新。但所有人都認為，這些分數只是開發人員為其設計追求低功耗元件的起點。“ULP 基準并非100%公平，但也沒有哪一種標準可以達到這個理想。不過，它在低功耗方面的許多市場行銷，可讓開發人員用來比較以及選擇適用元件。”
EnergyMonitor能量監測器是EEMBC聯盟ULPBench工具的一部份，但也可獨立使用，為MCU提供精確的電源指標。
“利用ULP基準得出的單一數據，可作為進行評估的最佳始點。”ST的Stuart說：“但是你必須判斷自己的應用，以睡眠模式所使用的時間、高速和低速時脈下的速度來看，每一項低功耗應用都不一樣，你必須清楚自己的應用配置。”
Levy補充說，僅單純地著重于‘贏得最高分’將會迷失目標。“終究都得做出權衡選擇，因此，我們鼓勵業者不管產品等級如何，都盡可能地把得分公布出來，這將有助于開發人員決定哪一種結果更適用于其設計方案。”
除了參考基準得分以外，供應商也會幫助開發人員選擇。例如ST為開發人員提供STM32 Cube MX功率模擬器來估算ST MCU用于執行程式碼時的功耗。TI則提供其EnergyTrace+能量追蹤技術，用于評估其MCU功耗狀況。此外，EEMBC聯盟的 EnergyMonitor能量監控器則可像執行ULPBench基準一樣，讓開發人員用于掌握其程式碼的電量使用。
同時，Levy說，功率基準也將不斷的進展，“目前該基準集中在CPU和RTC領域，而我們進行的改善作業將圍繞在更多的周邊活動上，例如ADC和PWM領域。”
