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超低功耗MCU，八仙过海

索尼传感器

超低功耗MCU，八仙过海

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随着AI技术的演进 ， 智能终端正在变得越来越复杂 。 而MCU作为连接感知与执行、实现终端智能化的核心元件 ， 也正在“卷”地越来越细分 。
超低功耗MCU ， 就是其中一个细分市场 。 这种MCU功耗非常低 ， 通常在微安级别以下 ， 采用特殊的设计和技术 ， 以最大程度地减少功耗并延长电池寿命 。 此外 ， 超低功耗MCU还具有高度集成的特点 ， 可以在小型封装中实现多种功能 ， 从而降低系统成本和复杂度 。
近年来 ， 超低功耗MCU市场发展迅速 。 其规模将从2024年的51.2亿美元增长至2025年的56.6亿美元 ， 复合年增长率达10.6% 。 这得益于各种应用对节能解决方案日益增长的需求 ， 尤其是在物联网(IoT)、可穿戴设备和智能家居技术领域 。 此外 ， 边缘计算的兴起正在推动制造商采用超低功耗微控制器在本地处理数据 ， 从而降低延迟和带宽要求 。
既然海在低处 ， 各大MCU厂商便闻风而动 ， 通过不同的技术路线与产品 ， 力图成为在这新兴市场第一家“上岸”的公司 。
01超低功耗 ， 如何实现？
首先 ， 超低功耗MCU如何实现 ， 是一个值得探究的问题 。
简单来说 ， 要想降低MCU的功耗 ， 可以在以下五个部分下功夫：
1.工艺：MCU的芯片面积 ， 晶体管的数量 ， 片上集成和使用的模拟功能/外设数量 。
2.电源电压：CMOS逻辑电路中消耗的电流与电源电压的平方成正比 。
3.时钟频率：在不要求进行高速处理的应用中 ， 降低时钟频率可以降低功耗 。
4.外设：激活的外设数目越多 ， 或使用的MCU功能数目越多 ， 则功耗越大 。
5.工作模式：功耗会随着应用所处的不同功耗模式而改变 。
为了从这些方面降低功耗 ， 各种先进技术纷纷登场 。
Ambi的专利亚阈值功耗优化技术 (SPOT) 允许其Apollo MCU在0.5V电压下运行 ， 而其他尖端 MCU 则需要 1.8V 电压 。 其SPOT技术的核心原理 ， 在于将芯片中的CMOS电路工作电压降低至亚阈值电压区域（比如0.3V） ， 在这个电压下 ， CMOS处于没有出现导电沟道的一种工作状态 ， 即是Vgs≤VT 、表面势ψs ≈ 费米势ψb的状态 。 这时还是有一股较小的电流通过器件微弱导通 ， 这个电流叫做亚阈电流 。 亚阈电流虽然较小 ， 但其驱动的逻辑门仍可进行逻辑运算 ， 只是速度变慢 。 同时它仍能很好地够受到栅极电压的控制 。 Ambiq就是利用这个区域的特性 ， 极大地降低功耗 。
台积电的超低功耗技术（ULP）提供超低漏电器件(ULL)、超低SRAM和低工作电压解决方案 。 ULP技术包括40nm ULP(40ULP)、22nm ULL(22ULL)和鳍式场效应晶体管(FinFET)技术 。 其中 ， ULP工艺聚焦动态功耗优化 ， 通过电压调节和制程微缩（如22ULP相较28HPC面积减少10% ， 性能提升30%或功耗降低30%) ， 适用于对运算能效比敏感的场景 。 ULL工艺强调静态漏电控制 ， 通过晶体管结构优化降低待机功耗 ， 延长电池续航时间 ， 适用于长期待机或间歇性工作的设备 。
恩智浦的自适应动态电压控制系统(ADVC)搭载双域架构 ， 在单个器件中合并了实时处理和超低功耗传感功能 。 该处理架构由Arm Cortex-M33实时域和Arm Cortex-M0+ ULP始终在线感测域组成 。 实时域中的M33内核运行频率高达96MHz ， 电流消耗特性为24μA/MHz 。 实时内核使用SIMD DSP指令和浮点单元实现了Armv8-M Baseline ISA ， 可快速、高效地按需处理ULP域获取的数据 ， 以便通过有线/无线网络传输或记录到存储机制 。 M0+内核旨在用于始终在线操作 ， 使用始终在线域中的低功耗模拟和数字外设的组合来收集传感器数据 。 例如 ， ULP传感子系统在执行100kbit/s I2C任务时 ， 在2MHz下运行时仅消耗14μA 。 提供7种低功耗模式 ， 在最深睡眠模式下可实现亚μA级功耗 。
荷兰公司Innatera推出了全球首款商用的神经形态微控制器 ， 可将延迟降低至传统处理器的百分之一 ， 并在人工智能应用中仅消耗其五百分之一的功耗 。 神经形态设备在多个方面模仿大脑的工作方式 。 例如 ， 传统微芯片使用固定节奏的时钟信号来协调电路动作 ， 而神经形态架构则常通过“脉冲”来工作 ， 即在一定时间内接收到足够输入信号后才会产生输出 。 由于其低于毫瓦级的功耗 ， 该微控制器可实现持续的传感器数据处理 ， 即便是在电力极度受限的设备中也能运行 。 例如 ， 它能以仅600微瓦的功耗实现基于雷达的存在检测 ， 或以400微瓦实现音频场景分类 。 相比之下 ， 使用传统电子技术实现类似功能的系统通常需10到100毫瓦的功耗 。
02超低功耗MCU ， 卷疯了
目前市面上的超低功耗MCU ， 功耗低只是最基本的标准 。 如何在低功耗的同时保持高性能、小体积 ， 甚至还要适配AI功能 ， 才是MCU大厂们卷的目标 。

2025年6月 ， 瑞萨电子推出RA2L2系列超低功耗MCU 。 新品基于Arm Cortex-M23内核 ， 支持UCB-C 2.4版新规范 ， 对电压检测灵敏度等进行了优化 。 配置自带64KB~128KB闪存、16KB SRAM及4KB数据闪存 ， 丰富外设包括USB-C、CAN、I3C、SPI、低功耗UART、ADC等 ， 支持87.5μA/MHz的活动功耗与250nA软待机电流 。 瑞萨为生态开发提供全套FSP软件支持包 ， 便于IP迁移及设计替换 ， 提高了项目开发效率与系统集成度 。
意法半导体推出了超低功耗的STM32 U3系列 ， 采用主频96MHz的Arm Cortex-M33内核 ， 能效评分为117 Coremark/mW ， 是上一代产品的两倍 。 其核心是近阈值电压技术 ， 将动态功耗降至10μA/MHz ， 静态功耗为1.6μA ， 制造中采用AI辅助的自适应电压调节进行优化 。 该系列配置最高1MB双闪存和256KB SRAM 。 安全方面 ， 在STM32U5的基础上新增密钥库 ， 并首次采用耦合链式桥 (CCB) 技术保护出厂预装密钥 。 产品线提供是否带硬件加密加速器的选项 ， 并集成了I3C等新外设接口 ， 支持最高105°C的工业温度等级 。
德州仪器推出的MSPM0 C1104 MCU ， 基于Arm Cortex-M0+内核 ， 采用65nm制程工艺和晶圆芯片级封装 (WCSP) ， 尺寸仅为1.38mm2 ， 大小约相当于一粒黑胡椒粒 ， 较当前业内同类型产品减小38%的面积 。 搭载16KB内存、一个具有三个通道和六个通用输入/输出引脚的12位模数SAR数据转换器 ， 并提供了UART、SPI和I2C的标准通信接口 。 其运行功耗仅为87μA/MHz ， 待机功耗低至5μA ， 并支持SRAM数据保留 。 此外 ， MCU还内置了蜂鸣器功能 ， 进一步简化了外围电路设计 ， 为设备制造商提供了更高的集成度和更低的开发成本 。
不止国外巨头卷的飞起 ， 国内的MCU厂商也不甘示弱 。
2025年4月 ， 小华半导体发行HC32L021系列 ， 基于Arm Cortex-M0+内核 ， 主频48MHz ， 配置64KB Flash与6KB SRAM ， 并搭载高精度RC48M内部时钟 。 支持丰富的接口资源（低功耗UART、SPI、I2C、1Msps采样ADC、全套定时器/RTC等） ， 可在1.85.5V宽电压、-40℃-105℃宽温下稳定运行 。 静态功耗最低降至0.65μA ， 动态功耗优于同级 ， 对电池寿命及移动设备市场具有吸引力 。
兆易创新的GD32L235系列采用Arm Cortex-M23内核 ， 最高主频为64MHz 。 其采用了超低功耗工艺制程 ， 从硬件层面降低功耗；支持包括深度睡眠（Deep-sleep）、部分睡眠（Sleep）和待机（Standby）等六种低功耗模式 。 在Deep-sleep模式下 ， 电流降至1.8uA ， 唤醒时间低于2uS；Standby模式电流更是低至0.26uA 。 即使在最高主频全速工作模式下 ， 其功耗也仅为66uA/MHz ， 实现了效能和功耗间的卓越平衡 。
03功耗低 ， 热度不低
The Business Research Compeny预测 ， 超低功耗微控制器市场在未来几年将继续保持强劲增长势头 。预计到2029年 ， 超低功耗微控制器市场规模将增长至83.7亿美元 ， 复合年增长率为10.3% 。
超低功耗MCU的应用范围非常广泛 ， 包括汽车电子、智能家居、医疗设备、可穿戴设备等 。
在汽车行业中 ， 超低功耗MCU可以应用于包括车内电机、电容式触摸屏、信息娱乐系统、转向系统和前大灯等 ， 因为它能够提高燃油效率并延长电池寿命 。 此外 ， 这种灵活的器件旨在降低标准电池的漏电功率域 ， 并具有高安全性、低噪音、低延迟以及多种通信功能 ， 从而提升产品质量标准 。 随着支持智能便携式电池供电设备使用的研发投入不断增加 ， 超低功耗微控制器的市场份额将在未来几年大幅增长 。
超低功耗MCU是智能家居实现节能的关键技术 。 它在传感器节点、智能照明和智能安防三大领域发挥着重要作用 。 在传感器节点中 ， 超低功耗MCU确保设备长时间运行 ， 有效收集环境数据 。 智能照明系统利用其低功耗特性 ， 在控制灯光的同时显著降低能耗 ， 并支持定时、场景联动等智能化功能 。 在智能安防方面 ， 超低功耗MCU应用于门磁、烟雾探测器等设备 ， 提供持久的家庭安全保障 。
医疗电子终端设备对MCU的要求极高 ， 其中低功耗是重要因素 。 超低功耗的MCU芯片适用于便携式医疗设备 ， “便携式”通常意味着设备由电池供电 。 通常情况下 ， 新增加的功能会产生更多的功耗 ， 但是开发人员在设计便携式医疗设备时不能要求终端用户使用又大又重的电池 ， 也不能要求他们频繁更换电池 。 超低功耗的MCU芯片能确保设备长时间运行 ， 不断提供稳定的健康监测服务 。
总的来看 ， 随着智能终端的日益复杂化这一趋势 ， 超低功耗MCU市场正在加速技术迭代与场景落地 。 国内外的厂商们不仅卷功耗 ， 还在卷性能、体积和价格 。 在这个过程中 ， 研发实力、商业嗅觉以及大环境催动等等因素 ， 缺一不可 。
然而 ， 风一旦吹起 ， 就不会停止 。 新的市场已经在生长 ， 可以期待的是 ， 更低的功耗 ， 将带我们渡过更远的海 。
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