智能物联网(AIoT)时代下的单片机MCU？为什么爆红？

来源：日期：2021-11-17

当智能物联网(AIoT)遇上小型机器学习(tinyML)是否会成为台湾供应链下一个新商机！？

智能物联网「AI+IoT=AIoT」就理当然变成了的销行术语了。不过本来只要把各种传感测量器（Sensor）连接到的信号利用超低的单环境服务（Single Chip Microprocessor or Micro Control Unit, MCU）（以下简称MCU）加上通讯模组有了把苦数据送上云端进行保存的智能分析、预测。但随着云端通讯、保存并计算成本的增加，隐私数据和计算结果的增加，反应速度吃的不足，于是大家都惊呆了那个人耐劳又便宜的MCU上，需要在不上网的情况下，在本地（边缘）这个成熟的边缘智能（以下边缘智能）的电源，所以微型机器学习基础（tinyML.org）国际组识因运而生，为大家提供更多的解决方案。

下就让我们来进一步了解AIoT、MCU和tinyML的机会所在，要如何整合才能成为下一个明星产业。

何谓MCU？为什么爆红？

2020年受COVID-19疫情爆发，除台湾外，影响世界各大工厂都无法顺利生产及出货，波及及产业行业，半导体亦成为重灾区。伴随着代工厂、包装测试厂、设备供应商，到供应源的电子、家电、电脑周边产品无一链不发生。 2021年各股MCU相关个股个个涨势如虹。

这是一种什么是MCU呢？这是一种发展了四十多年的技术，智能智能单元（CPU）、输出单元（GPIO）、辅助控制单元（Timer、UART、I2C、SPI、ADC等）及记忆体(Flash, SRAM, EEPROM) 整合在一起的一颗一颗上，相当于把一颗种子放在电脑塞进一个本地，早期就是将MCU称为“微电脑”。如Blueoth, Zeebee, 4G, 5G）模拟食智能神经的神经运算加入加速单元如NPU）其中。，包括各式家电、行动（穿戴）、多媒体设备、电动玩具、物联网产品汽机车的控制及电源管理系统等，让我们更不能没有它。也是包山包海，它属于系统级本地包（SoC），单价高（>100美元），时脉速度高、计算能力强，但作业系统、应用程序及记忆体未包含在本地中，且鲜少直接用于一般边缘端AIoT产品中，故此就暂不讨论此类产品。

嵌入式系统SoC及MCU差异比较图（OmniXRI整理图，2021/8/14）

MCU的优点是体积小、价格便宜（视功能配置，约US$ 0.5~20）、功耗极低（mW级）可使用电池供电功能，从4bit到32bit最高，容易开发，有非常多完整的工具链（工具链）及生态体系（生态系统），连中小学生在玩的Micro:bit，Arduino开发板都属于MCU的范围。但缺点是系统架构种类及供应商，没有统一的开发工具。另外一个价格参数，通常工作时不高（MHz级别），程序和记忆体区域经常小（KByte级别，闪光能到MByte），不利大量操作，通常也没有作业系统，信息像Arm Mbed，RTOS可以运行在高楼的MCU上。所以开发出来的程序就象手机上的APP可以一样任意运行在不同硬件的手机上。

台湾MCU产业现况
MCU目前是非常成熟的产业，可以让任何人自己开发应用程序所有资源的通用型MCU和专用功能少数程序甚至不用写程序的专用型MCU（如LCD驱动，电源管理等）。本文微博重点讨论MCU如何加入Edge AI相关算法，故仅会通用型MCU相关资讯。 , Microchip, NEC, NXP, Renesas, Samsung, Silicon Labs, STMicroelectronics (STM), Texas Instruments (TI), Toshiba, Zilog等（依英文字母顺序排列）。大陆方面大约有五十家，包括中微、中颖、宏晶、雅特力、芯圣、汇春、灵动、晟矽、芯海、乐鑫、贝特莱、兆易、云间、健天、炬芯、国民、复旦、贝岭、巨泉、国芯、东软、沁恒、华芯、希格码、华大、万高、时代、航顺、赛元、峰岹、极海、赛腾、杰发、芯旺、比亚迪及琪浦维。

而MCU指令集依宽度可分为4/8/1/16/32位，依工作架构又可分为复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和专业指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC），如主要代表有Intel 8051系列，而后期常见代表有Arm Cortex-M、RISC-V等系列，而后期有指工作周期短省电优势，因此现在RISC已逐渐取CISC。而Cortex-M4则之后的指令集更加入浮点及智能（如SIMD）指令集而RISC-V则有P及V指令子集。

早在1980岁台湾家切入MCU的生产，第一半导体公司华电子生产知名的INTEL 8051系列单面板。（依股票代号排序，相关产品链接如文末参考文献）
上市公司：

凌阳Sunplus (2401)
伟伟我们趋势 (2436) [
义隆爱兰 (2458)
新唐NuvoTon (4919)
凌通通通(4952)
松翰 Sonix (5471)

笙泉 Megawin (3122)
金丽科RDC (3228)
升达 Sentelic (4945)
太欣新太(5302)
世纪迈森 (5314)
通泰TonTek (5487)
纮康海康(6457)
九齐奈奎斯特 (6494)

经纬推出系列之后，台湾通用型MCU厂商多早以Intel8051(8bit CI技术SC指令集)系列为主，随着演进及用途陆续发展出自己（或相容）的指令集。1985年Arm推出第一个RISC架构的CPU「Arm1」。Arm是一家不生产实体体体电路（Integrated Circuit, IC）的公司，它只把矽智财（Intellectual Property Core, IP）给其他公司整合成实体体体Arm于2004年推出第一颗32bit RISC指令集的MCU IP「Cortex-M3」，此后接连发展出Cortex-M（MCU）系列，包括M1、M0、M4、M0+、M7、M23、M33、 M35P、M5等，国内多个大厂亦陆续取得授权，MCU[19]。近年亦是厂家生产相关产品不愿意支付巨额的矽智财授权费用或需要更复杂的客制化应用，转向转向第五代CPU开源教学实践集RISC-V（V为罗马数字5）发展出自家的MCU，而其IP就由台湾知名RISC-V矽智财供应商「晶心科技(Andes Tech.)」所支持。完整的MCU供应商制造及产品系列、指令集对应的工作时脉、程序码区及记忆体区容量大小，。

台湾通用型MCU产品分类对照

注1：以上内容非各厂商产品系列，在此仅适用于所有类型的MCU相关产品，请参考文献[1~[18]。
注2：对应程序码区的容量大小需有产品系列栏位种类，其中MASK为订制型不可自行烧录，OTP表烧烧型，EEPROM表可重覆烧录型，未录入者为录可重覆烧录Flash型式。
注3：随机记忆区通常指的为随机记忆体（SRAM），使用动态记忆体（DRAM，DDR）。
注4：程序码区及随机记忆体容量表示方式，B = Byte, KB = 2^10 B = 1024, MB = 2^20 B = 1024KB。
注5：归在「其他家族」是表示自己开发或未对抗类可能为 MCU 指令集家族产品。

AIoT与MCU关连
物联网（物联网，IoT）主要希望万事万物联网，让用户能够通过路途随时可以得到物的状态，如开关、温物件及各式感测器，可以下命令（末端）有益的改变物件的工作内容，如电气设备停止启动、冷气照度调整等。所以物联网承载了几大项目，“感测元件”收集了重要物件及环境状态，而“作动元件则改变了物件的电气或状态”机构，而这些输出须由动作“(MCU)”来处理相关运算工作。另外让用户能够通过移动通讯装置（手机、电池等）远端工作，所以还需要贯穿不同级别的有线及无线「通讯元件」（如蓝牙、ZigBee、WiFi、以太网、LoRa、NBIoT、4G等）广播接力将资讯传送到云端，必要时还可以把这些资料留在云端。 MCU在物联网中搅拌演着非常重要的中介作用。

智慧物联网架构

过去经常有很多人误解，以为只要一直定时收集一个或多个感应器变化信息用户或操作记录，电脑突然自动提取数据特征或分析预测变化，大数据会自动生成智能，请帮忙预测和决策。但很遗憾地是后半段的工作通常都知道，所以根本没有人工智能物联网变成了物联网这件事。边界）费端串流接到云端就已尽大方的力气，让他们再搞懂人工智能的算法和应用程序就难上加难。若此时搭配一个专业的人工智能工程师直接从云端处理数据可爱的地是需要结合领域知识，可以进行专业的特征定义和引导说教式学式的资料集，可熟成这里特色的小公主。用非监督学习算法（如回归再现式等）或者采用模型需求预测模型来解决不了。才具实务。此时若我们把AIoT的智能限缩一些，不要包山包海，不要能较容易找到通用模型，那工人就容易找到某个问题的答案。

再说到云端AIoT，如果你的口袋够深，它几乎可以无限地保留空间和算力，不管再复杂的算法问题。不过当要采用只有几块美金的MCU来完成边缘AI应用时，常用算法要移植到只有数Kbyte到数MByte的程序码区。