無線通訊應用挹注新商機 微控制器擴大市場版圖

瞄準新興無線通訊應用如GPS、ZigBee、RFID及人機介面等，微控制器廠商正朝低成本與低功耗方向發展，並以8位元及32位元為主流。對於缺乏射頻技術的微控制器廠商來說，尤其是台灣業者，為搶占新興商機，與射頻廠商、第三方廠商的合作關係愈趨重要。 微控制器(MCU)基本上可分成標準式與嵌入式兩種，隨著通訊及消費性電子產品之功能不斷整合，這兩種微控制器的應用分界逐漸模糊。一般來說，標準式微控制器較便宜，可依I/O、LCD及AD等不同規格需求區分類型，而嵌入式微控制器主要是以語音、音樂、影像及個人電腦周邊等相關應用為主。 舉例來說，小型的液晶顯示器(LCD)在日常生活中隨處可見，從手機、可攜式媒體播放器(PMP)到車用娛樂、全球衛星定位系統(GPS)以及銷售終端系統等，LCD在一些需要高速通訊功能支援的工業與醫療設備中也日漸普及。因此晶片業者便持續推出符合創新、具成本效益且低功耗的LCD型微控制器解決方案，日前恩智浦(NXP)推出的最新款微控制器LPC2478和LPC2470即為一例。 因為微控制器的應用不勝枚舉，投入開發微控制器的晶片業者相當多，國際大廠通常是針對多種應用，供應產品類別相當齊全的微控制器，而台灣廠商可能針對部分應用市場開發特定的微控制器。 為了在市場上勝出，必須降低微控制器的成本與功耗，影響成本的主要因素包括製程、封裝及測試流程，而影響功耗的部分則為製程。目前微控制器主流規格為8位元與32位元，8位元微控制器價格約1美元，至於32位元微控制器則超過2美元。 隨著新興無線通訊應用市場興起，將可為微控制器擴大市場版圖，例如ZigBee、無線射頻辨識系統(RFID)、GPS、無線USB耳機、人機介面(HID)及無線電對講機(Family Radio Service, FRS)等。同時，微控制器的功耗問題顯得更加重要，愛特梅爾(Atmel)ARM微處理器市場經理Jacko Wilbrink(圖1)表示，由於大多數無線通訊設備都是可攜式，因此低功率管理非常重要，另外，無線通訊設備的用戶介面規格不斷變化，採用電容式感測器(Capacitive Sensor)為大勢所趨，而專用的類比介面則必須被整合在微控制器中。 ARM9微控制器滿足PND需求 目前最熱門的無線通訊應用當屬GPS，根據U.S. GPS Industry Council的報告顯示，GPS市場產值規模將從2004年的19.74億美元成長至2008年的84.7億美元，年複合成長率(CAGR)高達44%，在各種應用中，個人休閒、汽車導航與定位追蹤應用領域的成長幅度最大。 有別於瑟孚所供應的GPS單晶片已包含微控制器及射頻接收器，微控制器廠商通常是供應模組廠商微控制器，由模組廠商自行開發整合微控制器與GPS接收器的模組，意法半導體的客戶便多從事開發整合藍牙與GPS晶片的模組，以及個人追蹤器等產品。 至於正在崛起的可攜式導航裝置(PND)應用，因整合GPS晶片解決方案與多媒體功能，在微控制器的採用上必須使用ARM9核心處理器，意法半導體產品行銷經理楊正廉(圖2)表示，該公司預計在2007年8月將推出一款採用ARM9核心、0.13微米製程技術的微控制器。 微控制器廠商紛紛搶攻ZigBee市場 ZigBee則是另一個備受期待的無線通訊明日之星，一個典型的ZigBee裝置包含感應器、微控制器以及符合IEEE 802.15.4標準的射頻，大部分開發微控制器的晶片業者都投入ZigBee市場。ZigBee晶片解決方案內的微控制器包含媒體存取控制(MAC)層、網路層、安全性以及應用規範，而感應器應用須要為ZigBee協定堆疊(Protocol Stack)軟體配置約4KB的記憶體，以及用於建置應用的記憶體。Microchip便針對ZigBee應用開發奈瓦(nanoWatt)元件，提供多達6種低功率模式，以降低功率消耗。Microchip產品暨策略行銷經理Kobus Marneweck表示，奈瓦元件可以進入睡眠模式，消耗奈安培電流，而僅於偵測到特定事件才被喚醒，設計者也可以利用On-chip的即時時鐘，於特定的時間區隔喚醒並報告其狀態。所有奈瓦元件都是以快閃(Flash)記憶體技術為基礎，因此仍具備日後升級的彈性。 剛投入ZigBee市場時，晶片業者多是推出8位元的微控制器，但近來改朝32位元發展，其中，捷力(Jennic)甚至已率先開發出32位元系統單晶片(SoC)。而意法半導體所提供的則是整合16位元微控制器與射頻接收器的單晶片解決方案SN250，以及射頻接收器解決方案，這是少數採用16位元微控制器的方案，楊正廉表示，主攻8/32位元、放棄16位元的作法其實來自意法半導體兩年前的構想，但就ZigBee應用來說，8位元微控制器的效能不足，因此暫時採用16位元微控制器，未來該公司將朝32位元微控制器系統單晶片的方向發展。 由於針對一些簡單的ZigBee應用，8位元微控制器即能滿足，因此台灣微控制器晶片廠商也紛紛瞄準該市場，盛群半導體設計中心產品三處處長潘建洲(圖3)表示，對台灣微控制器廠商來說，要切入ZigBee微控制器市場並不難，但由於射頻人才不足，開發技術門檻極高，因此可透過與射頻廠商合作提供完整解決方案，創造雙贏，盛群半導體即是採取此種方式。不過目前浮上檯面的台灣ZigBee晶片廠商並不多，多是模組廠商與系統廠商。潘建洲表示，但模組解決方案種類少，無法大量出貨，若採用標準式ZigBee通訊協定，模組價格昂貴，更無法量產，也導致ZigBee市場遲遲未有起色。 但就開發ZigBee微控制器來說，主要技術門檻在於開發協定堆疊軟體，晶片廠商可自行投入人力開發或者與第三方廠商合作。意法半導體選擇與Ember合作，在SN250方案內整合EmberZNet協定堆疊，楊正廉表示，該軟體支援ZigBee最新的規格ZigBee-Pro，而Ember在ZigBee市場上不但耕耘已久，且大有斬獲，已有許多廠商與Ember合作。 非揮發性鐵電隨機存取記憶體(FRAM)及整合半導體產品供應商Ramtron近來在市場上動作頻頻，日前不僅來台宣示其經營亞太地區決心，提出半導體業務及其持續性成長的策略，並與德州儀器(TI)合作，採用德州儀器0.13微米FRAM製程生產Ramtron的400Mb FRAM記憶體。未來在布局台灣市場方面，將加強個人電腦與消費性電子應用。 在2005年8月購併Goal Semiconductor取得相關技術後，Ramtron於2006年4月正式推出微控制器解決方案系列Versa 8051，Versa 8051採用8051核心架構，包含VRS51L2070與VRS51L3074兩解決方案，後者更整合其自行開發的FRAM。該公司市場策劃與銷售資深副總裁Michael Hollabaugh(圖4)表示，其解決方案多應用於工業控制、自動化控制與嵌入式系統等，在通訊方面，該公司已成功獲得客戶青睞，應用於光纖通訊系統及網路中繼站(Repeater)，而中繼器皆能應用於藍牙與ZigBee系統中。 藉由專屬ZigBee先行切入市場 ZigBee市場似乎呈現雷聲大雨點小的現象，主要原因在於真正的殺手級應用尚未現身，因此多數廠商不敢輕舉妄動。因此，盛群半導體初期將先投入專屬的(Proprietary)ZigBee微控制器市場，專屬的ZigBee應用對於微控制器的要求不高，因此可根據不同應用，直接採用現成的微控制器，或只須對現成的微控制器進行小幅度修改即可使用，廠商在極短時間內便能出貨。潘建洲表示，該公司將鎖定8位元微控制器的ZigBee應用，包括工業自動化、溫度感測、壓力感測及水量偵測等，有別於國際廠商紛紛開發32位元ZigBee晶片解決方案。目前還有廠商將專屬的ZigBee應用至超市價格標籤，透過中央控制台隨時更改標示於LCD面板上的產品售價，此應用也能結合軟性電子紙(E-paper)。 RFID採用8位元微控制器 在某些應用上，ZigBee與RFID將有明顯競爭情形出現，例如門禁系統、智慧型鑰匙(Smart Key)等。被動式RFID系統包含標籤與讀取器，讀取器會內建微控制器與射頻，而標籤部分僅有天線、記憶體及射頻，因此存取容量、感應速度以及傳輸距離將是影響微控制器的重要關鍵。楊正廉表示，一般RFID應用多採用8位元微控制器，除非特殊的獨立式門禁系統才可能需要16或32位元的微控制器。 人機介面微控制器搭配專屬射頻 人機介面(HID)含多種應用，如無線耳機、無線鍵盤滑鼠及無線控制搖桿等。市面上所見到的USB耳機多屬於有線形式，無線USB耳機價格則居高不下。盛群半導體的無線USB耳機晶片方案整合自行開發的微控制器與Nordic專屬的2.4GHz射頻晶片。潘建洲表示，傳統無線USB耳機多用離散元件組成，雖具成本優勢，但其數位類比訊號轉換效能相當差，若採用數位訊號處理器，則不符合成本效益，且外圍元件多，因此微控制器成為兼具成本與效能優勢的最佳選擇，採用此種作法的解決方案漸漸浮出檯面。意法半導體即針對無線滑鼠應用，推出結合27MHz射頻與微控制器的方案。 無線USB耳機會搭配一個接收器(Dongle)，未來可將應用延伸至辦公室，潘建洲表示，例如鍵盤鍵盤滑鼠也正朝無線化發展，因此透過同一個接收器，可同時連結個人電腦、無線USB耳機以及鍵盤滑鼠等裝置，成為整套產品，預期該應用可望吸引消費者目光。 台灣廠商面臨效能挑戰 相較於同時擁有射頻產品線的晶片大廠，僅擁有微控制器的晶片業者在拓展應用時，常有機會與射頻廠商配合。特別在人機介面應用市場，國外廠商開發專屬2.4GHz射頻解決方案已久，且已應用至各種產品中，其中，尤以Nordic及Chipcon為代表廠商，而Chipcon被德州儀器所購併後，其專屬射頻解決方案仍能對外出貨，德州儀器的政策僅限制提供ZigBee晶片解決方案。相較之下，台灣射頻廠商所提供的解決方案雖較便宜，但效能不足。潘建洲表示，只要透過SPI介面，皆能結合微控制器與射頻，唯射頻價格與性能至為重要。另外，台灣微控制器廠商在與國際微控制器大廠競爭時，也應特別注意產品線完整性、低成本與高品質等重點。 資料來源: 新通訊元件雜誌75期5月號