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從雲端連結到智慧邊緣 解密STM32的新時代策略佈局
 

【CTIMES/SmartAuto 王岫晨 報導】   2023年04月10日 星期一

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物聯網(IoT)應用市場在近年來已經開始深入大家生活中,意法半導體(ST)也隨著IoT需求的增加,慢慢地擴展到不同的應用和產品。無論是智慧家庭、智慧能源或者是Smart Everything,這些都是支撐IoT發展的驅動力,需要更多高效能的STM32來協助邊緣運算,提高效率。

STM32 Innovation媒體團訪主管合照
STM32 Innovation媒體團訪主管合照

在這些研發過程中,資料安全和駭客攻擊也是非常重要的議題,因此ST也在資料加密方面做了進一步提升,未來還會擴大支援更多物聯網產品和應用。得益於客戶的支持,ST在2021年成為全球通用微控制器的穩定領導者。持續成長歸功於不斷努力和新產品的推出,讓客戶感到使用ST產品可以達到更高的效率。

圖片左至右:

‧ST亞太區(不含中國區)微控制器和數位IC產品部通用微控制器資深產品行銷經理 楊正廉(Jason)

‧ST亞太區(不含中國區)微控制器和數位IC產品部通用微控制器技術行銷經理 王柏雄 (Daniel)

‧ST亞太區(不含中國區)微控制器和數位IC產品部無線微控制器技術行銷經理 張耀升 (Watson)

‧ST亞太區(不含中國區)微控制器和數位IC產品部無線微控制器資深行銷經理Olivier LARDY

‧ST亞太區(不含中國區)微處理器市場與應用資深技術行銷經理Alexandre MENGEAUD

ST在各個領域都有非常高的成長,特別是在工業領域,擁有超過50%的市佔率。

從2021年到2026年,市場驅動力有幾個,例如主要的家電和製造自動化,還包括提高能源效率的應用,例如伺服器電源、儲能系統、馬達控制、電動工具等。智慧大樓和智慧家庭的應用也都可以歸類為智慧大樓。

為了繼續保持全球領先的地位,除了開發一系列高效能的STM32 MCU,例如STM32C0、U5或H5,我們還擴展到無線產品和微處理器等不同領域。

同時,ST在生態系統和解決方案上也引入了AI應用,以支援客戶需求,包括擁有更完善安全性的Cube.AI和大家所熟悉的TouchGFX圖形介面。

MCU是一個沒有生命的物件,它需要工程師撰寫韌體並加入他們的創意,才能讓MCU發揮該有的功能。在開發的過程中,STM32Cube是一個非常關鍵的核心。ST推出了很多能與STM32Cube搭配使用的開發板和其他周邊相關元件和資源,例如感測器、MCU I/O的設定,還有不同應用的資料庫、MEMS,以及用來進行人臉辨識的ToF感測器。

所有這些元件都包含在STM32Cube的軟體中。ST希望透過豐富的生態系統和軟硬體支援,讓客戶優先選擇STM32開發平台。

從2021年到2022年,下載ST的工具的開發者人數增加了超過20%,而X-Cube.AI的使用者也增加了10%。這代表已經有許多人關注AI相關議題,因此產生了需求。ST提供的線上教育訓練的觀看時間也增加了15%。此外,加入STM32生態系統的客戶數量也增加了15%。

STM32未來的發展方向將聚焦在安全、無線連接、包括Node端和雲端的技術以及進階的人工智慧(AI)。同時,MPU(微處理器)也有很大的成長空間。

ST將持續投入更多資源以提供客戶更好的支援,因此經持續擴增法國Crolles跟義大利Agrate廠產能。從現在到2025年預計可以提升兩倍的產能。而ST也與台灣知名的晶圓廠合作,特別是90奈米和40奈米的製程,確保供貨穩定。

STM32C0微控制器

ST最近推出了三款新產品,其中兩款是微控制器,另一款是微處理器。其中之一是STM32C0微控制器,它的推出源於時代正在從傳統的手動牙刷轉向電動牙刷,這也需要微控制器。現在,市場上的電風扇具有越來越多的功能,甚至可以透過遙控器進行控制,這些功能的進化帶動了微控制器的使用率增加。

在這些例子中,原本使用8位元微控制器已經足夠,但隨著技術和需求提升,轉移至32位元微控制器已成為必然趨勢。然而,在轉換過程中,開發者需要面對一些挑戰,ST推出STM32C0微控制器就是為了幫助開發者無縫地從8位元移轉至32位元微控制器。

STM32C0有幾個顯著的特點。除了價格親民之外,它還繼承了STM32的卓越品質和可靠性,並且與已經量產的STM32G0相容。從生態系統到腳位配置,開發者可以在兩者之間輕鬆無縫轉換,而從STM32G0轉換至STM32C0也可以輕鬆實現,因此成本更低。

STM32C0的目標應用包括家用電器、風扇和煙霧偵測器等。特別是煙霧偵測器這種低價產品,以往開發者會選擇8位元微控制器,但現在可以以成本效益更高的STM32C0來替代。此外,ST還加強了一些功能,例如最佳化的腳位配置,使得開發者可以在同樣的封裝中使用更多的I/O數量。與STM32G0一樣,它內建了1%高精度RC,因此某些應用程序不再需要外部振盪器。此外,它提供了9種不同的封裝尺寸,包括QFN、SO8N和最小的WLCSP12。

一般傳統的MCU可能有多組Power Pairs,另外還需要一個外部的振盪器。在STM32C0,則減少為一組Power Pair,其他的腳位分布就可以拿來作為其他用途,例如 GPIO。

另外在電壓的部分,現在主流的設計是3.3伏特,ST將低電壓支援的部分稍微提升,並將空間縮小範圍縮小至2伏特到3.6伏特。 如此同樣可以滿足目前大部分客戶所需的規格。

STM32C0跟G0大部分的封裝都是Pin to Pin。也使用同樣的製程平台,兩者都是90奈米。另外,大部分的IP都是相容的,所以STM32C0能與G0完美接軌。

ST會推出STM32C0除了價格平易近人之外,相較G0,STM32C0提供的是48MHz的頻率。STM32F0的頻率就是48MHz,也因此,STM32C0並沒有犧牲太多的效能。C0在溫度的表現不只著眼在消費性應用,工業性應用也非常重要,所以C0還提供高達125度的溫度支援。

在封裝的部分,目前最多提供到48-Pin,但是C0還在持續演進,未來將會推出更多的產品。

除了SO8N封裝,內縮的QFN封裝,還有最小的WLCSP12封裝等,目前共有9種封裝選擇。完整的C0產品組合,範圍從8-Pin到48-Pin,現在主要提供兩種搭配。分別為STM32C011,以及STM32C031。最主要的差異為STM32C011內建6K的SRAM,而C031則內建12K的SRAM,兩者的記憶體尺寸有點不太一樣。此外,C031多了一些周邊支援。 不過,C01和C031在內建快閃記憶體的支援都一樣,皆支援16K和32K。

STM32C0目前提供了三種開發板,首先是48-Pin的Nucleo-C031,接著是一個48-pin的C031 Discovery Kit。這個Discovery Kit外接 STLINK可做為燒錄使用。最後是20-Pin的C011 Discovery Kit,其採用非常小的包裝,ST-Link也內建在開發板裡面。

STM32H5微控制器

另外一個微控制器產品是STM32H5。過去STM32F1需要增加一些功能,記憶體和效能也需要再提升,這也是STM32H5存在的目的。

另外,開發人員提到有客戶要求他們作出符合網路安全的工業風扇,STM32H5就可以輕鬆解決這些問題。

STM32H5內建的是Cortex-M33內核心,其運行頻率達250MHz。這是市面上第一個能夠達到250MHz的Cortex-M33的產品。那另外一個要強調的特色就是安全性。ST利用模組化的設計,讓沒有專業背景的開發者,也能迅速地利用模組化的方式,完成具安全性設計的目標。

STM32H5承襲STM32H7最新優化的40奈米的製程技術。同時提供內建高達2MB的記憶體空間,以及多種類比和數位的周邊選擇。

目標應用包括智慧家庭、智慧城市、工廠自動化,還有消費性的產品,都是H5所著眼的應用。

工業自動化的應用要求需要達到高效能的指標,所以運行在250MHz的頻率足已符合大部分工業自動化的應用。此外,H5還具有高達2MB的內建記憶體。ST近期推出多款MCU皆支援到高達125度的溫度,正代表著ST看重工業相關的應用。

而工業4.0另外一個特色是要能符合安全。STM32H5已經通過 PSA跟SESIP第三級的認證。 除了資訊安全的認證之外,在功能安全的部分,硬體也支援了SIL等級的資料庫。

在連結性的部分,除了工業常會用到的Ethernet之外,STM32H5在STM32產品組合中是第一顆支援MIPI-I3C的MCU。在未來感測器傳輸速度越來越快的狀況下,這樣的周邊支援是有必要的。

STM32H5雖然是高效能的微控制器,但也非常適用在IoT的應用。無論是智慧家庭、工業物聯網等,即使STM32H5的運行頻率高達250MHz,其功耗每MHz卻只有61μA,這已經達到IoT裝置的標準。這樣的功耗表現在整體市場上是非常傑出的。

封裝方面,STM32H5提供從最小 25-Pin到最大176-Pin廣泛的封裝選擇,因此ST能提供非常足夠的產品組合。

在安全層面的部分,對於IoT設備,客戶可能需要連接到Amazon的AWS ,或是Microsoft的Azure,連線的過程通常需要經過驗證。驗證的過程如何配合與溝通對開發者來說需要耗費非常多心力。ST推出簡易使用的設計 ,幫助開發者快速地達成要驗證的功能。

STM32F2跟STM32F4 以往是屬於高效能系列的MCU,不過相較F2和F4效能的比分,STM32H5取得375 DMIPS和1023 CoreMark,這效能超過F2一倍以上,而且相較F4的效能亦是高出許多。ST加強了內建的設計,包括ART Accelerator用於指令和資料快取,可以加速內建和外部的快閃記憶體存取。

另外STM32H5將FMAC和 Cordic的數學運算加速器內建在MCU裡,使其更適用於數位電源或是馬達控制,使用額外的運算加速器可以減少CPU的負荷。

STM32H5一個很大的變革, 就是安全功能。STM32H5已通過 SESIP和PSA 第三級的認證。在目前STM32的產品組合之中,已是最高等級的認證。

通常工程師會想知道如何在尚未開發過安全機制的情況之下,快速地達到客戶的要求,ST所提供的方案就是Secure Manager(安全管理器)。ST-uRoT跟ST-iRoT,就是ST所提供的服務。安全的服務會提供開發者套件和圖形使用者介面的工具。「ST-iRoT」是內容不可變動的開機信任根,而「ST-uRoT」則是日後可更新的信任根。當ST出貨給客戶的時候,希望開發者在使用我們提供的方案時盡量不要去變動裡面的內容,如此一來客戶的產品才有較高機會通過PSA或是SESIP的認證。

最核心的功能就是Secure Manager (安全管理器)。ST會提供一個圖形使用者介面,以便開發者進行配置,包括預先的加密配置、可信賴的儲存區域,也可以進行一些驗證程序。

STM32MP13系列微處理器

第三款產品是 STM32MP13系列微處理器。除了將STM32MPU的效能提升到1GHz,同時具備A7核心。相較以往的STM32MP15,將Cortex-M4核心移除,目的在於提供價格更平易近人,但同時保有更高的效能產品。

STM32MP13承襲了MP15的資源,所以其開發生態系統完全相同。同時提供不同PCB佈局的參考設計,這些都可以從網路上下載。

另外,MP13的功耗已做了最佳化的設計,所以在待機或VBAT模式相較競爭對手可節省高達90%的功耗。

MP13的目標應用很多來自工業領域,包括像機器手臂、充電樁。同時也包括支付的應用,例如行動支付、終端支付,這些都是MP13 強調並支援安全機制的應用。

MP13和MP15一樣,100%的操作使用可以維持10年。溫度支援可達125度,而且DRAM亦支援到533MHz。

安全功能是STM32MP13微處理器特別強調的重點 。ST針對外接的記憶體可加解密傳輸來形成一道保護。ST提供了具硬體加解密功能和沒有硬體加解密功能的不同料號選擇。在整個產品生命週期裡,ST也提供了平台認證的作法 。

由於Cortex-A7具有TrustZone ,所以開發者的程式碼可以很容易隔離,以避免權限不足的應用程式存取到權限等級比較高的應用程式,這是 TrustZone的精神所在。搭配原來的生態系統,所以MP13 實際上已達到SESIP第三級,ST甚至還去做了支付卡產業PTS/POI 6.0預先認證,以及PSA第一級的認證。

相較於競爭對手,ST在低功耗表現特別傑出。不同模式下,所對應之節省下來的功耗百分比很高。能夠節省非常多的效能,這也歸功於ST的STPMIC1電源管理IC。所以STM32MP13搭配STPMIC1的組合不但效能與功耗表現優良,元件使用量也減少許多。

針對STM32MP13提供三種不同封裝,包括 LFBGA289、TFBGA320,以及TFBGA289。若開發者有成本上的考量,需要用到四層板,則可選擇前面兩者。若需要更小封裝,就可選擇後者的TFBGA289。

關鍵字: STM32  MCU  ST(意法半導體
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