32-Bit-MCUs konkurrieren alle um die kleinste Baugröße.

Ihr nächster 8-Bit-MCU ist 32-Bit. Das war ein Satz, den ST einmal geäußert hat.

Auf dem Gebiet der MCU gibt es Akteure, die die Leistung nach oben steigern, und andere, die Größe und Preis nach unten drücken. Schließlich ist die Auswahl der MCU eine Wissenschaft des „genau richtig“: Wenn man das Problem mit geringeren Kosten lösen kann, braucht man keine teureren und größeren Modelle.

Der Bereich der MCU unterscheidet sich von dem der CPUs: Die höchste Leistung ist nicht unbedingt die beste, und überflüssige Leistungsreserven gelten ebenfalls als verschwenderisch. Jeder eingebettete Ingenieur sollte einen perfekten Anspruch haben, die Leistung der MCU bis zum Äußersten auszunutzen. Deshalb gibt es heute noch viele erfahrene Fachkräfte, die nicht auf die 8-Bit- und 16-Bit-MCU in ihren Händen verzichten wollen.

Als MCU-Hersteller muss man jedoch ständig die eigene Produktlinie verbessern. Daher treiben die Hersteller die Konkurrenz in diesem Bereich ständig voran.

32-Bit-MCU: Immer kleiner und günstiger werden

TI konkurriert nicht nur um die kleinste Baugröße, sondern auch um ein höheres Preis-Leistungs-Verhältnis. Deshalb hat es schon früh den Cortex-M0/M0+-Kern eingesetzt und die Produktreihe MSPSM0 auf den Markt gebracht. Das im vergangenen März vorgestellte Modell MSPM0C1104 galt damals als kleinste MCU: Es nutzt das Wafer-Level-Chip-Scale-Package (WCSP) mit einer Fläche von nur 1,38 mm², was etwa der Größe eines schwarzen Pfefferkorns entspricht.

In der Konfiguration ist der MSPM0C1104 mit einem 24 MHz Arm Cortex-M0+-Kern ausgestattet, verfügt über 1 KB SRAM, 16 KB Speicher, einen Versorgungsspannungsbereich von 1,62 V bis 3,6 V, einen 12-Bit-ADC mit 3 Kanälen und 6 allgemeinen Ein-/Ausgangspins. Er integriert einen hochgeschwindigkeits-On-Chip-Oszillator mit einem Genauigkeitsbereich von -2 % bis +1,2 %, sodass kein externer Quarzkristall benötigt wird. Er ist kompatibel mit Standard-Schnittstellen wie UART, SPI und I2C und arbeitet in einem Temperaturbereich von –40 °C bis 125 °C.

Der MSPM0C1103 von TI ist ebenfalls ein Produkt mit hervorragendem Preis-Leistungs-Verhältnis: Er kostet etwa 0,25 US-Dollar, hat eine minimale Gehäusegröße von 1,6 x 0,86 mm, einen 24 MHz M0+-Kern, 8 KB Flash und 1 KB RAM. Seine hervorragenden analogen Eigenschaften machen ihn für Szenarien wie Sensoren und Stromüberwachung geeignet, bei denen die Genauigkeit wichtiger ist als die Geschwindigkeit.

ST verfolgt seit langem das Ziel, 8-Bit-MCU zu ersetzen. Das vorgestellte STM32C0 mit Cortex-M0+-Kern beginnt bei einem Preis von 0,21 US-Dollar. Einige Modelle erreichen eine minimale Gehäusegröße von 1,70 × 1,42 mm und bieten gleichzeitig so viele I/O-Ressourcen wie möglich in einem begrenzten Bauraum, wobei nur ein Paar Strompins für die Versorgung benötigt wird. Die STM32C0 ist zudem in das 10-jährige Langzeitlieferprogramm von ST aufgenommen und unterstützt die funktionale Sicherheit nach IEC 61508, was mehr Sicherheit für Produkte bietet, die eine langfristig stabile Lieferung erfordern.

Mit der ständigen Erweiterung der Modellpalette bietet die STM32C0 auch verschiedene Funktionsoptionen an: Zum Beispiel erhöht die STM32C051 die Flash-Kapazität auf maximal 64 KB; die STM32C071 fügt die USB-Verbindung hinzu; die STM32C091 erweitert sich weiter auf maximal 256 KB Flash und 36 KB SRAM; die STM32C092 unterstützt die FDCAN-Kommunikation.

Auf Hardwareebene ist die STM32C0 teilweise pin-kompatibel mit der STM32G0 und integriert einen internen Taktgeber mit einer Genauigkeit von 1 %, was zur Vereinfachung der Peripherieschaltung und des PCB-Designs beiträgt.

Anschließend hat ST im März dieses Jahres die STM32C5 mit Cortex-M33-Kern vorgestellt, die auf der 40-nm-Prozessplattform von ST basiert, eine maximale Taktfrequenz von 144 MHz und eine CoreMark-Leistung von 593 Punkten erreicht. Sie integriert maximal 1024 KB Flash und 256 KB SRAM und ist gleichzeitig mit wichtigen Peripheriegeräten wie Ethernet, OctoSPI und FDCAN ausgestattet. Sie bietet Optionen von 20 Pins bis 144 Pins, unterstützt eine maximale Betriebstemperatur von 125 °C und deckt ein breites Spektrum gängiger Anwendungsfälle ab.

Wenn es um günstige und kompakte Modelle geht, kommt man natürlich nicht um die RP2040/RP2350 herum. Die RP2040 verfügt über einen Dual-Core-Cortex-M0+-Kern mit 133 MHz und 264 KB SRAM und benötigt einen externen Flash. Die RP2350 hat eine höhere Leistung und ihr Serienpreis liegt immer noch unter 1 US-Dollar. Die Entwicklungsboards Pico/Pico 2 bieten umfassende Unterstützung und eine große Community. Sie eignen sich für kostengünstige Produkte, die eine hohe Rechenleistung erfordern.

Das RA0E1 von Renesas ist ein 32-Bit-Lösung für Nutzer, die nach Preis-Leistungs-Verhältnis und langfristiger Stabilität streben. Der Preis pro tausend Stück beträgt etwa 0,6 bis 0,7 US-Dollar, es ist mit einem Cortex-M23-Kern mit 32 MHz, 64 KB Flash und 12 KB RAM ausgestattet und unterstützt die TrustZone-Sicherheit sowie industrielle Zuverlässigkeit.

Auch in China wird an kleineren Modellen gearbeitet. Hangshun hat im vergangenen Jahr angekündigt, dass die 32-Bit-MCU HK32F005 eine Gehäusefläche von 1 mm² hat. Im Juni dieses Jahres hat Hangshun die HK32F001 vorgestellt, die das WLCSP-Verfahren (Wafer-Level-Chip-Scale-Package) nutzt und die Gehäusefläche weiter auf 0,6 mm² reduziert, womit ein neuer Rekord aufgestellt wurde. Darüber hinaus hat Hangshun auch die M4-MCU HK23F403 mit kleiner Baugröße veröffentlicht.

WLCSP lässt sich einfach als eine Technik verstehen, bei der „das Gehäuse so groß wie der Chip selbst ausgeführt wird“. Statt den Chip nach dem Schneiden einzeln zu verpacken, werden die entsprechenden Prozesse direkt auf dem gesamten Wafer ausgeführt, bevor dieser in einzelne Chips zerschnitten wird. Dadurch werden viele Schritte des herkömmlichen Verpackungsverfahrens und der Chip-Transport reduziert, was zur Erhöhung der Produktionseffizienz beiträgt. Praktisch wird kein zusätzlicher deutlicher Verpackungsraum außerhalb des Chips vorgesehen, sodass Länge und Breite des fertigen Bauteils sehr nahe am nackten Chip liegen. Im Vergleich zu gängigen Gehäusetypen wie SOP und QFP hat es deutliche Vorteile bei Größe und Gewicht und eignet sich besonders für Produkte, die empfindlich auf den PCB-Platz reagieren.

In dem Bereich der günstigen und kompakten MCU gilt Puman seit langem als kaum zu übertreffender Konkurrent. Das Modell PY32F002B ist das typischste Produkt: Es kostet etwa 8 US-Cent, verfügt über einen 24-MHz-M0+-Kern, 24 KB Flash und 3 KB SRAM.

Das CH32V003 von Qinheng ist eine sehr kostengünstige MCU im RISC-V-Bereich. Der Preis pro tausend Stück beträgt etwa 0,1 US-Dollar, es ist eine RISC-V-32-Bit-MCU mit 48 MHz, 16 KB Flash und 2 KB RAM.

Die anhaltende Debatte zwischen 8-Bit und 32-Bit

Im Vergleich zu 8-Bit-MCU bieten 32-Bit-MCU viele Vorteile: Zum Beispiel eine stärkere Verarbeitungsleistung, eine breitere Speicherbus, fortschrittlichere Kommunikationsschnittstellen wie UART, USB, Ethernet, CAN, SDMMC und integrierte LCD-Controller, eine schnellere Ausführungsgeschwindigkeit und einen geringeren Stromverbrauch durch das Bündeln mehrerer Befehle pro Zyklus sowie den einfachen Zugriff auf verschiedene Bibliotheken und gut gewartete Treiber.

Dennoch sind 32-Bit-MCU nicht allmächtig: Die Umsetzung des optimalen Niedrigststrombetriebs ist viel komplexer als bei einfachen 8-Bit-MCU, sie sind schwieriger zu programmieren und zu debuggen, und für Anwendungen mit begrenztem Speicher kann der Code größer sein als bei 8-Bit-MCU. Das sind aber nicht die wichtigsten Punkte: Das Wichtigste ist nach wie vor der Preis.

Ein Ingenieur äußerte, dass die 32-Bit-M0/RISC-V-Modelle von Qinheng und Puman zu einem Preis von etwa 0,5 RMB den Arduino unterstützen, sodass es kaum noch einen Sinn für 8-Bit-MCU gibt. Der Stromverbrauch der 32-Bit-Modelle ist heute ebenfalls gut, die Vorteile der 8-Bit-MCU sind fast verschwunden. Inländische MPU-Modelle kosten weniger als 1 RMB für Konsumprodukte und weniger als 2 RMB für industrielle Anwendungen. Außerdem müssen immer mehr Geräte ins Netzwerk eingebunden werden, wofür 8-Bit-MCU teilweise nicht mehr ausreichen.

Andere sagen, dass es zwar sehr viele 8-Bit-Chips gibt, aber nur wenige davon noch als „echte MCU“ gelten. Extremere Meinungen lauten, dass 32-Bit-MCU inzwischen zu einem Spottpreis erhältlich sind, sodass man auf 8-Bit-MCU grundsätzlich verzichten kann.

Gegner argumentieren: Selbst wenn sie günstig sind, gibt es 32-Bit-MCU für 0,5 RMB? Für eine einfache Lichtsteuerungs-MCU, die nur 0,5 RMB kostet, braucht man kein M0? Natürlich gibt es Stimmen, dass CM0 in großen Mengen tatsächlich so günstig erhältlich ist, aber OTP-8-Bit-Chips mit sehr wenigen Pins wie PIC sind in dieser Hinsicht immer noch konkurrenzfähig, genauso wie die extrem einfachen 4-Bit-Chips für Taschenrechner – diese Extremfälle werden hier nicht diskutiert, für gewöhnliche 8-Bit-MCU lohnt sich der Vergleich mit CM0 aber nicht mehr.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Electronic Engineering World“ (ID: EEworldbbs), Autor: Fu Bin, und wird von