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連結雲端的智慧邊緣 STM32策略的四大主軸

本文作者:陳慧芬整理       點擊: 2024-06-03 16:48
前言:
照片(左至右)意法半導體APeC區微控制器產品部技術行銷經理王柏雄、APeC區資深產品行銷經理暨台灣區微控制器產品負責人楊正廉、APeC區無線微控制器產品部行銷經理張耀升、APeC區微控制器和數位IC產品部產品行銷經理李宜儒、APeC區控制器和數位IC產品部產品資深技術行銷經理Alexandre MENGEAUD、APeC區MDG部無線微控制器產品資深行銷經理Olivier LARDY

STM32的產品已經遍佈在各個應用領域。無論是生活周遭、居家應用、工廠、自動化等相關的領域,甚至到智慧城市到的停車管理,或是路燈管理相關的應用,以及e-bike或u-bike上,都不難發現STM32的身影。
 

STM32策略四大主軸

意法半導體APeC區資深產品行銷經理暨台灣區微控制器產品負責人楊正廉表示,STM32的策略主要聚焦在四大主軸上。首先意法半導持續投入及大量投資來拓展STM32產品線,不僅做得廣也做得更深入,更符合客戶需求。目前STM32的產品線已經有超過3,000多款產品,更是在短短一年內新增600個新型號。近期,ST也陸續推出了4個新的STM32產品系列。

第二個主軸是強化生態系統。由於ST長期致力於生態系統的發展,每年都能保持在開發者的首選名單中,且幾乎都是排名第一。得益於在生態系統上的大量投入心力。客戶可以在這個平台上輕鬆找到所需的開發資源,大幅節省開發時間。目前有超過100萬位開發者使用ST的開發板、STM32Cube軟體,以及相關的雲端資源。ST將會持續加強生態系統,確保STM32產品線維持在開發者的首選地位。

除了保持STM32產品的優良品質和穩定生產,ST也將客戶不斷上升的需求納入考量。為此,ST在產品線拓展、生態系統建立以及產能提升都持續優化,同時也與代工廠持續合作開發新產品,希望能長期成為業界領先的供應商。

第四個主軸是在社群影響力和存取性的發展。ST在STM32社群投入了大量的時間和資源,每個月平均有30萬人次造訪STM32社群平台。在這裡,客戶不僅分享經驗,還可以下載STM32的開發資源,這是ST與客戶保持緊密聯繫的平台。

此外,ST擁有10萬個客戶,並在全球擁有超過1,000個代理商據點,為客戶提供密切、完整的支持和服務,這也是ST的一大優勢。

STM32產品家族
 

STM32產品線涵蓋了無線MCU、低功耗MCU、主流MCU、高效能MCU以及嵌入式MPU等五大類別。無線MCU系列,包括SubG、BLE(Bluetooth Low Energy,低功耗藍牙)、還有未來會加入的Wi-Fi等系列產品。

其次是低功耗MCU系列,從之前的L系列產品升級到了U系列,如STM32U0和STM32U5都是新推出的產品,在超低功耗領域,非常具有競爭力。

另外,主流MCU系列,包括STM32C0、STM32F0、STM32G0、STM32F1等系列,以及高效能的H系列,如STM32H5、STM32H7等。

最後是嵌入式MPU,這也是ST著重發展的新產品系列。

除了大家熟悉的90nm和40nm製程,我們還推出了第一顆採用18nm先進製程的產品。這種跟三星合作的FD-SOI技術,以及整合PCM(相變化記憶體)的先進製程,可以大幅提升功耗和性能,同時也能整合更大容量的記憶體。我們的首款18nm產品預計將在2024年下半年提供樣品,2025年下半年開始量產。

STM32H7R/S的亮點
意法半導體APeC區微控制器產品部技術行銷經理 王柏雄表示,STM32H7R/S系列是STM32五大產品家族中的高性能MCU的一員。STM32H7R/S擁有優異的可擴充性和強大的安全性。此外,它還整合bootflash等先進功能,為開發者提供更出色的性能。

STM32H7R/S系列可分為通用和圖顯兩個版本。通用型為STM32H7R3/S3。而圖顯款則為STM32H7R7/S7系列,主要應用於一般的GUI(圖形使用者介面)和HMI(人機介面)領域並提供更出色的圖形運算性能。同時,這一系列產品也完全繼承了STM32Cube生態系統的優勢,為開發者提供簡單高效的開發環境。
 

再來看看 STM32H7R/S的特色。首先,這款MCU的單核心CPU頻率已經提升至600MHz,成為STM32H7系列中最高效能的MCU。

王柏雄表示,ST過去的MCU產品一直採用內建記憶體設計。在人機介面(HMI)效能至關重要,且大多數複雜的介面設計都需要外部記憶體的情況下,將資源主要配置於即時性功能上便成為了一種明智的選擇。如此一來,開發者便能根據自身需求或公司標準,選用最合適的記憶體介面。STM32H7R/S提供了豐富多元的周邊介面,包括多組並列式和序列式介面,這在我們先前的MCU產品中是前所未有的。
 
在記憶體設計上,STM32H7R/S採用了bootflash技術。同時,也加強了對外部記憶體的連接性和安全防護。具體來說,STM32H7R/S搭載了MCE(Memory Crypto Engine,記憶體加解密引擎)模組,可以對外部記憶體進行即時加密和解密。這不僅有助於提升安全性,也能避免第三方的惡意干擾。

值得一提的是,STM32H7R/S目標SESIP第三級和PSA第三級安全認證,是ST目標安全性能最高等級的MCU產品系列。

在圖形運算方面,STM32H7R/S搭載了第二代NeoChrom GPU,支援2.5D圖形功能,並採用智慧型DMA(直接記憶體存取)技術,最高可支援HD等級的圖形使用者介面。

 

STM32H7R/系列目標應用包括工業自動化和圖形顯示領域,在智慧家庭、智慧城市,以及工業控制等應用上表現都十分出色。對於需要高安全性保護的醫療、支付和POS應用,STM32H7R/S也能提供可靠的安全防護。新推出的STM32H7R/S進一步提升了性能,非常適合應用於機器人領域。

此外,新的STM32H7除了內建NeoChrom GPU之外,還整合了JPEG編解碼器和LTDC(LCD TFT顯示控制器)等功能,讓開發者更輕鬆地連接外部螢幕。除此,STM32H7還支援最新的I3C介面,並提供兩組USB高速(High Speed)和全速(Full Speed)連接。它還內建PHY(物理層)和UCPD(USB Power Delivery)連接,增加了系統的完整性。

STM32H7R內建了AES和PKA等加速器,加強了加密性能。最後,在平台驗證,它其採用了兩階段啟動機制,從不可篡改的信任根(iRoT)到開發者自定義的Boot區塊,確保整個產品生命周期的安全性。

ST提供STM32CubeMX 用於程式設計、STM32CubeIDE作為開發環境,以及STM32CubeProgrammer 用於燒錄。這個生態系統是 ST 之前已經非常成熟的工具鏈。而STM32Cube 提供了完整的開發支援,從設計到燒錄都有對應的工具,形成了一個成熟的開發環境。這對於開發者來說非常方便和實用。

 

ST 針對新款STM32H7提供了兩款開發板。一款是 STM32H7S3 Nucleo Board,其內建STM32H7S 系列 MCU,並整合 NOR Flash、乙太網路和 USB等介面,方便開發者進行連接和評估。

另一款是 STM32H7S探索套件,同樣採用了STM32H7S系列 MCU,並包含 NOR Flash、PSRAM以及乙太網路,以及USB 等介面。此一探索套件還整合microSD卡等其他外部周邊,適用於多媒體、影音等應用的開發。

STM32U0 系列

STM32U0微控制器系列的關鍵特點,包括功耗、功能和成本的平衡。在功耗方面,STM32U0的靜態功耗表現非常優異,同時提供了多樣化的低功耗模式。在功能整合的部分,STM32U0 內建 LCD 段位驅動器、MSI 振盪器、ART 加速器等模組,非常適合低功耗 LCD 顯示等應用。在成本方面,STM32U0大幅整合外部元件,不僅降低微控制器本身的成本,也顯著降低整個物料清單成本。
 

此外,STM32U0系列繼承之前STM32系列(包括STM32L4、STM32U5)的特色和廣泛IP認證,具有穩定的市場基礎。

STM32U0是針對電池供電應用而推出的新產品,目標市場包括成本敏感的傳統應用,如恆溫器、煙霧偵測器等,這些應用通常使用8位元微控制器。此外,由於STM32U0特別注重安全性,因此也適用於醫療設備,如胰島素幫浦、血糖機等。另外,智慧型測量設備,例如水表、電表等依賴電池供電的儀器,也是STM32U0的重要應用領域之一。最後,對於尺寸和功耗有嚴格要求的消費性電子產品,例如智慧手錶、手環、戒指等穿戴式裝置,也是STM32U0的目標應用。

 

STM32U0最大的特點就是其優秀的省電能力。我們預估,使用STM32U0的設備,電池壽命能延長多達兩倍。當然,實際的使用時間會視具體應用而定。

 

     STM32U0的靜態功耗僅16nA,這個數字相當低。相較之前的STM32L0產品,功耗從270nA大幅下降。此外,在運行模式下,STM32U0的功耗也有顯著改善,從110μA/MHz降低到70μA/MHz。以水表應用為例,相較於前一代產品,STM32U0可以節省高達38%的耗能。而在工業感測器應用中,節能幅度甚至可以達到50%。這些數據充分展現了STM32U0卓越的低功耗性能。

通訊介面上,STM32U0 擁有多組 SPI、I2C、USART 和 UART 等數位介面。在類比電路部分,則配備了 ADC、DAC、運算放大器和比較器等元件。

從安全性來看,STM32U0 目標達到 SESIP 第三級及 PSA 第一級認證。事實上,STM32U0 是首款 Cortex-M0+ 微控制器同時通過這兩項安全認證的產品。STM32U0 與 STM32U5 及 STM32H5 系列,都達到了 SESIP第三級的安全等級。

STM32U0 在記憶體保護方面提供了三種不同的保護等級,開發者可以使用密碼來進行版本還原。在硬體加速器方面,STM32U0 內建了 128 位元和 256 位元的 AES 加密引擎。同時,它也配備了真亂數產生器,為各種需要隨機數的應用提供強大支援。

STM32U0 系列又細分為三個子系列,包括STM32U031、STM32U073 和 STM32U083。STM32U083 內建了硬體加解密加速器。而 STM32U031 則是最基礎的 STM32U0 子系列,內建的記憶體只有 16KB 到 64KB,RAM 僅12KB ,同時亦不支援 LCD段碼顯示控制器和USB。
整個 STM32U0 系列目前提供了 10 種不同的封裝選擇,從 20 腳位 TSSOP 到 81 腳位 UFBGA封裝,可以滿足客戶在尺寸、腳位數量等方面的多樣化需求。

在生態系統方面,採用了非常簡易且入門級的 STM32Cube 生態系統,讓使用者更容易上手。這個生態系統包括了 STM32CubeMX,可以幫助做程式的初始化以及腳位的規劃。

針對STM32U0系列,ST提供了三種不同開發板之選擇。首先介紹NUCLEO-U031R8開發板,其搭載一顆LQFP 64腳位封裝的STM32U031微控制器,並內建了64KB快閃記憶體。另一款是 NUCLEO-083RC開發板,其配備一顆LQFP 64腳位封裝的STM32U083微控制器,並內含 256KB快閃記憶體。
 

在低功耗方面,特別最新的 STLINK-V3PWR 開發工具,不僅可用於除錯,還能同時測量產品的功耗。除了硬體支援外,開發者還可使用 STM32CubeMonPwr 軟體工具,在電腦上直接監測功耗。

無線微控制器系列 - STM32WBA

意法半導體APeC區無線微控制器產品部行銷經理 張耀升表示,從IoT的觀點來看,現在的IoT裝置除了需要越來越智慧、省電外,還需要更高的整合性。新一代裝置,例如工業控制、醫療產品和智慧家庭,展現出一些新趨勢。
 
 
首先,對個人資料保護和防範駭客入侵等安全性需求不斷攀升。其次,針對AI和生理訊號等感測資料的應用,即時運算和輸出的需求也日益增加。在過去,ST偏重MCU在待機模式下的低功耗,但現在隨著AI和生理訊號感測資料的應用,同時也需要在運行模式時具備更好的省電能力。
 

今年,ST更進一步推出STM32WBA54和STM32WBA55全新的家族。這些產品延續了先前的BLE 5.4 特性,並增加了Zigbee、Thread和Matter RCP等功能。它們都搭載了100MHz的Arm Cortex-M33內核心、1MB快閃記憶體和128K的RAM,最高輸出功率達+10dBm。有了這些功能,新一代的WBA系列基本上可以滿足一般使用者的需求。

這款產品採用了最新的40奈米製程,並在內部加入了SMPS開關式電源,進一步降低運算時的功耗。同時,內建了TrustZone,符合2025年即將生效的美國和歐洲新法規的SESIP第三級認證目標。
 

ST針對低功耗模式提供了8種不同選擇,其中包括3種休眠模式、3種靜止模式和2種待機模式。在運行模式下,上一代的STM32WBA52搭載了LDO,功耗約為每MHz 50個μA,接近業界平均水準。而在新一代中,導入了SMPS開關式電源,功耗降至每MHz 30μA,省電率提升了近40%。

針對像AI、身體訊號量測以及感測資料讀取與運算等即時Output的需求,當運行於16MHz時,每MHz的功耗僅22μA,非常節能。在待機模式下,當RF開啟時,功耗更可降至1.25μA;而當RF關閉時,待機模式的最低功耗為140μA。這顯示出新一代STM32WBA55系列在功耗優化有了大幅的更新。

 

新一代的STM32WBA系列除了省電功能之外,還包具備了Bluetooth Low Energy (LE) Audio功能。LE Audio通常分為單播(Unicast)和多播(Multicast)兩種模式。單播指的是從發射端到接收端可以有兩個獨立的音訊通道,支援雙向溝通,包括喇叭的音訊輸出和麥克風的輸入。而多播則支援一對多和單點對多點的音訊傳輸,在Bluetooth協會將此稱之為「Auracast」。

APeC區MDG部無線微控制器產品資深行銷經理Olivier LARDY 表示,STM32WBA55 和 STM32WBA54 結合了Bluetooth Low Energy(低功耗藍牙)和Thread audio的能力,並支援連接終端設備,因此能夠提供所需的 RCP 功能。值得一提的是,這些微控制器還具備「封包流量仲裁器 (PTA)」功能,能避免與其他 2.4GHz 無線設備之間產生干擾。

不論是單播還是多播,ST都採用了最新的LC3 Codec。LC3相較於以往的SBC Codec,有著提升音質和降低延遲的優勢,被認為是LE Audio的一大進步。LC3相對於SBC的複雜度也大幅增加,需要更強的CPU表現。而大多數市面上的解決方案需要微控制器或高階的微控制器來運行,甚至有些使用雙核心DSP(數位訊號處理器)。

新的STM32WBA系列產品具備硬體相關的安全保護,以及系統端的安全服務,能夠達到SESIP第三級或PSA第三級的目標認證等級。這對客戶想要設計出符合即將在2025年生效的美國Cyber Trust Mark或歐盟無線電設備指令(RED)的相關產品能有所幫助。
 

從生態系統的層面來看,ST提供了STM32 Nucleo開發板和一些通用的探索套件,包含了具有LCD和音訊介面功能的板卡,可以用於LE Audio的開發。在軟體方面,使用的是STM32Cube生態系統,與現有的生態系統完全一致。這讓使用ST MCU的客戶在開發上更加方便。
 

張耀升表示,ST有一項特殊的技術IPD(Integrate Passive Device),即整合型被動元件。IPD是指在MCU和天線之間的元件,早期需要做阻抗匹配、諧波濾除等工作,這對RF工程師來說是一項繁重的任務。現在,ST的IPD將11顆離散元件整合成一顆IC,大小為1.6 x 1 mm²,大大縮小了整體尺寸,同時也降低了BOM成本,提升了無線性能和可靠性。這項技術有助於ST的現有MCU客戶順利轉換到無線產品上。

ST的新STM32WBA系列支援多種協定,包括BLE 5.4、Zigbee、Matter Thread RCP,最大輸出功率為+10dBm,搭載100MHz Arm Cortex-M33處理器,具備1MB快閃記憶體和128KB RAM。內建的SMPS可增加電池續航能力,TrustZone則有助符合新一代的美國歐洲法規。ST提供10年的供貨保證,並整合了STM32的生態系統,讓設計更為順暢。

第二代產品微處理器STM32MP2

意法半導體APeC區微控制器和數位IC產品部產品行銷經理李宜儒表示,STM32MP2是STM32MP系列微處理器的第二代產品。

STM32MP2有四個主要的特性。首先,STM32MP2能夠在高噪音、大電流的工業環境中表現出色。其次,除了傳統的串列介面(SPI),STM32MP2還支援帶有switch的乙太網路,以及高速訊號如PCIe和USB3.0,這大幅提升外部通訊能力。

在CPU性能方面,STM32MP2採用了Arm Cortex-A35 64位元CPU。此外,STM32MP2還搭載了神經處理單元(NPU),針對AI應用進行優化,同時還搭配了輕量ISP,適用於工業和物聯網領域。

意法半導體APeC區控制器和數位IC產品部產品資深技術行銷經理Alexandre MENGEAUD表示,即使沒有NPU,AI也可以在處理器上運行,它會以軟體方式在Cortex-A處理器上執行。然而,在這種情況下,性能將受到限制。舉例來說,具備NPU的微處理器可以提供數百甚至可能幾千億次的運算性能。相較之下,STM32MP2 能夠達到數兆次的性能,大約快上1000倍。因此,雖然可以在STM32MP1系列上使用AI而無需 NPU,但能夠使用應用比較簡單,例如預測性維護或使用低幀率和較小相機解析度的簡單物體偵測。然而,如果客戶希望使用全高解析度的相機進行複雜的動作、姿勢預估,或是困難的視覺任務,他們將需要搭載硬體NPU的STM32MP2。ST的X-Linux AI套件,可支援STM32MP1和 STM32MP2 系列,有助於在我們的產品上使用人工智慧。

隨著越來越多設備具備連線功能,安全性成為一個關鍵議題。在STM32MP2新品中,ST加入了多項安全功能,致力於打造完整的安全生態網路。它的目標是通過SESIP第三級和PSA第一級的認證,使其成為一顆安全的SoC。除了在ARM Cortex-A35內核心上具有安全性功能外,在ARM Cortex-M33上也整合了TrustZone技術,使其能夠針對特定IP執行安全應用並對資源進行分類。

此外,在韌體方面,STM32MP2提供了一個完善的生態系統,讓開發者可以安全地傳遞韌體給不同的目標,包括OEM和ODM,並確保傳遞過程中的安全性。
 

STM32MP2在應用領域上涵蓋工業自動化、家庭、基礎建設等多個領域,例如水表和電表,這些在工業中常見的量測設備。除此之外,AI在水表和電表的應用會越來越普遍,例如即時監控水流或電流,以節省能源消耗。至於門鈴則可能需要人臉辨識或應對外部威脅,因此也會導入許多AI。因此,STM32MP2對於這些應用來說是一個非常適合的解決方案。
 

李宜儒表示,我們在STM32MP2搭載了一個1.35TOPS的NPU,其主要希望能夠將原本的演算法在Arm Cortex-A35內核心或GPU上執行的效率進行提升。我們專注於提供Edge端運行NPU,其性能達到1.35TOPS,可針對優化過的模型和硬體進行最佳化,以取得更高的性能。新產品系列支援高達1080p的顯示器,並提供Parallel、LVDS和DSI輸出介面。此外,還支援CSI鏡頭介面,並提供輕量級的ISP。這意味著在影像鏡頭進入CPU或其他NPU之前,可以先對其進行處理,有效地執行所需的演算法或作業系統的功能。

此外,在韌體方面,STM32MP2提供了一個完善的生態系統,讓開發者可以安全地傳遞韌體給不同的目標,包括OEM和ODM,並確保傳遞過程中的安全性。

在STM32MP2有三個產品系列,第一個是旗艦產品STM32MP25系列,包括了STM32MP257、STM32MP255、STM32MP253以及STM32MP251。未來還計畫推出STM32MP23系列和STM32MP21系列。

STM32MP23系列是中階產品,透過縮小晶片和記憶體容量(轉為16位元)並略為降低NPU性能,來達到成本優化的目的。此外,STM32MP23系列也去除了視訊編碼器。

STM32MP21系列則為STM32MP2家族中的入門級產品,以實惠的價格提供基本配置,包括單純的Cortex-A和Cortex-M架構,不含加速器、GPU和NPU,在價格上極具競爭力。

在這些型號之間,開發資源是可以共享的。架構在ST的OpenSTLinux套件上,全系列都可以使用相同的軟體。而在硬體方面,在STM32MP25系列中,相同封裝的元件都是Pin-to-Pin,並提供了18x18、14x14和10x10三種封裝選擇。跨越到STM32MP23和STM32MP21系列時,提供了最小的10x10封裝,這是整個STM32MP2系列都支援Pin-to-Pin,而在不同的STM32MP25系列之間,14x14封裝也提供了Pin-to-Pin的相容性。這樣的硬體設計可以讓產品更容易地擴展到其他應用上。

邊緣AI
在邊緣AI方面,ST是如何在部署呢?李宜儒表示首先是1.35Tops的MPU。其次,是如何在軟體層面上支援這個功能。
 

ST提供的X-LINUX-AI是一套開放的擴充包,旨在為各種不同的開發者提供優秀的AI平台。在AI領域中,由於開發者眾多且不斷湧入,但他們可能不清楚如何將AI功能融入其應用中。

ST在這個平台提供了大量的範例、數據和模型,幫助這些開發者。這些資源可以引導他們了解如何加入AI功能、該如何加入,以及需要加入哪些內容。此外,對於已經訓練好模型並準備部署的開發者,我們也提供了豐富的支援,包括對SoC的最佳化運算。

STM32MP2系列的生態系統

當然, STM32MP2系列的生態系統是非常重要的一部分。
 

SoC本身的生態系統和它與其他裝置、包括雲端和其他設備的生態系統。在STM32MP2中,ST支援Linux,使用OpenSTLinux作為BSP,同時也會推出安卓(Android)的BSP。在軟體層面,ST支援BuildRoot、Yocto,並針對Arm Cortex-M33內核心提供對應的開發工具,如STM32CubeIDE。此外,還有STM32CubeProgrammer用於晶片上的RAM和記憶體的Programming。

在硬體層面,ST則提供了開發板和與PCB設計相關的支援,還有STM32CubeMX可以調整腳位、時脈樹,以及DRAM和SoC之間的時脈和性能調整。總而言之,無論是軟體還是硬體,STM32MP2的SoC生態系統已經相當成熟了。

STM32 MPU嵌入式軟體
 

除了SoC的生態系統外,在整個STM32MP2系列中,ST也提供了與雲端連接的生態系統。隨著越來越多的物聯網裝置需要與雲端進行連接,STM32生態系統也已經準備就緒。此外,ST還提供了多種擴充包,包括NFC、GPS,以及AI、Real Time Control等生態系統。

總結

ST 是少數幾家能夠同時提供 MCU 和無線 MCU 的公司之一。楊正廉表示,STM32未來的產品將會繼續採用最先進的Arm Cortex-M內核心。這將為機器學習和數位訊號處理提供更強大的運算性能。還會持續增加更大容量的記憶體,以及更快速、靈活的外部記憶體介面。此外,ST也專注於整合先進的安全功能,透由專業認證,以滿足客戶在安全性方面的要求。ST的目標是提供一個廣泛的產品組合,滿足市場絕大部分的需求。

 

 

 

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