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意法半导体中国区微控制器事业部市场及应用总监曹锦东
在超低功耗MCU器件的使用场合中，MCU在相当长的时间内处于standby—也就是待机状态（芯片处于上电状态，电路并未工作），芯片以极低功耗待命，并可以快速唤醒，因此，降低MCU的静态功耗是供应商的优化重点，包括可穿戴、计量设备的在内应用中，透过降低MCU的静态功耗可以大大延长电池使用寿命或更换周期。
但现在，仅仅优化静态功耗已经不够了。
“从我们现在接触的智能手表客户反馈来看，他们对性能有很多的追求，画面的流畅度和操作手表时的顺滑度，都需要低功耗MCU具有相当的性能。而且，现在手表屏幕的分辨率越来越高，有些手表甚至开始用视网膜屏，这种对性能的需求，对低功耗产品来说其实是非常大的挑战” 意法半导体中国区微控制器产品市场经理彭祖年说。
在将静态功耗降低到制造工艺能够达到的极限之后，优化、降低动态功耗成为MCU制造商的新方向。
作为MCU市场的领先厂商，意法半导体（ST）在继超低功耗STM32L系列之后，另外开辟了一条全新的产品线，首款产品被命名为STM32U5，是目前超低功耗MCU的旗舰级产品，以满足穿戴、个人医疗、家庭自动化和工业传感器等对低功耗有严格高要求，并对性能有期待的智能应用设备。
“我们希望从L到U是MCU工业的革新，L5到U5内核是一样的，有些东西是一脉相承过来的。不一样的是工艺上的巨大进步与独特的设计理念” 意法半导体中国区微控制器事业部市场及应用总监曹锦东说。
自2007年ST发布首款基于Cortex-M内核MCU之后，先后推出了STM32L1、L0、L4、L4+、L5等多个系列，其中STM32L4+在中国智能运用手表市场中被广泛使用。
全新的旗舰级U系列采用了40nm工艺，使用ARM Cortex-M33内核，同时将主频提升到了160MHz。除了在低功耗条件下提供高性能，还通过一些独具创新的理念，对MCU的动态功耗进行了优化。
STM32U5超低功耗MCU
挖掘动态功耗的潜能
首批采用40nm工艺制造的STM32U5，在集成度、内部存储、片上闪存等方面有了较大提升，为降低MCU动态功耗，提供了低功耗后台自主模式 (LPBAM)，在这一模式下，直接内存访问 (DMA)控制器和主要外设在没有 CPU 干预的情况下自主运行。升级的 START Accelerator™加速器，可以关闭闲置未用的 MCU 存储器，以及可选的 DC/DC 转换器和低压差 (LDO) 稳压器组合，在这些节能技术的加持下，动态功耗降至 19µA/MHz以下。
(1) DC/DC与LDO组合降功耗
“MCU的内核电压会比VDD低很多。在将电压下拉的过程当中，普通MCU通常会选择成本较低的LDO，LDO是线性降压器件，功耗会有一部分在LDO上转换为热量，这会影响MCU的功耗表现。”
DC/DC最主要的应用场景就是在MCU工作的动态功耗模式下。DC/DC器件通过开关电源的功率转换模式去实现从VDD到内核的降压过程。
“就功耗表现来看，用内部的DC/DC转换内部的MCU供电，就可以获取到最优化的动态功耗，这个功耗可以体现在µA/MHz这个参数上。但是DC/DC也并不完美，由于启动较，所以在一些应用场景下，在上电过程当中会首先选择LDO，等DC/DC稳定之后再迁到DC/DC上。“
STM32U5因此提供了可选DC/DC与LDO组合。
（2）LPBAM将MCU唤醒次数降低10倍
LPBAM模式可以在不唤醒MCU的情况下以及低功耗工作
“STM32U5这款产品设置了一个独特的外设，可以将很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC等等这些外设上的数据，在不唤醒CPU的情况下，搬运至单片机内部一块SRAM，有16kB的空间，当这些数据累计到一定数量时，我们再唤醒Cortex-M33内核进行一次性的批处理。"
通过这项技术，在同样的工作条件下MCU的唤醒次数降低了10倍！
对设计人员来说，ST提供了更多灵活的功耗模式可选。
“一个比较经典的应用场景是Stop模式，同时保存部分SRAM或者全部SRAM当中的数据。这样的状态下，功耗是个位数的µA值。”
（3）对Flash功耗的进一步管控
尤其值得一提的是，针对片上存储系统的功耗管控。
STM32U5内部的Flash采用双bank设计，设计人员可以将一个不常用的bank在低功耗模式下断电，可节省40微安左右的电流功耗，但是当指令跳转到被断电的Flash Bank上时，系统又可自动唤醒，只需要等待5微秒的延时。
如果还想更省电一点？设计人员可以通过降低内部Flash读取速度方式去让存储系统进入低功耗模式，这样做大概可以减少系统45微安的能耗。
“结合多种多样的低功耗模式的设计，以及多种省电小技巧，只要设计人员能够玩转STM32U5提供的小设计，就可以将功耗管理做到极致！” 彭祖年强调。
针对超低功耗产品的性能评估，STM32U5与前几代STM32超低功耗产品线进行的对比显示。STM32U5系列已经达到了240DMIPS和651Coremark的性能评分。
同时，为了进一步挖掘性能，STM32U5还设计了数学运算加速器、ART加速器，以辅助和加速整个芯片内部运算系统的效率同时还提供了高达2MB的片上存储容量，14位ADC还有多功能数字滤波器(MDF)等功能。
LPBAM与ADF联合提供超低功耗AI语音应用
STM32U5多功能数字滤波器(MDF)和音频数字滤波器(ADF)取代了意法半导体久经考验的Sigma-Delta调制数字滤波器(DFSDM)。极大提高了声音检测功能，通过提高声音活动检测性能，这些功能让用户能够将AI集成到基于低成本、低功耗微控制器的应用场景。
将LPBAM低功耗后台自主模式与ADF联合一起使用，可以进一步压缩语音场景的功率消耗。
“如系统外接一个麦克风，这时数据在LPBAM模式下通过ADF滤波之后，被送到SRAM中，也就是芯片在低功耗模式下的语音唤醒，当它的数据内容超过一定的阈值之后，我可以通过LPBAM来唤醒我的系统，但在整个环境声音的监测过程当中，系统一直处于低功耗的模式下。”
市场需要更安全的MCU
STM32U5基于Cortex-M33的内核，天生支持TrustZone隔离架构。
“在STM32U5这款产品上，单单内核的隔离或TrustZone的支持是不够的。针对于产品内部的存储、总线以及外设都做了隔离配置的设计。“
除了隔离之外，STM32U5还增加了更多的安全加密的功能，以及全程可控的多层保护状态机。存储保护也做了全新的更新，针对内部存储防篡改，增加了OTP空间，还有更多的主动式防侵犯的active tamper的设计等等。
“在这样的完整的安全设计下，我们的Secure Boot安全启动也可以让用户的安全架构设计能够获得不可变的稳定的信任根。最终，我们的产品通过PSA Level3认证。这也是目前所有STM32产品当中首款可以通过三级安全认证的产品。“
功耗是持续挑战
从过去的110nm到90nm到现在40nm的工艺，STM32系列MCU出货量超过20亿颗。STM32系列MCU透过工艺进步带来动态功耗的节约，但是静态功耗却刚好相反，会随着工艺的进步而上升。STM32U5在涉及静态功耗的多个方向上进行了优化调整，使其静态功耗沿袭了L系列有益的表现。
“在外设方面我们也做了更精确的设计，因为我们不能仅仅只靠工艺，也不能只靠内容，因为外设也对功耗也产生很大的影响。这是系统性的问题。ST也经过超过十年的MCU低功耗设计经验，也是一步步叠加我们的经验。所以，在市场上，我们一直对低功耗的产品，对客户的用户体验以及能不能达到他整个系统低功耗的性能还是很有信心的。可以看到STM32U5的系统复杂性比以往更高，要保持同样的主频上，功耗要更低其实是很难的挑战。”曹锦东说。
附录：STM32U5官方资源
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