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  超低功耗MCU微控制器是微控制器的一个细分市场，主要针对便携式设备、电池供电、能源采集等需要低能耗工作的电子产品。通常低功耗微控制器采用不同的设计方法和工艺选择，降低微控制器的能耗和漏电流，使微控制器能够长时间工作，为电池或能源采集提供更持久的耐久性。

  物联网进入工业和消费领域，市场需求快速增长

  近年来，物联网应用逐渐进入工业和消费领域，特别是在水气热表、可穿戴设备、医疗电子、智能家居、远程测控、无线传感等应用中，产生了大量的低功耗需求。如果连续血糖监测器要求电池寿命超过14天;物流监测定位器要求电池寿命超过3个月;智能水表要求电池寿命超过6年;山体滑坡监测器要求环境自供电永久寿命等。这些应用程序使用电池供电或通过环境能量收集工作，需要几个月甚至几年的寿命，因此功耗已成为这些应用程序最关键的限制因素。低功耗微控制器作为主要控制器件，在物联网应用中发挥着至关重要的作用。其功耗指标的技术创新将促进物联网应用的快速发展，并产生许多新的产品形式和应用场景。

  2019年低功耗微控制器市场规模为44亿美元，预计到2024年将增长至129亿美元，年复合增长率为24.1%。据相关资料预测，低功耗微控制器约占全球微控制器市场份额的15%~20%。在过去的五年里，ST微控制器的全球份额几乎翻了一番，到目前为止，STM32的低功耗微控制器已经出货了20多亿台。随着泛智能应用和物联网的快速发展，低功耗微控制器市场将继续扩大，这一比例将进一步提高。

  不同厂家的工作模式不同，但行业评价标准趋于统一

  不同的应用场景对微控制器的功能、性能和功耗有很大的不同。有些场景需要全速工作，有些场景需要低速工作，有些场景只需要间歇工作。对于这些不同的应用场景，制造商进行了精细的设计，以支持不同的操作模式和不同深度的休眠模式。但对于不同工作模式的设计和定义，不同的微控制器制造商有不同的设计和命名，因此很难直观地比较产品之间的功耗特性。

  为了更好地评价低功耗微控制器的功耗特性，嵌入式微处理基准协会(EEMBC)于2014年3月提出了ULPMark标准，旨在为开发人员提供可靠合理的微控制器能效测量方法。该标准支持ULPMark-CoreProfile和ULPMark-Peripheralprofile两个版本。

  ULPMark-CoreProfile:专注于MCU的核心测试。该测试基准规定了10个1秒的处理周期，每个处理周期MCU需要完成指定的通用操作任务，然后才能进入睡眠状态。最后，以10个周期的平均能耗作为评估芯片功耗水平的依据，给出ULPMark-CP的分数。该分数充分反映了芯片的运行功耗、睡眠功耗和模式切换过程功耗，从而全面准确地评价芯片的功耗指标。

  ULPMark-PeripheralProfile:专注于MCU常用的外设测试，包括脉宽调制(PWM)、模数转换(ADC)、串行外设接口(SPI)和实时时钟(RTC)。该测试基准规定了10个1秒的处理周期，每个处理周期将按要求使用ADC、SPI、PWM、RTC等外设。任务完成后，内核和外设可以进入睡眠状态。最后，根据10个周期内的平均能耗来评估芯片的功耗水平，给出ULPMark-PP的分数。

  ULPMark提供了一个标准化的测试基准，可以对微处理器的不同工作模式进行综合评将测试结果数字化，具有直观的可比性。该测试基准得到了微控制制造商的广泛认可，国际主要的MCU制造商都是其成员，使用ULPMark标准来评估产品的功耗，并将相应的运行点上传到EEMBC的ULPMark运行点列表中。该列表向公众公开，您可以直接登录该网站。

  国内外大厂相继布局，低功耗技术各显神通

  鉴于广阔的市场前景和强劲的发展趋势，大多数半导体制造商都在努力在低功耗领域进行布局。如何实现低功耗微控制器，制造商展示自己的魔力，努力将功耗指标推向极端。

  国际厂商在低功耗领域布局较早，已经形成了ST支持STM32L1、STM32L0、STM32L4、STM32L4、STM32L4+、STM32L5等多系列产品布局。其他厂商，如Microchip、SiliconLab、TI等，也有自己的低功耗系列产品。

  近两年来，国际厂商逐步推出超低功耗系列产品，扩大智能物联网的应用范围。如瑞萨半导体RE系列、意大利半导体STM32U5系列、AmbiqmicroApollo系列等。基于现有低功耗技术、低功耗应用和低功耗IP的积累，从工艺、设计方法等方面寻求技术突破，先后推出了超低功耗产品系列。

  瑞萨半导体于2019年底推出了超低功耗微控制器RE系列。该芯片采用瑞萨独特的SOTB(Siliconthinburiedoxide)工艺，可同时降低运行功耗和待机功耗。RE系列微控制器的电流消耗可低至25μA/至25μA/MHz，待机状态下可低至400na。这种超低功耗指标可以显著延长嵌入式设备的电池寿命。该芯片可用于自供电应用，用户可以通过从环境中收集能量(如光、振动或液体流动)来提供动力，从而实现智能设备的永久寿命。

  意大利半导体凭借其丰富的低功耗技术储备和低功耗市场的积累优势，于2021年推出了超低功耗旗舰产品STM32U5系列。该芯片采用全新的40nm工艺，集成了先进的DC/DC电压动态转换器，将动态功耗降低到19uA/MHz以下。此外，STM32U5还采用动态电压调节技术、独特的STARTAcelerator访存加速技术，支持越来越灵活的低功耗模式，确保在不同应用场景下具有竞争力的功耗指标。

  AmbiqMicro是一家专注于超低功耗的MCU制造商，其Apollo系列引领了超低功耗MCU的新方向。Apollo系列基于亚阈值功率优化技术(SPOT)平台，运行功耗可低至6ua/MHz，是全球同类产品中运行功耗最低的微控制器。亚阈值功率优化技术(SPOT)是目前实现超低功耗最有效的技术，使晶体管能够在远低于标准的电压水平下工作，从而大大降低芯片功耗。因此，其解决方案实现了功耗改进的跨越式改进。

  国内MCU制造商进入该行业较晚，无法与国外制造商相比，从产品型号的类型和关键技术的积累。国内大多数32家MCU制造商仍处于填补主流型号的阶段，只有少数制造商真正拥有低功耗系列型号。但令人欣慰的是，近年来，一些国内制造商已经开始布局低功耗领域，增加了对低功耗微控制器的研发投资，并推出了具有竞争力的产品型号。

  赵毅创新作为国内32位微控制器的领导者，于2021年10月推出了首款低功耗微控制器GD32L233系列。该芯片基于ARMCortex-M23核心，采用40nm超低功耗(ULP)工艺，采用多电压域低功耗设计方法，集成专门优化的低功耗模拟IP。据报道，该芯片的运行功耗最低为66ua/mHz，深度睡眠模式最低为2ua。适用于工业表计、小型消费电子设备、便携式个人健康监测设备、环境监测传感器等能效敏感应用。

  华大半导体在低功耗32位微控制产品的研发中布局较早，先后推出了HC32L110、HC32L130、HC32L136产品系列。该系列芯片基于Cortex-M0+核心，采用华虹宏力110nm超低漏电(ULL)嵌入式闪存技术和多电源领域低功耗设计方法。芯片运行功耗为130ua/mHz，深度睡眠模式最低为0.9ua，适用于传感器、火灾探头、智能门锁、无线烟雾、智能表计、便携式医疗电子、数据采集和传输等应用领域。

  中科芯瑞是一家专注于低功耗MCU的国内制造商，今年5月推出了XRM32UL051系列。芯片采用独特的亚阈值技术和异步电路技术，基于Cortex-M0+核心和超低漏电的先进工艺，运行模式功耗低至20ua/MHz，深度睡眠功耗低至0.7ua。该功耗指标接近国际制造商(意大利法、瑞萨)的最新产品指标，适用于智能门锁、智能表计、便携式医疗电子等传统低功耗应用领域，支持环境自采集应用，实现设备的长期寿命。

  芯片采用的亚阈值技术和异步电路技术是世界上最先进的低功耗设计技术，是环境能源采集自供电应用程序实现超低功耗芯片的最有效手段。目前，中科芯瑞XRM32UL051已通过ULP-Mark评估，评估得分高达451分，在世界同类核心中排名第一。

  低功耗MCU有助于促进我国消费电子产业的发展

  超低功耗MCU在可穿戴电子、便携式医疗电子、传感器终端、远程测控等物联网应用中，智能、小型化、轻重量、长寿命是终端节点不断追求的目标，低功耗是实现这一目标的最关键因素。低功耗MCU作为终端节点的核心控制器件，在工业发展中发挥着至关重要的作用。近两年来，随着国内MCU制造商开始布局低功耗MCU，更多的低功耗MCU产品加速了各种创新终端产品的出现，促进了行业的快速发展和升级。