微控制器的可靠度、功耗與運算速度三大效能仍在持續提升，透過先進製程、晶片設計、以及位元升級三種管道，廠商可有效增強微控制器效能。不過，技術的研發往往須耗費龐大資金，而廠商的技術實力往往正是效能提升一大關鍵，因此隨著高效能微控制器的需求來臨，廠商的技術能力與營運規模也將面臨重大考驗。
熱門與新興市場的需求與智慧化功能的演進，讓微控制器市場的年成長率不斷向上攀升，而另一方面，也讓微控制器在高可靠度、低功耗、以及高運算速度三大效能的需求規格呈現三級跳。
高可靠度/低功耗/高運算速度微控制器效能需求升溫
微控制器的主要市場包含通訊、電腦資訊、交通運輸、消費性電子、工業控制、國防航空等領域，上述這些應用對於過去微控制器市場產值的貢獻，就高達百億美元的市場商機。
幾年前，微控制器的單價高，因此主要市場在需要高度運算與控制功能的高階應用市場，如數據機、印表機、引擎控制、遊戲機、雷達探測儀等，當時，可靠度是最被重視的效能，微控制器造成系統損害的誤差率約在6ppm以上。
隨著近年來新興市場如汽車電子、消費性電子、無線通訊等掀起一陣熱潮後，產品功能亦朝多元且複雜化的方向演進，因此，除了可靠度之外，對於微控制器效能又增加在高運算速度方面的要求，以因應產品在智慧化功能的發展，加上可攜式消費性電子市場興起，對於耗電量的需求更高，也迫使微控制器持續往更低功耗的標準邁進。
隨著廠商的技術演進，微控制器可靠度規格亦不斷刷新紀錄，至誤差率最高已可達到0ppm，例如需要更高可靠度規格微控制器的汽車電子應用，在2005年因為改善光阻塗佈，已使得誤差率降至0ppm的水準(圖1)。
在先前微控制器的主要應用市場，8位元及16位元微控制器具有絕大多數的市占率，時至今日，因為新興應用市場對於運算速度的需求有更高的期待，而促使微控制器廠商必須升級原有的8位元、16位元微控制器的運算速度，如從傳統的8位元、8051微控制器，由12個石英晶體振盪器(Crystal Oscillator)週期組合成一個指令週期，目前新型的8051微控制器已進化到類RISC，由一個石英晶體振盪器週期產生一個指令週期，運算速度加快12倍；先前Silicon Labs也將8位元微控制器的核心速率提高至100MIPS，同時讓高達七成的指令在一個時脈週期內完成。
但礙於8位元以及16位元微控制器本身架構上在記憶體等方面的諸多限制，運算速度向上成長的幅度有限。意法半導體台灣分公司產品行銷經理楊正廉表示，新一代的32位元微控制器的運算速度已突破300MIPS，因此8位元微控制器運算速度即使追加到100MIPS，在性價比上將喪失競爭優勢。因此在具有高運算速度需求的應用市場，採用32位元微控制器的比重亦將不斷攀升。
此外，為滿足各種行動裝置、節能應用的需求，微控制器各項功能的耗電量標準也從毫安培(mA)進化到微安培(μA)的規格。而藉由調降每種功能的功耗，可達成減低整體耗電量至最小的目標。
晶片設計、位元升級、先進製程為提升效能路徑
若要達成高可靠度、高運算速度以及低耗電量的要求，廠商會從晶片設計、位元升級與先進製程三大方向著力。
在可靠度的要求上，如元件裸測EFT、EMI、ESD等必須符合各領域應用所規定的要求，以減少失誤，此外，在工業控制、汽車電子等領域，還要加上對於溫度須承受在-40～85℃的範圍內仍能正常運作。
若以晶片設計來看，有幾種方式可提高運算速度，第一、升級ARM核心，如意法半導體STR910F即採用ARM9核心，連續指令可透過增加的快閃記憶體執行，因此運算速度提升至96MIPS；加上ARM9支援單一週期(Single Cycle)DSP指令，因此可在快閃記憶微控制器中，展現很好的DSP效能；而ARM9不同於ARM7核心之處，還包括指令與數據可依據分開的兩條外部路徑同時存取；第二、增加時脈速度，但容易產生耗電過量問題；三、改變核心架構，如ARM推出的Cortex-M3，可讓8位元微控制器架構迅速升級為 32位元(圖2)。
若要提高運算速度，除了可藉由晶片功能的設計外，亦可透過位元升級來達成，而通常都是採取投資先進製程的作法。目前32位元微控制器最高製程已進階到90奈米，如瑞薩、意法半導體、飛利浦等國際大廠皆已推出90奈米製程開發的微控制器。
先進製程雖可提高微控制器位元，亦可降低功耗，不過相對的也會面臨到可靠度的風險。因此廠商在進展至先進製程時，亦須要評估本身的技術能力，是否能夠克服因先進製程的技術門檻導致的產品良率降低問題。
至於在降低功耗方面，除了引進先進製程外，也有廠商利用晶片設計獲得改善。
楊正廉提到，意法半導體將等待(Wait)、低速、靜止、待機等5種功能模式的耗電量降至12毫安培，甚至在待機模式耗電量降至10微安培，此外，也運用多元的時脈管理，以降低總體功能運作的耗電量，如在外部元件僅用32MHz運算速度即可驅動整體微控制器運作。
英飛凌汽車、工業及多元化市場事業部微控制器資深總監石敬岩則表示，微控制器的設計若能結合功能強大的周邊，並以低時脈運作，可大幅降低功率耗損，同時維持高效能。
英飛凌整合性極高的微控制器比傳統的解決方案減少40%以上的系統成本。傳統的解決方案除了微控制器外，還包含諸多外部元件，如DSP、PWM ASIC、類比/數位轉換器(ADC)、外部振盪器以及其他元件。
總結以上所述可知，微控制器三大效能的演進，無論採行晶片設計、位元升級與先進製程任何一種，都是可行的方向，有些廠商甚至會雙管齊下，或採三方並進方式提高效能。
效能提升挑戰廠商技術與規模能耐
無論採用何種提升效能路徑，皆牽涉到廠商自身技術能力是否足以應付先進製程、或具備提升技術的實力，除此之外，技術須投資的龐大金額，也攸關廠商本身營運規模的考量。
相較於國際大廠，國內微控制器廠商大多屬於中小型企業的規模，因此在投入先進製程較國外進度落後，光是開發光罩的費用就上達新台幣千萬元，若是規模不夠的公司，恐將無法支付如此鉅額的開銷，而這也是絕大多數台灣廠商對於進階到更高位元微控制器市場裹足不前的主要原因之一。
其二則是因為廠商本身的研發技術能力不足，因此將會面臨效能無法突破的窘境。
目前，國內外廠商推出的產品中，8位元微控制器效能差距不大；但16位元與32位元微控制器，技術則仍以國外廠商較為領先。而即使已經跨入先進製程，技術上亦會面臨諸多挑戰。現今國內外半導體廠商在0.13微米先進製程也出現很大的技術考驗，例如如何克服外部產生2.5伏特以上高電壓時仍不會燒壞IC的寬電壓問題。
事實上，無論技術或規模所面臨的挑戰，微控制器效能的演進仍是永無止境，而隨著未來應用市場不斷擴大，為因應不同類型的市場需求，微控制器的功能發展也將持續擴張。
高整合度/豐富周邊為大勢所趨
從各家廠商推出的產品方案以及下一階段微控制器功能規畫方向即可發現，高整合度與多元周邊功能已成大勢所趨。
楊正廉表示，在意法半導體推出的32位元微控制器，都將會朝向高整合度與減少外部元件的方向(圖3)演進，藉此降低整體微控制器的成本。
而一直以來，微控制器產品廣泛應用於汽車傳動系統及工業控制系統的英飛凌，未來產品規畫亦朝向高整合度的微控制器解決方案發展，將可減少40%以上的系統成本。解決方案除了傳統的微控制器外，還包含許多外部元件，如DSP、PWM ASIC、類比/數位轉換器(ADC)、外部振盪器以及其他元件等。石敬岩提到，廣泛使用電子控制驅動裝置，除了讓系統更可靠穩定外，還可能省下今天全球所消耗電能的20%以上。
此外，石敬岩亦談到，由於次微米及非揮發性記憶體技術的進步，如0.13微米製程的快閃記憶體等，新世代的32位元微控制器將具備數顆處理器整合成共用的處理器如DSP、雙核心，再加上強大的周邊功能，可加強微控制的能力。
英飛凌微控制器豐富的周邊功能包含GPTA、RF等，以及整合具競爭優勢、功能豐富的周邊模組，如馬達控制器模組CCU6E及高速類比/數位轉換器；還有眾多的通訊協定匯流排，包括MCAN、TCAN、LIN、乙太網路等。
楊正廉亦指出，日後微控制器產品整合包括SPI、CAN Bus、USB2.0、I2C、UART等更多的通訊周邊介面功能將成為趨勢。
Silicon Labs微控制器產品行銷總監Ross Bannatyne表示，工程師正面對把更多功能整合到更小空間、同時降低系統總成本和加速產品上市時間的艱巨挑戰。
Silicon Labs微控制器內含完整的類比數位轉換器(ADC)以及數位類比轉換器(DAC)周邊，不但勝過傳統的微控制器周邊，效能更媲美離散式類比解決方案。 Silicon Labs的真正類比功能讓系統設計人員不再需要獨立類比元件，這將帶來更高整合度、更低的系統總成本和更強大的系統效能。Silicon Labs微控制器內建類比功能包括60伏特可程式增益運算放大器、時脈恢復電路與高達16位元的1MSPS類比數位轉換器，這些特色將改變系統設計人員對於系統分割的看法。
縱觀未來廠商投入的產品規畫，勢必持續朝向高整合與更多周邊功能的方向戮力，以迎戰更激烈的競爭。
