超低功耗MCU是怎样炼成的?
低功耗与高性能、高集成度、低成本一起，一直是各大半导体厂商追逐的目标，特别是微控制器（mcu）这样的智能芯片，每次发布的新器件，其功耗总是在逐步递减。但是随着物联网和可穿戴设备的“疯狂入侵”，循序渐进式的功耗优化已经不再是超低功耗mcu的游戏规则，而是“突飞猛进”模式，与功耗相关的很多指标（如ulpbench得分）都不断刷新记录，而记录的保持者往往只能“笑傲江湖”几个月甚至几天，就被竞争者ko。
总地来说，厂商们都是在内核架构、多种工作模式和休眠模式、优化的外围设备（如adc）及其时钟需求、多样的电源范围这些方面进行重点研究，以降低功耗。
本文以意法半导体（st）stm32l4、爱特梅尔（atmel） saml21j18a、德州仪器（ti） simplelink c26xx以及基于 cortex-m4f的msp432、恩智浦（nxp） lpc54102以及在中国名不见经传的ambiq micro apollo系列为例，看看它们的低功耗究竟是怎样炼成的！
1.意法半导体stm32l4系列（stm32l476）
低功耗性能：动态运行功耗低至100 μa/mhz;关闭时最低电流为30 na，唤醒时间：为5 μs
ulpbench得分：123.5
内核：80 mhz arm cortex-m4核+dsp+浮点运算单元 （fpu）
coremark/mhz：3.42
低功耗原因：art加速器、flash零等待执行、动态电压调节、flexpowercontrol智能架构，7种电源管理模式（运行、低功耗运行、睡眠、低功耗睡眠、停止1、停止2、待机、关闭）。还有st的batch acquisition mode（bam），其允许在低功耗模式下与通信接口足够的数据交换。flexpowercontrol是在低功耗模式时保持sram待机，为特定外设和i/o管理独立电源。
工作模式功耗分解：
动态运行功耗： 低至100 μa/mhz;
超低功耗模式： 30 na 有后备寄存器而不需要实时时钟（5个唤醒引脚）;
超低功耗模式+rtc： 330 na 有后备寄存器 （5个唤醒引脚）;
超低功耗模式+32 kb ram： 360 na;
超低功耗模式+32 kb ram+rtc： 660 na。
软件：
意法半导体公司为开发者提供stm32 cube mx功率模拟器，来估算所使用的意法mcu 在执行代码时的功率。
ulpbench测试环境：stm32 nucleo
2.atmel saml21系列（saml21j18a-ues）
低功耗性能：只消耗35 ma/mhz，睡眠模式下只有200 na
ulpbench得分：185.8
内核：arm cortex-m0+
低功耗原因：5种不同的电量范围使用不同的资源，以提高能效;分别为cpu和外围设备创建一个irq线索，以实现分层中断。其他原因还包括以下几点：
空闲、待机、备用、睡眠模式;
sleepwalking接口;
静态和动态功率门控结构;
后备电池支持;
两种性能水平;
embedded buck/ldo稳压器支持实时动态的选择;
低功耗接口。
ulpbench测试环境：saml21 xplained rev2
------------------------
批量验证神器：fpga 现代硬件仿真平台，点击即可下载技术白皮书
3.ti simplelink c26xx 无线mcu（cc2650f128rgz）
低功耗性能：峰值电流为2.9 ma，睡眠电流少于0.15 µa
ulpbench得分：143.6
coremark/mhz：61 ua
内核：cortex-m3
特点：唯一一款集成超低功耗传感器控制器的mcu，支持5种标准：bluetooth、sub-1 ghz、6lowpan、zigbee和zigbee rf4ce。
低功耗原因：功率优化的射频
工作模式功耗分解：
处理状态：在48 mhz时峰值电流为2.9 ma;
通信状态：接收的峰值电流为5.9 ma，发送时的峰值电流为6.1 ma;
睡眠状态：传感器控制器消耗电流为8.2 ua/mhz，支持实时时钟（rtc）和完全存储器保持的睡眠模式，电流为1 µa。
4.ti msp432
低功耗性能：主动模式电流）为95 µa/mhz 、睡眠模式电流（支持rtc）为850 na 、从待机模式唤醒的时间小于 10 µs
ulpbench得分：167.4
内核：cortex-m4f
coremark：3.41/mhz
低功耗原因：
与ldo相较，集成dc/dc可节省40%的功耗;
继承msp430优质低功耗dna;
借助可选的ram保持，每个ram段的流耗可节省30 na;
当使用14位 adc，以1 msps的速度运行采样传感器时能耗最低 （375 µa）;
driverlib in rom最多比闪存节省 35% 的能耗。
软件特点：energytrace技术，实时电源测量和调试，生成应用能源曲线，包括电流和cpu状态。
5.nxp lpc54102
低功耗性能：100 mhz cortex-m0+内核：55 µa/mhz，用于监听、数据采集以及管理;100 mhz cortex-m4f内核：100 µa/mhz，用于传感器信息处理和数据通信。
内核：arm cortex-m0+&cortex-m4f双核。
低功耗原因：不同传感器数据管理方式不同，有两个核（cortex-m0+和cortex-m4f）来处理不同数据;在每个处理数据节点只调用最低数据处理能力;三种工作模式;高能效adc。
工作模式功耗分解：
（1）监听模式，即掉电模式，且无cpu处理，但具有ram保留功能，此时功耗仅为3 µa。
（2）读取模式（i2c和adc，12 mhz cpu时速率为10 s/s），这种模式用于监听、数据采集以及管理等非数据密集型应用。此时，lpc54100中只有cortex m0+在运行，功耗为55 µa/mhz。
（3） 算法处理（80 mhz cpu时每秒一次），这种模式用于传感器信息处理和数据通信等数据密集型应用。此时，lpc5412中的cortex-m4f核工作，其功耗为100 µa/mhz。竞争产品在第2和第3种模式时，都是采用cortex-m4f核工作，功耗为112 µa/mhz。
高能效adc特点：在任何电压下（1.62 v~3.6 v），都能实现最高性能，达到12位 4.8 ms/s。而其他竞争对手产品中内置的adc速率只有2.4 ms/s，而且必须是在高电压下。
6.ambiq micro apollo系列
ambiq可能大家还不熟悉，其是由arm、cisco等投资的初创单片机公司。
低功耗性能：工作电流为30 ma/mhz，平均睡眠模式电流低至100 na。
内核：arm cortex-m4f
特点：在真实世界应用中，其功耗通常比性能相近的其他mcu产品降低5至10倍，apollo mcu的独特之处是能同时优化工作和睡眠模式功率，在执行来自闪存的指令时，其功耗低至行业领先的30 ma/mhz，并且具有低至100 na的平均睡眠模式电流，而这种极低的功耗不会影响性能。片上资源包括一个10位的13通道1ms/s adc和一个精度为±2ºc的温度传感器。有12个中断的唤醒中断控制器。
低功耗原因：
ambiq使用专利亚阈值功率优化技术（subthreshold power optimized technology， spot）平台来实现惊人的功耗降低。
spot 平台采用在亚阈值电压（低于0.5 v）下运作的晶体管，而不是使用一直在1.8 v下保持“开启”的晶体管。该平台使用“关闭”晶体管的泄漏电流来进行数字和模拟领域内的计算，这项专利技术使用业界标准cmos工艺来实施，克服了先前与亚阈值电压切换相关的噪声敏感性、温度灵敏度和工艺漂移挑战。
从上面几个代表，相信你大概知道超低功耗mcu到底是怎样炼成的，而超低功耗mcu白热化竞争的好戏或许才刚刚开始，谁也不能确定一个最低界限，谁也不能保证自己是最后的低功耗终结者，受益者还是我们广大工程师、最终产品使用者以及整个物联网产业。
------------------------
批量验证神器：fpga 现代硬件仿真平台，点击即可下载技术白皮书
人工智能如何使加密货币交易更安全
运动耳机哪个牌子好，骨传导运动耳机排名推荐
FPGA实现30倍速度云加速的方法
嵌入式视觉系统与标准视觉系统有什么区别
适合C语言小白看的基础知识梳理总结
超低功耗MCU是怎样炼成的?
iPhone8发布会已结束：iPhone8上市多少钱？请收下这份最新最全的iPhone指南 不看发布会也能掌握第一手资料
迈瑞基于ZST+域光平台及域成像技术的 Resona 7高端彩色多普勒超声系统
魅族21开售！超窄四等边，99%好评率，性价比超高！
中芯国际的股票评级从“中性”调至“增持”
场效应管的工作原理和种类
洗衣机漏电的原因
如何选择合适水下应用的集成电缆传感器？
红外遥控器综合测试装置的设计
AI机器人在金融领域的应用介绍及可能会遇到哪些难点
220v感应加热电路图大全（LM339N/串联谐振回路感应加热电路详解）
带电压保护的LDO追踪电路
Orcad Capture元件如何快速的重新编号
DigiKey新品Omron EMC B5W-LB聚光反射式传感器介绍
华为Nova 8SE手机有什么特别之处?
总地来说，厂商们都是在内核架构、多种工作模式和休眠模式、优化的外围设备（如adc）及其时钟需求、多样的电源范围这些方面进行重点研究，以降低功耗。
本文以意法半导体（st）stm32l4、爱特梅尔（atmel） saml21j18a、德州仪器（ti） simplelink c26xx以及基于 cortex-m4f的msp432、恩智浦（nxp） lpc54102以及在中国名不见经传的ambiq micro apollo系列为例，看看它们的低功耗究竟是怎样炼成的！
1.意法半导体stm32l4系列（stm32l476）
低功耗性能：动态运行功耗低至100 μa/mhz;关闭时最低电流为30 na，唤醒时间：为5 μs
ulpbench得分：123.5
内核：80 mhz arm cortex-m4核+dsp+浮点运算单元 （fpu）
coremark/mhz：3.42
低功耗原因：art加速器、flash零等待执行、动态电压调节、flexpowercontrol智能架构，7种电源管理模式（运行、低功耗运行、睡眠、低功耗睡眠、停止1、停止2、待机、关闭）。还有st的batch acquisition mode（bam），其允许在低功耗模式下与通信接口足够的数据交换。flexpowercontrol是在低功耗模式时保持sram待机，为特定外设和i/o管理独立电源。
工作模式功耗分解：
动态运行功耗： 低至100 μa/mhz;
超低功耗模式： 30 na 有后备寄存器而不需要实时时钟（5个唤醒引脚）;
超低功耗模式+rtc： 330 na 有后备寄存器 （5个唤醒引脚）;
超低功耗模式+32 kb ram： 360 na;
超低功耗模式+32 kb ram+rtc： 660 na。
软件：
意法半导体公司为开发者提供stm32 cube mx功率模拟器，来估算所使用的意法mcu 在执行代码时的功率。
ulpbench测试环境：stm32 nucleo
2.atmel saml21系列（saml21j18a-ues）
低功耗性能：只消耗35 ma/mhz，睡眠模式下只有200 na
ulpbench得分：185.8
内核：arm cortex-m0+
低功耗原因：5种不同的电量范围使用不同的资源，以提高能效;分别为cpu和外围设备创建一个irq线索，以实现分层中断。其他原因还包括以下几点：
空闲、待机、备用、睡眠模式;
sleepwalking接口;
静态和动态功率门控结构;
后备电池支持;
两种性能水平;
embedded buck/ldo稳压器支持实时动态的选择;
低功耗接口。
ulpbench测试环境：saml21 xplained rev2
------------------------
批量验证神器：fpga 现代硬件仿真平台，点击即可下载技术白皮书
3.ti simplelink c26xx 无线mcu（cc2650f128rgz）
低功耗性能：峰值电流为2.9 ma，睡眠电流少于0.15 µa
ulpbench得分：143.6
coremark/mhz：61 ua
内核：cortex-m3
特点：唯一一款集成超低功耗传感器控制器的mcu，支持5种标准：bluetooth、sub-1 ghz、6lowpan、zigbee和zigbee rf4ce。
低功耗原因：功率优化的射频
工作模式功耗分解：
处理状态：在48 mhz时峰值电流为2.9 ma;
通信状态：接收的峰值电流为5.9 ma，发送时的峰值电流为6.1 ma;
睡眠状态：传感器控制器消耗电流为8.2 ua/mhz，支持实时时钟（rtc）和完全存储器保持的睡眠模式，电流为1 µa。
4.ti msp432
低功耗性能：主动模式电流）为95 µa/mhz 、睡眠模式电流（支持rtc）为850 na 、从待机模式唤醒的时间小于 10 µs
ulpbench得分：167.4
内核：cortex-m4f
coremark：3.41/mhz
低功耗原因：
与ldo相较，集成dc/dc可节省40%的功耗;
继承msp430优质低功耗dna;
借助可选的ram保持，每个ram段的流耗可节省30 na;
当使用14位 adc，以1 msps的速度运行采样传感器时能耗最低 （375 µa）;
driverlib in rom最多比闪存节省 35% 的能耗。
软件特点：energytrace技术，实时电源测量和调试，生成应用能源曲线，包括电流和cpu状态。
5.nxp lpc54102
低功耗性能：100 mhz cortex-m0+内核：55 µa/mhz，用于监听、数据采集以及管理;100 mhz cortex-m4f内核：100 µa/mhz，用于传感器信息处理和数据通信。
内核：arm cortex-m0+&cortex-m4f双核。
低功耗原因：不同传感器数据管理方式不同，有两个核（cortex-m0+和cortex-m4f）来处理不同数据;在每个处理数据节点只调用最低数据处理能力;三种工作模式;高能效adc。
工作模式功耗分解：
（1）监听模式，即掉电模式，且无cpu处理，但具有ram保留功能，此时功耗仅为3 µa。
（2）读取模式（i2c和adc，12 mhz cpu时速率为10 s/s），这种模式用于监听、数据采集以及管理等非数据密集型应用。此时，lpc54100中只有cortex m0+在运行，功耗为55 µa/mhz。
（3） 算法处理（80 mhz cpu时每秒一次），这种模式用于传感器信息处理和数据通信等数据密集型应用。此时，lpc5412中的cortex-m4f核工作，其功耗为100 µa/mhz。竞争产品在第2和第3种模式时，都是采用cortex-m4f核工作，功耗为112 µa/mhz。
高能效adc特点：在任何电压下（1.62 v~3.6 v），都能实现最高性能，达到12位 4.8 ms/s。而其他竞争对手产品中内置的adc速率只有2.4 ms/s，而且必须是在高电压下。
6.ambiq micro apollo系列
ambiq可能大家还不熟悉，其是由arm、cisco等投资的初创单片机公司。
低功耗性能：工作电流为30 ma/mhz，平均睡眠模式电流低至100 na。
内核：arm cortex-m4f
特点：在真实世界应用中，其功耗通常比性能相近的其他mcu产品降低5至10倍，apollo mcu的独特之处是能同时优化工作和睡眠模式功率，在执行来自闪存的指令时，其功耗低至行业领先的30 ma/mhz，并且具有低至100 na的平均睡眠模式电流，而这种极低的功耗不会影响性能。片上资源包括一个10位的13通道1ms/s adc和一个精度为±2ºc的温度传感器。有12个中断的唤醒中断控制器。
低功耗原因：
ambiq使用专利亚阈值功率优化技术（subthreshold power optimized technology， spot）平台来实现惊人的功耗降低。
spot 平台采用在亚阈值电压（低于0.5 v）下运作的晶体管，而不是使用一直在1.8 v下保持“开启”的晶体管。该平台使用“关闭”晶体管的泄漏电流来进行数字和模拟领域内的计算，这项专利技术使用业界标准cmos工艺来实施，克服了先前与亚阈值电压切换相关的噪声敏感性、温度灵敏度和工艺漂移挑战。
从上面几个代表，相信你大概知道超低功耗mcu到底是怎样炼成的，而超低功耗mcu白热化竞争的好戏或许才刚刚开始，谁也不能确定一个最低界限，谁也不能保证自己是最后的低功耗终结者，受益者还是我们广大工程师、最终产品使用者以及整个物联网产业。
------------------------
批量验证神器：fpga 现代硬件仿真平台，点击即可下载技术白皮书
人工智能如何使加密货币交易更安全
运动耳机哪个牌子好，骨传导运动耳机排名推荐
FPGA实现30倍速度云加速的方法
嵌入式视觉系统与标准视觉系统有什么区别
适合C语言小白看的基础知识梳理总结
超低功耗MCU是怎样炼成的?
iPhone8发布会已结束：iPhone8上市多少钱？请收下这份最新最全的iPhone指南 不看发布会也能掌握第一手资料
迈瑞基于ZST+域光平台及域成像技术的 Resona 7高端彩色多普勒超声系统
魅族21开售！超窄四等边，99%好评率，性价比超高！
中芯国际的股票评级从“中性”调至“增持”
场效应管的工作原理和种类
洗衣机漏电的原因
如何选择合适水下应用的集成电缆传感器？
红外遥控器综合测试装置的设计
AI机器人在金融领域的应用介绍及可能会遇到哪些难点
220v感应加热电路图大全（LM339N/串联谐振回路感应加热电路详解）
带电压保护的LDO追踪电路
Orcad Capture元件如何快速的重新编号
DigiKey新品Omron EMC B5W-LB聚光反射式传感器介绍
华为Nova 8SE手机有什么特别之处?