微控制單元（MCU），又稱單片微型計算機或者單片機。簡單說，微控制單元就是在單個芯片上，集成計算機的各個部件，例如處理器、存儲器、多種I/O接口，形成芯片級別的計算機。

 

英特爾8051芯片的微架構(gòu)（圖片來源：維基百科）

 

單個芯片上集成的功能與組件，可根據(jù)不同應(yīng)用場景進行裁剪。如今，我們身邊隨處可見微控制單元的身影，例如手機、工業(yè)設(shè)備、機器人、汽車電子等。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）蓬勃發(fā)展，微控制單元也成為了許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵元件。

 

 

 

可是，許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對于供電的要求都非常嚴格，例如分布在橋梁或隧道中檢測位移形變的傳感器節(jié)點，它們的數(shù)量非常龐大，只能依靠電池供電，要求電池具有很長的續(xù)航時間。因此，為了適應(yīng)這些傳感器節(jié)點，微控制單元就需要具備低功耗、高性能。傳感器節(jié)點提取和采集的信息，需要經(jīng)過微控制單元處理之后，再傳輸至基于云的數(shù)據(jù)中心。

世界各國的科學(xué)家們一直都在積極為傳感器節(jié)點研發(fā)各種低功耗的微控制單元?？墒?，迄今為止，他們所期望的運行速度、信號處理吞吐量以及低功耗，一直都沒有得到很好的實現(xiàn)。

 

之前制造的MCU與這項工作的性能對比（圖片來源：日本東北大學(xué)）

 

創(chuàng)新

近日，日本東北大學(xué)的研究人員們宣布，他們開發(fā)出一種非易失性的微控制單元，這種微控制單元利用基于自旋電子學(xué)的超大規(guī)模集成電路（VLSI）設(shè)計技術(shù)，同時實現(xiàn)了高性能和超低功耗。

 

制造成的微處理單元芯片的圖片（圖片來源：IEEE）

 

該研究團隊由Tetsuo Endoh 教授、Takahiro Hanyu 教授、Masanori Natsui 副教授領(lǐng)導(dǎo)。

技術(shù)

在新開發(fā)的基于自旋電子學(xué)的微控制單元中，所有的模塊都是采用自旋電子學(xué)設(shè)備制作，具有非易失性。此外，獨立控制每個模塊供電的方式完全避免了功耗的浪費。

 

基于自旋電子學(xué)的非易失性MCU的超低功耗表現(xiàn)（圖片來源：日本東北大學(xué)）

 

此外，一個可加速整個系統(tǒng)的存儲控制器，緩解了邏輯器件與存儲器件之間的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題。一個可重新配置的加速器模塊加入進來，用于執(zhí)行應(yīng)用程序特定的信號處理任務(wù)。這些變化使得微控制單元，在200MHz的高速運行頻率下，實現(xiàn)了47.14μW的超低功耗。制造成的芯片的測量結(jié)果確認了這一成果。

價值

對于通過采集能量供電（從外部能量源例如太陽能和熱能獲取能量）的高功能物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點來說，這個微控制單元芯片提供了世界上最高的處理性能和能量效率。