背景

　　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（圖片來源：維基百科）

　　單個芯片上集成的功能與組件，可根據不同應用場景進行裁剪。如今，我們身邊隨處可見微控制單元的身影，例如手機、工業設備、機器人、汽車電子等。隨着物聯網（IoT）蓬勃發展，微控制單元也成爲了許多物聯網設備的關鍵元件。

　　可是，許多物聯網設備對於供電的要求都非常嚴格，例如分佈在橋樑或隧道中檢測位移形變的傳感器節點，它們的數量非常龐大，只能依靠電池供電，要求電池具有很長的續航時間。因此，爲了適應這些傳感器節點，微控制單元就需要具備低功耗、高性能。傳感器節點提取和採集的信息，需要經過微控制單元處理之後，再傳輸至基於雲的數據中心。

　　世界各國的科學家們一直都在積極爲傳感器節點研發各種低功耗的微控制單元。可是，迄今爲止，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。

　　之前製造的MCU與這項工作的性能對比（圖片來源：日本東北大學）

　　創新

　　近日，日本東北大學的研究人員們宣佈，他們開發出一種非易失性的微控制單元，這種微控制單元利用基於自旋電子學的超大規模集成電路（VLSI）設計技術，同時實現了高性能和超低功耗。

　　製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 副教授領導。

　　技術

　　在新開發的基於自旋電子學的微控制單元中，所有的模塊都是採用自旋電子學設備製作，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。

　　基於自旋電子學的非易失性MCU的超低功耗表現（圖片來源：日本東北大學）

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

　　價值

　　對於通過採集能量供電（從外部能量源例如太陽能和熱能獲取能量）的高功能物聯網傳感器節點來說，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。

　　關鍵字

　　物聯網、自旋電子、芯片

　　參考資料

　　【1】https://www.tohoku.ac.jp/en/press/research20190218_MCU.html