低功耗微控制器是微控制器的一個細分市場，主要面向便攜式裝置、電池供電、能量采集等需要低能耗工作的電子産品。通常低功耗微控制器都采用了與通用微控制器不同的設計方法和工藝選擇，以降低微控制器的能耗和漏電流，進而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下，可以工作更長的時間，為電池或能量采集等方式供電的裝置提供更持久的續航能力。
IoT進入工業和消費領域，市場需求增長迅速
近年來物聯網類應用逐漸走入工業和消費領域，尤其在水氣熱表、穿戴裝置、醫療電子、智能家居、遠端測控、無線傳感等諸多應用中，衍生出大量的低功耗類需求。如連續血糖監測儀要求電池續航14天以上；物流監測定位器要求電池續航3個月以上；智能水表要求電池續航6年以上；山體滑坡監測器要求環境自供電永久續航等等。這些應用采用電池供電或者通過環境能量采集進行工作，同時要求續航時間長達數月，甚至數年，是以功耗成為這類應用最關鍵的制約因素。低功耗微控制器作為主要器件，在物聯網應用中扮演着至關重要的角色，其功耗名額的技術創新将推動物聯網應用的快速發展，并衍生出諸多新的産品形态和應用場景。
低功耗微控制器市場規模2019年為44億美元，預計到2024年将增長到129億美元，年複合增長率（CAGR）為24.1％。根據相關資訊預測，在全球微控制器市場佔有率中，低功耗微控制器約占15%～20％。意法半導體部門副總裁、微控制器事業部Ricardo de SaEarp也表示：“在過去的五年中，ST微控制器全球份額幾乎翻了一倍，STM32低功耗微控制器出貨量迄今超過20億顆。”随着泛智能化應用和物聯網的快速發展，低功耗微控制器的市場将繼續擴大，這個占比還将進一步提升。
工作模式各廠家不同，但行業評價标準已趨于統一
不同的應用場景，對微控制器在功能、性能和功耗的需求有很大的差異。有些場景需要全速工作，有些場景需要低速工作，有些場景隻需要間歇性工作。針對這些不同的應用場景，各廠商都進行了精細化的設計，支援不同的運作模式和不同深度的休眠模式。但對于不同工作模式的設計和定義，不同微控制器廠商的設計和命名各不相同，是以很難直覺的比較産品之間的功耗特性。
為了能更好地評價低功耗微控制器的功耗特性，嵌入式微處理基準協會（EEMBC）在2014年3月提出了ULPMark标準，目标在于為開發人員提供能可靠與合理測量微控制器能效的方法。該标準支援兩個版本：ULPMark-CoreProfile和ULPMark-PeripheralProfile。
ULPMark-Core Profile：側重于MCU的核心測試。這個測試基準規定了10個1秒鐘的處理周期，每個處理周期MCU需要完成指定的通用運算任務，然後可進入睡眠狀态。最終以10個周期的平均能量消耗，作為評估晶片功耗水準的依據，進而給出ULPMark-CP的分數。這個分數充分反映了晶片的運作功耗、睡眠功耗以及模式切換過程的功耗，進而能夠全面準确地評價晶片的功耗名額。
ULPMark-Peripheral Profile：側重于MCU的常用外設測試，包括脈寬調制（PWM）、模數轉換（ADC）、串行外設接口（SPI）以及實時時鐘（RTC）。該測試基準規定了10個1秒鐘的處理周期，每個處理周期内會按照要求使用ADC、SPI、PWM、RTC等外設，任務完成後核心和外設就可以進入睡眠狀态。最終以10個周期内的平均能量消耗，作為評估晶片功耗水準的依據，進而給出ULPMark-PP的分數。
ULPMark提供了一個标準化的測試基準，讓大家能夠對微處理器的不同工作模式進行綜合評估，并且把測試結果數值化，具有直覺的可比性。該測試基準得到微控制廠商的廣泛認可，國際各大MCU廠商均是其會員，采用ULPMark标準進行産品的功耗評測，将相應的跑分上傳EEMBC的ULPMark跑分榜單。該榜單對外公開，可直接登入網站查閱。
國内外大廠先後布局，低功耗技術各顯神通
鑒于廣闊的市場前景和強勁的發展趨勢，各大半導體廠商争先在低功耗領域進行布局。如何實作低功耗微控制器，各廠商各顯神通，力求将功耗名額推向極緻。
國際廠商在低功耗領域布局較早，面向正常低功耗應用領域，均已經形成多系列的産品布局，如ST支援STM32L1、STM32L0、STM32L4、STM32L4+、STM32L5等産品系列。其他如Microchip、SiliconLab、TI等廠商也都有各自的低功耗系列産品。
近兩年，面向環境自供電的超低功耗應用，各國際廠商正在逐漸推出超低功耗系列産品，以拓展智能物聯網的應用範圍。如瑞薩半導體的RE系列、意法半導體的STM32U5系列、Ambiq Micro的Apollo系列等。基于已有的低功耗技術、低功耗應用、低功耗IP的積累，從工藝制程、設計方法等方面尋求技術突破，陸續推出了其超低功耗的産品系列。
瑞薩半導體于2019年底推出其超低功耗微控制器RE系列。該晶片采用瑞薩獨有的SOTB（Silicon onThin Buried Oxide）工藝制程，可同時降低運作功耗及待機功耗。RE系列微控制器的電流消耗在工作狀态下可低至25μA/MHz，待機狀态下可低至400nA。這樣的超低功耗名額可顯著延長嵌入式裝置的電池壽命。該晶片可用于自供電類應用，使用者通過從環境中采集能量（例如光、振動或液體流動）提供動力，進而實作智能裝置的永久續航。
意法半導體憑借其豐富的低功耗技術儲備和對低功耗市場的積累優勢，在2021年也推出其超低功耗的旗艦版産品STM32U5系列。該晶片采用全新的40nm工藝制程，內建了一個先進的DC/DC電壓動态轉換器，将動态功耗降低到19uA/MHz以下。此外，STM32U5還采用動态電壓調節技術、獨有的ST ART Accelerator訪存加速技術、支援更多更靈活的低功耗模式，進而保證在不同應用場景下都具有極具競争力的功耗名額。
Ambiq Micro是一家專注于超低功耗的MCU廠商，其Apollo系列引領了超低功耗MCU的新方向。Apollo系列采用亞門檻值功率優化技術（SPOT）平台為基礎，運作功耗可低至6uA/MHz，是全球同類産品中運作功耗最低的微控制器。亞門檻值功率優化技術（SPOT）是目前實作超低功耗的最有效技術，讓半導體能夠在遠低于“标準”的電壓水準下工作，進而實作晶片功耗的大幅度降低，是以其解決方案在功耗改善上實作跨越式的改善。
國内MCU廠商進入産業較晚，從産品型号的種類、關鍵技術的積累等方面，都還無法跟國外廠商相比。國内大部分32位MCU廠商，都還處于填補主流型号的階段，真正具有低功耗系列型号的廠家屈指可數。但可喜的是，近年來國内部分廠家在低功耗領域已經開始布局，加大了在低功耗微控制器的研發投入，并相繼推出了有競争力的産品型号。
兆易創新作為國産32位微控制器的領頭羊，2021年10月份推出了其首款低功耗微控制器GD32L233系列。該晶片基于ARMCortex-M23核心，采用40nm超低功耗（ULP）工藝制程，采用多電壓域的低功耗設計方法，并內建專門優化的低功耗模拟IP。據報道，該晶片的運作功耗最低66uA/MHz，深度睡眠模式最低2uA左右，适用于能效敏感型應用，如工業表計、小型消費電子裝置、便攜式個人健康監護裝置及環境監測傳感器等。
華大半導體在低功耗32位微控制産品研發的布局較早，已相繼推出HC32L110、HC32L130、HC32L136産品系列。該系列晶片基于Cortex-M0+核心，采用華虹宏力的110nm超低漏電（ULL）嵌入式閃存工藝，采用多電源域的低功耗設計方法。該晶片的運作功耗為130uA/MHz，深度睡眠模式最低為0.9uA，适用于傳感器、火災探頭、智能門鎖、無線煙感、智能表計、便攜式醫療電子、資料采集和傳輸等應用領域。
中科芯蕊是一家專注于低功耗MCU的國内廠商，于今年5月份推出了XRM32UL051系列。該晶片基于Cortex-M0+核心，超低漏電的先進工藝制程，采用其獨有的亞門檻值技術和異步電路技術，運作模式的功耗低至20uA/MHz，深度睡眠的功耗低至0.7uA。該功耗名額與國際廠商（意法、瑞薩）的最新産品名額接近，适用于智能門鎖、智能表計、便攜式醫療電子等傳統低功耗應用領域，同時能夠支援環境自采集類應用，實作裝置長期續航。
該晶片采用的亞門檻值技術和異步電路技術，是目前國際最前沿的低功耗設計技術，是面向環境能量采集自供電應用，實作超低功耗晶片的最有效手段。目前，中科芯蕊XRM32UL051已認證了ULP-Mark的評測，評測得分高達到451分，在同類核心中排名全球第一。
低功耗MCU有助于推動我國消費電子産業發展
在穿戴電子、便攜式醫療電子、傳感器終端、遠端測控等物聯網應用，“智能化、小型化、輕重量、長續航”是終端節點持續追求的目标，而低功耗是實作這一目标的最關鍵因素。低功耗MCU作為終端節點的核心控制器件，對産業發展起着至關重要的作用。近兩年，随着國産MCU廠商對低功耗MCU的開始布局，更多的低功耗MCU産品加速推動各類創新型終端産品的湧現，進而推動産業的快速發展和更新。