IoTの波に乗るマイコン事情 第1回

　この原稿を書いている今まさに、米国ラスベガスで2015 International CESが開催されているのはご存知の通りである。開幕に先立って報道関係者向けにプレビューとして行なわれる「CES Unveiled」を取材していたライターの笠原一輝氏が、冗談交じりにFacebookへ投稿した内容によれば「今年のCES、センサー、IoT、以上(笑)」だそうである。

　さて、センサーやIoTといったキーワードが出てくる場合、欠かすことができないのはCPU(あるいはMPU)ではなく、MCUである。MPUはMicro Processor Unit、MCUはMicro Controller Unitの略で、前者は通常CPU、後者は通常マイコンと呼ばれる。では何が違うんだという話からまずは始めたいと思う。

ARMの製品ライン。Cortex-MがMCUとして使われるコアとなる

　MPUとMCUの違いは、いくつかの観点から総合的に見るのが正しいかと思う。というのも、ある1つの視点だけで見た場合、かならず例外があって収束しないためだ。まずはハードウェア的な視点から見てみると、

といった項目がとりあえず思いつく。次にソフトウェアの観点から見ると

といったところだろうか。一方で、マーケティング的な観点で見ると、

といった話が出てくる。

　このほかにもズラズラと書き並べることはできると思うが、そろそろ読むのが苦痛と言われそうなので、このあたりに留めておく。繰り返しになるが、どの話に関してもほぼ間違いなく例外というか反例があるので、あくまで全体的な傾向としてみた場合、という話だ。

　MPUとMCUの違いに着目するには、むしろ使われ方の違いを見た方が分かりやすいかもしれない。

　例えばPC。昨今のPCの原型といってもよい初代のIBM-PCは、ご存知の通りCPUとして「8088」が搭載されていたが、実はこれ以外に、もう1つマイコンが搭載されていた。それはキーボード内部に入っている「8048」コントローラである。IBM-PCのキーは当初83キー、後に101キーが出ることになるが、これをマトリックス状に配置し、どのキーが押されているかを随時スキャンした上で、そのキーコードをIBM-PC本体に送る、という仕事をしている。この仕事をCPUでこなせないわけではないが、CPUの負荷が高まるとキースキャンの頻度が落ちかねず、キー入力の取り漏らしなどが発生しやすくなる。逆にキー入力の取り漏らしを防ぐようにキースキャンをきっちりとCPUにやらせると、今度はCPUの処理能力を大幅に奪われかねない。キースキャン専用MCUを別に用意し、キー入力の取り込みとキーコードへの変換はMCUに全部任せてしまい、CPUはキーコードだけを受け取るようにする方が、性能面でもメリットは大きく、回路的にもシンプルになり、おまけに設計コストも下がる。

これはIBMが出していた「IBM Technical Reference : IBM Personal Computer(6361453)」、通称Blue Bookからキーボード部の回路図を抜粋したもの。この本は、全回路図とBIOSの全ソースまで一挙公開という今では考えられないものだが、これのおかげでサードパーティーはIBM-PCをすばやく理解して周辺回路や互換機の製造が可能になった。言わばマーケットを急速に盛り上げることに成功した影の立役者である

　もう1つPCにおいてMCUが活躍している例を挙げると、昨今のマザーボードは、電源投入時に自己診断を行ない、異常があればビープ音やLEDで表示してくれる機能が標準的に搭載されている。こちらはIntelのケースであるが、他社のマザーボードもそう大きくは変わらない。

　さて、こうした診断機能は、最近ではメモリの不良やCPUの異常といったことまで警告してくれるのだが、これは誰がやっているのか? と言うと、マザーボード上にあるMCUである。当たり前だが、メモリに異常があったら、そもそもCPUが立ち上がらないから、POST(前処理)に入ることすらできない。もちろん、そのような状態でビープ音やLEDの制御ができるわけもない。

　実際にはマザーボードの電源が入ると、まずマザーボード上に搭載されたMCUがすぐに動作を開始し、メモリの初期テストやCPUの起動シーケンスの監視などを行ない、ここでエラーがあったらビープなりLEDなりで表示することで、それを知らせるわけだ。こうした機能が付いたのはここ数年のことで、それ以前のマザーボードは何かおかしいと「何も起きない」だけだった。なので手探りで1つ1つ起動しない可能性を潰していくという根気強い作業が必要だったのが、MCUの搭載でトラブル時のメンテナンスが大幅に容易になったわけだ。

　ちなみにこのMCUはブート時以外は何をしているか、というと何もしていないものもあるし、電源管理などを行なっている場合もある。ただ、電源管理までやらせると、処理プログラムが大きくなってしまい、コスト面などでも不利なので、ブート管理専用と割り切って小さなMCUを搭載する方が多いそうだ。

　要するに、特定の機能だけをやらせるという用途にMCUは非常に適している。また電源管理(電源コントローラに、供給すべき電圧を指示したり、最大電流量を設定したりする)とか温度/ファンコントロール、LEDやビープの駆動、あるいはさまざまなスイッチの状態取り込みといった入出力も、MPUの場合はチップセット経由でGPIOピンを通して外部回路を駆動することになるが、MCUだとこれらのものが直接繋げたりするから(さすがにファンコントローラは別途ドライバが必要だが、これは例外)、はるかに回路もシンプルになる。MPUは「何でもできる」が「何をさせるのにも適している」わけではない。用途によってはMCUを外付けにして、ここに作業をオフロードした方が賢明というケースは少なくない。

　さて、やっと冒頭の話に戻ってきた。IoTやセンサーにはMCUが必須で、切っても切れない関係にある。理由はコストと効率性である。

　まずコストであるが、IoT時代になって2020年に500億台のデバイスがネットワークに接続される、という話はしばしば耳にする。あるいは2020年にはこのIoTの経済規模が3兆400億ドルになるという数字も出てくる。

インテルの発表会において示された、IoTデバイスが2020年に500億台規模に達するとの予測

　ただ冷静に考えてほしいのだが、例えば3兆400億ドルを500億台で割ると、60.8ドル/台という計算になる。しかも一口にIoTといっても、高いコストが許容されるのはIoTの中でも上位、つまりクラウドサーバーとかデータ処理のビッグデータ関連のみである。さらに経済規模の中には通信コストも含まれるようなので、末端デバイス自身のコストは相当抑えないといけない。実際、単純なセンサーノード(例えば気温とか湿度などを定期的に発信するだけのもの)のコストは100円ですら高すぎ、できれば10円未満に抑えたいというのが実情だろう。これは別にIoTに限った話ではなく、PCでも携帯電話でもスマートフォンでも同じ話であり、裾野が広がり市場が拡大するのは価格が下がるからだ。

　IoTも同じで、今はMCUにセンサー、それと接続用のRFを秋葉原の電子部品屋などで個別に買ってきて繋げると、1,000円を切るのは難しい。ところがいくつかのメーカーが出している、RF統合のMCUにセンサーを繋げるようにすると、量産に乗れば原価は百数十円まで落とすことができる。2020年にはこれを原価数十円まで落とさないと広がらないと見られており、逆に言えばそこまで落とせるから広がる、と考えることができる。この価格帯で製品を出すことは、MPUでは絶対に不可能である。

　もう1つが効率性である。単純なセンサーノードはなるべく小さく収めたい(でないと取り付け場所にも苦労することになるし、コストも上がる)し、なるべく長時間の運用をさせたい。理想を言えばボタン電池1つで数年単位で動作するくらいでないと、爆発的に普及というのは難しい。あるいは太陽電池と併用でもよいが、こちらは天候に応じて発電量が左右されるから、さらに運用条件は厳しくなる可能性がある。

　しかも単純なセンサーノードの場合、毎秒といった頻度でデータを収集する必要はなく、せいぜいが分あるいは時間単位となる。やることは、センサーから値を読み取り、それを上位のノードに送るだけだから、処理時間の99%以上は待機状態となる。つまり絶対性能は低くてもそれほど支障はなく、それよりも待機時間にどれだけ消費電力を減らせるかがバッテリ寿命の鍵になる。昨今のローエンドMCUはまさしくこうした用途に向けた構成になっており、MPUの出る幕はない。

　もちろんIoTの中にはもう少し自律的な処理が必要な場面も多く、あるいは手持ちのPCやスマートフォン/タブレットがこうしたセンサーノードのUIあるいはハブとなる可能性もあるから、MPUと無縁ではないのだが、一番数が出て主役とも言えるのはMPUではなくMCUである。

　ということで今回はMPUとMCUの違い“のみ”をご紹介したが、次回はもう少し具体的な製品を取り上げてみたいと思う。