半导体

RISC-V推动MCU产业变革,助力国产MCU产业突围

作者:芯来科技首席执行官 胡振波、芯片科技首席运营官 徐来来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2019-11-08 14:13我要评论

MCU产业发展的趋势和现状

MCU作为现代电子的核心,在汽车,消费电子,工业领域,医疗保健等领域广泛使用,可以说无处不在,市场规模巨大,整体市场需求还在持续增加。根据IC Insights预测从2018年到2023年MCU销售额的复合年均增长率(CAGR)为3.9%,并在2023年达到213亿美金。这期间MCU单位出货量的复合年均增长率达到6.3%, 到2023年有望达到382亿片。

随着AIoT的时代的到来,MCU产业发展也呈现出了如下趋势。

一,32位MCU逐渐成为主流。虽然至今8位MCU虽然在存量市场上有大量份额,但随着汽车电子,穿戴设计等需要更加复杂控制和需要一定运算能力的应用驱动,32位MCU在2018年通用MCU出货量便已经占据了60%以上,并且这一比例在持续增加。

二,应用定义MCU。AIoT的最大的特征就是应用场景多,一类场景里又包括传感器,连接控制,数据处理,智能决策等。每个场景对系统的功能,性能,安全,可靠性,功耗的需求不同,因此对应用于不同场景的MCU提出了面向领域的差异化需求。另外AIoT的一个特征就是市场变化快,因此MCU产品随着市场需求迭代的速度也变得比以往要快。

三,智能化势不可当。越来越多的基于语音,图像和视频的应用如雨后春笋般涌现,例如智能音箱,人脸识别的闸机于支付终端等,对于这类应用,一线MCU企业推出了一系列兼具高性能和低功耗,并且带DSP, 矢量,或针对特定算法的加速单元的产品。但受到架构,功耗和算力的限制,MCU目前更加侧重轻量级智能应用。

四,安全性迫在眉睫。由于人脸,指纹,声纹等在支付,电子锁等应用里广泛使用。另外就是物联网的连接数量的增多让用户的私密的数据多了泄露的渠道,因此对于数据处理和传输安全的要求迫在眉睫,因此对于MCU的安全设计成了刚需。

而目前整个MCU的现状则是产品同质化严重,价格也逐渐走低。由于绝大数32位MCU基于ARM内核,导致了产品定义难以做到差异化,而同质化产品的竞争导致了价格逐渐走低,虽然促进了32位MCU的普及,但也给MCU公司对于未来产品规划,定义和设计提出了更高的挑战。

面对这趋势和现状,各家MCU公司如何才能在有效的时间窗口推出满足市场需求差异化的产品呢?如何才能真正的抓住AIoT时代的脉搏,从赛道中胜出呢?

RISC-V是历史发展规律的产物

纵观MCU的发展历史,当70年代MCU初现到2000年初期,包括Intel, TI,摩托罗拉,NEC等,各家的MCU产品都具各自处理器指令集架构和微架构, 并需要自建软硬件生态,由于生态建设周期长,投入大,这种资源分散的局面导致这个阶段的发展非常缓慢。到2004年ARM Cortex-M系列的出现,意法半导体于2007年推出首款基于Cortex-M3的MCU产品系列STM32,得益于相对统一的处理器指令集架构和基于ARM的微架构的实现,原本各家MCU公司的身上处理器生态建设和维护的成本大大降低,可以将更多的资源投入到具体MCU产品相关的应用生态上,随着2008年物联网和汽车智能化的趋势的驱动下,基于Cortex-M系列的32位MCU得以在这十年间迅速普及,但于此同时带来了同质化的问题,各家MCU公司基于ARM的公版处理器难以做出有差异化的产品,竞争便主要集中在价格层面。

但随着AIoT逐渐走向成熟和大规模应用,面对这一新时代丰富的”碎片化”场景,对于MCU的需求从面向传感器的超低功耗,到面向人工智能的追求极致能效比产生,以及针对安全和高可靠应用的特殊MCU,以及各种存在在创新者大脑的各种奇思妙想所带来的需求,ARM相对封闭指令集架构和内核研发速度很显然无法跟上时代的需求了。那么为什么不能有一套类似5G,WIFI等国际标准的处理器指令集架构标准呢?并且这个指令集架构标准要足够开放灵活,可以根据应用进行裁剪可扩展,并让全世界的人都可以根据应用领域基于这套指令集标准来设计和实现从通用到专用的各种类型处理器。

于是RISC-V便应运而生,RISC-V是一种简单、开放、免费的全新指令集架构。RISC-V最大的特点是 “开放”,它的开放性允许它可以自由地被用于任何目的、允许任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件,这种开放性,在处理器领域是彻底的第一次。另外RISC-V具有技术上的后发优势,能够总结前人的经验教训,做到设计上的先进性和相对简洁。为了适应AIoT新时代的需求,期指令集架构具备模块化和扩展性特性,方便适应各种应用场景。RISC-V时顺应了历史发展规律的产物。

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随着2015年RISC-V指令集架构开始由国际基金会维护,整个生态成长迅速,在不到五年时间内,便有了超过350家,遍布28个国家的会员单位,包括西部数据,三星,台积电,Microchip, NXP, Google等国际大厂。因此RISC-V也成了名符其实的国际标准指令集。

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RISC-V已经具备相对成熟的生态

RISC-V经过几年的快速发展,目前RISC-V已经具备了相对比较完善的软硬件生态,随着越来越多的软硬件企业和爱好者的加入,和ARM的生态差距逐渐变得微小。

就硬件生态而言,目前已经具备相对完善的内核可供选择,包括开源和商用闭源的能够对标ARM Cortex-M到A系列的处理器,除此之外,得益于RISC-V的扩展特性,更是可以根据用户的实际应用在标准的处理器基础上进行扩展成为面向领域的处理器产品。

对于软件生态而言,在工具链层面用户可以根据实际需求选择基于Eclipse或VSCode的开源的免费工具链,也可以选择像IAR, 本土的卡姆派乐的商用工具链。对于RTOS而言,选择FreeRTOS,RT-Thread, 华为的LiteOS,腾讯TencentOS, 阿里AliOS和Zephyr等诸多选择。另外各家RTOS也提供了丰富的针对物联网和行业应用相关的SDK,可以说软件配套已经非常完善。

RISC-V在软硬件生态上的一个挑战就是人的使用习惯,过去很多嵌入式开放人员非常依赖Keil这一的IDE,转到RISC-V的工具链上虽然只需要很短时间,但依然需要有一个适应的过程。不过随着RISC-V在学校和职业教育的不断普及,越来越多的人了解并使用RISC-V,这样人的生态便慢慢建立了起来,相信在不久的将来这些由于习惯所带来的挑战将不复存在。

RISC-V满足MCU产业变革的需求

RISC-V由于其开放性,可以很好的满足AIoT时代对MCU产业的需求。

一,由于RISC-V指令集架构的开放性,让软硬件能够更好地进行协同设计,为应用提供最佳的软硬件系统解决方案。

二,由于其模块化设计,针对不同AIoT领域的应用,比如传感器,连接控制,数据处理可以选择通过基础指令集搭配上适用于各类应用场景的扩展指令集,以在满足功能的前提下实现最佳的能效比。

三,RISC-V天然就具备扩展能力是为了满足应用场景的差异化需求而生,可以方便通过其指令扩展能力和处理器IP公司的提供的扩展接口,实现对语音,图像,加解密等算法的加速。或是通过插入特殊的指令来防止固件被盗版。并且由于其扩展机制在目前开源编译器里得到天然支持,因此扩展指令集不需要编译器的修改。

四,由于指令集架构的相对统一,而软硬件生态依据于该指令集由各家公司或社区来实现,因此整体的生态建设成本被均摊,研发成本得到了降低。以及相对于封闭系统,开放系统的成长速度也随之提升,以满足市场的日新月异的需求。

五,由于RISC-V被大量用于教育,在不久的将来,将具备大量懂得RISC-V的人才走向社会,服务于产业。

RISC-V是实现国产MCU产业实现突围的一次机会

由于国际大MCU企业在创新和生态上的持续投入,赢得先发优势和生态壁垒占领了国内72.6%的市场。国内MCU企业与这些国际大MCU企业差距巨大,产业聚集度低、集中在低端电子产品应用端、在中高端缺乏有力的竞争者。假如我们依旧在ARM生态中,对国外厂商模仿、追赶,我们则很难实现突围。打破这种局面的关键就是全新的生态以及基于这种生态的创新,而完全自己全部重新起炉灶的做法容易则回到了MCU早期的道路上去了,生态建设的成本高昂,过程漫长,因此选择RISC-V这样一种有活力和全新的生态是国产MCU产业实现突围的一次千载难逢的机会。

中国作为人口大国,在经济不断发展的同时,消费逐渐升级,大量物联网需求应运而生,并形成应用解决方案,这些应用解决方案不止是被应用于国内,更是输出到了海外各个国家。由于我们具有应用解决方案的定义主导权,因此也就有了MCU选择的权利,让国产MCU具有了成功的要素。

RISC-V由于其开放生态,能够实现让国产处理器能够实现自主可控的同时也能够实现商业繁荣,弥补国内处理器产业的短板,让关键领域MCU完全国产自主可控。

因此RISC-V是实现国产MCU领域突围的一次千载难逢的机会。

芯来科技用实际行动助力MCU产业生态

芯来科技(Nuclei System Technology)是国内领先且少有的聚焦RISC-V处理器研发,生态建设和产业化的公司。针对MCU芯来科技提供了从超低功耗到高性能的各种选择,另外可以根据实际应用选择安全(Security)和功能安全(Functional Safety)等特性。

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芯来科技成立之初便关注RISC-V在MCU产业的落地,选择和国内最大的MCU公司兆易创新一起通过项目打磨处理器内核,以满足内核的稳定性,健壮性,实时性和易用性使之能够真正满足通用MCU的要求。2019年8月22日芯来科技与兆易创新联合发布GD32VF103系列通用MCU产品。该MCU则是世界首颗基于RISC-V的量产通用MCU产品。

该产品采用芯来科技为兆易创新定制的32位RSIC-V内核Bumblebee, 该内核具备二级变长流水线微架构,配备精简的指令预取单元和动态分支预测器,并融入多种低功耗设计方法,提供了优异的超低功耗特性。另外设计和实现了增强中断处理机制ECLIC。不仅配备了64位宽的实时计时器、可以产生RISC-V标准定义的计时器中断,还支持数十个外部中断源,具有16个中断级别和优先级,并支持中断嵌套和快速向量中断处理机制。GD32VF103系列MCU经过实测,整体性能在最高主频(108MHz)下的工作性能可达153 DMIPS,CoreMark测试也取得了360分的优异表现,相比GD32 Cortex-M3内核产品性能提升15%的同时,动态功耗降低了50%,待机功耗更降低了25%。证明了RISC-V在MCU产品中良好的表现。

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在推动RISC-V MCU生态建设方面,芯来科技和合作伙伴一起在如下方面率先付诸行动:

一,与国内知名出版社签订了RISC-V相关系列教材协议,通过教材教学,在国内高校启动“校园RISC-V“ 推广计划,把RSIC-V并入主流教学课程中,为学生毕业走出校园后从事该方面的工作,奠定一个好的基础;

二,与国内多所大学签订RISC-V Lab共建计划,为学生提供MCU方面的开发案例,增强实践能力,进一步提升开发与创新能力;

三,上线RISC-V MCU平台,该网站平台(www.riscv-mcu.com)提供了6个板块,涵盖了从“MCU芯片和开发板”、“快速上手资料”、“RISC-V MCU参考开源设计”、“行业的解决方案和参考设计”,以及“开发者论坛”等,满足用户不同方面的需求。

四,芯来也联合软硬件生态合作伙伴为客户提供MCU定制服务,以满足客户对MCU的差异化需求。

五,举办RISC-V相关的电子大赛,激发学生的创新热情和应用方案实现,对于优秀的案例,芯来科技利用RISC-C MCU平台进行推广,对于特别优秀的项目,甚至可以对接资源协助其尝试商业化;

六,为国内多家知名高校、研究院所、专业机构提供RISC-V相关课件与开发板套件,联合制定教学或培训计划,积极推广生态;

结论和展望

RISC-V作为一种开放的指令集架构能能够很好的满足AIoT时代对MCU产业差异化,低成本等需求。由于其是一种全新且活跃的生态,是国产MCU企业打破国外MCU公司生态垄断的一次历史机遇。虽然RISC-V相对于ARM而言生态还需加强,但随着越来越多的MCU公司参与到RISC-V开放生态的建设中来,RISC-V必将超越并成为为未来的主流。



责任编辑:陈炳欣
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