關(guān)于RISC-V MCU的三大難題

　　ARM和RISC-V在MCU領(lǐng)域開啟了正面戰(zhàn)場。

　　作者：九林

　　最近，關(guān)于RISC-V MCU的消息紛紛傳出，瑞薩表示正在開發(fā)RISC-V MCU，愛普特微電子與平頭哥達成合作，共研RISC-V架構(gòu)MCU。 在嵌入式世界展覽會上，SC-V國際公司的首席執(zhí)行官Calista Redmond也表示：“RISC-V芯片的出貨量已經(jīng)突破100億?！?RISC-V以雷霆霹靂之勢，沖擊著在ARM架構(gòu)統(tǒng)治下的MCU。

　　成也ARM，敗也ARM

　　MCU內(nèi)核的架構(gòu)的歷史并不算長，大約有三十多年。從英特爾在1971年推出全球首款MCU產(chǎn)品，到上世紀90年代后MCU步入發(fā)展快車道，MCU的內(nèi)核架構(gòu)有所變化。MCU的第一代架構(gòu)是早期英特爾主導的架構(gòu)；隨著瑞薩等公司開始研發(fā)MCU，這類MCU巨頭自研的架構(gòu)被認為是第二代MCU架構(gòu)。在對計算要求越來越越高的現(xiàn)在，專門的內(nèi)核廠商開始出現(xiàn)，分工進一步細化，ARM成為主流的MCU市場架構(gòu)，也即第三代架構(gòu)。 決定一個MCU性能和應(yīng)用場景的關(guān)鍵要素有兩個維度——主頻和內(nèi)核架構(gòu)。而內(nèi)核架構(gòu)是影響處理器性能的關(guān)鍵因素，先進的架構(gòu)具有更強大的指令集和更優(yōu)秀的運算單元。 在國產(chǎn)MCU剛起步的幾年中，由于ARM能夠供從開發(fā)環(huán)境到軟件等各種方便的工具，并且其架構(gòu)可以和主流的生態(tài)保持兼容，充分復用現(xiàn)有的應(yīng)用設(shè)計，降低design-in的門檻，這些優(yōu)勢都吸引著國內(nèi)MCU廠商。

　　由于ARM的種種優(yōu)勢，國內(nèi)MCU廠商90%都采用了ARM的Cortex-M系列內(nèi)核。其中，兆易創(chuàng)新的32位MCU產(chǎn)品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五種MCU內(nèi)核；華大半導體主要采用了M0+和M4兩種MCU內(nèi)核；國民技術(shù)主要采用了M0和M4兩種MCU內(nèi)核。 但使用ARM內(nèi)核的國產(chǎn)MCU廠商數(shù)量上升也帶來了很多問題。第一個問題是國產(chǎn)化MCU芯片的同質(zhì)化越來越嚴重。許多MCU廠商都使用相同的內(nèi)核，因此市場上MCU的差距更多是在I/O上，同質(zhì)化嚴重就導致價格的比拼。但如果只能在價格上競爭，對于整個行業(yè)和大部分公司都沒有益處。

　　另外一個問題在于經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，較為成熟的ARM架構(gòu)也變的極為復雜，這點從其架構(gòu)文檔和指令數(shù)的復雜程度即可看出。并且，ARM指令集封閉、授權(quán)及專利費用高昂，不方便定制。 此外ARM架構(gòu)本身也正在面對著技術(shù)考驗，不同ARM內(nèi)核的性能差異較大，隨著ARM內(nèi)核工作頻率的提升，MCU芯片的能耗增加很快。因此，采用高主頻ARM內(nèi)核的MCU芯片如何降低能耗，這對MCU廠商來說是個不小的難題。 可謂成也ARM敗也ARM。對于國內(nèi)高端通用MCU來說，ARM的存在無疑可以加快追趕國際巨頭的腳步，例如兆易創(chuàng)新?lián)碛袊鴥?nèi)最大的ARM架構(gòu)MCU產(chǎn)品線，連續(xù)五年位居本土MCU廠商第一，MCU年出貨量超2億顆。但對于低端MCU來說，比拼不過性能，開始走價格戰(zhàn)，這也造成了MCU市場競爭秩序的混亂。因此，很多有實力和遠見的國產(chǎn)MCU廠商開始轉(zhuǎn)向差異化的市場規(guī)劃和市場競爭。

　　RISC-V MCU瘋狂發(fā)展

　　在芯片級別的硬件中，ARM和RISC-V在MCU領(lǐng)域開啟了正面戰(zhàn)場。 眾所周知，開源是RISC-V的一大優(yōu)勢，但除此之外，靈活性也是其被眾多廠商采用的原因之一。 由于沒有x86和ARM指令集背負的兼容性包袱，RISC-V指令集對提升功耗和性能有很大的好處。一個有比較強的功力的團隊設(shè)計過幾個芯片后，同樣的指令集架構(gòu)他們就能設(shè)計出功耗和性能更好的處理器。 另外，采用RISC-V指令集設(shè)計MCU可以讓芯片廠商快速完成低門檻、低成本的芯片設(shè)計，并且針對特定應(yīng)用場景進行定制化指令設(shè)計。模塊化的設(shè)計極大地方便客戶根據(jù)自己需求自由定制（從一開始就在規(guī)避ARM數(shù)十年發(fā)展中存在的問題）。

　　前Intel副總裁方之熙曾表示：“RISC-V的靈活性在AI中同樣可以發(fā)揮作用。AI中的信息安全更加重要，RISC-V的方案比較靈活，更容易實現(xiàn)安全的性能?！?以RISC-V為架構(gòu)的MCU紛紛破土而出。 作為全球MCU龍頭的瑞薩，在今年推出了RISC-V MCU產(chǎn)品，主要應(yīng)用于語音應(yīng)用。其執(zhí)行副總裁 Sailesh Chittipeddi 最近接受采訪時表示，這是瑞薩的未來戰(zhàn)略，瑞薩正在自行研發(fā)RISC-V內(nèi)核。 Sailesh Chittipeddi直言：“因為客戶的要求我們必須選擇RISC-V。一方面，有些客戶希望保持技術(shù)的獨立性與“黑盒化”；另一方面，全球很多地區(qū)的客戶并不愿意支付ARM的專利費。此外，還有很多地緣政治敏感地區(qū)的客戶也擔心無法訪問IP的問題，RISC-V是唯一開放的生態(tài)。這也是為什么RISC-V 架構(gòu)的MCU成為瑞薩的下一個布局目標?！?MCU龍頭的超前鎖定也表現(xiàn)出RISC-V MCU的來勢洶洶；國內(nèi)MCU廠商也不甘人后。 兆易創(chuàng)新發(fā)布基于RISC-V內(nèi)核的GD32V系列32位通用MCU產(chǎn)品，提供從芯片到程序代碼庫、開發(fā)套件、設(shè)計方案等完整工具鏈。

　　中微半導體的ANT32RV56xx也是集成RISC-V內(nèi)核的32位MCU，該系列芯片集成模擬外設(shè)并簡化設(shè)計。 阿里平頭哥與MCU廠商愛普特進一步達成深度合作，計劃未來一年推出六大RISC-V芯片系列產(chǎn)品，包含語音AI MCU、汽車MCU等。 沁恒微自研嵌入式RISC-V架構(gòu)MCU青稞V4，具有144MHz系統(tǒng)主頻，具有首創(chuàng)HPE、VTF中斷技術(shù)，大幅提升中斷響應(yīng)。 目前，RISC-V內(nèi)核開發(fā)商包括SiFive、賽昉、芯來、平頭哥、晶心；RISC-V 的MCU開發(fā)商包括Microchip、NXP、平頭哥、兆易創(chuàng)新、沁恒微、樂鑫科技、博流智能、泰凌微電子、中微半導、航順等。

　　RISC-V全方面圍攻

　　從市場未來需求來說，ARM或許不再是未來MCU的寵兒。從MCU的應(yīng)用領(lǐng)域占比來看，汽車MCU占據(jù)全球MCU市場的40%，除了汽車市場外，MCU的第二大市場是工業(yè)應(yīng)用（占比30%），剩余的30%主要應(yīng)用于消費電子、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。 在MCU最大占比的汽車領(lǐng)域中，RISC-V MCU開始“上車”。 2020年末，瑞薩推出了集成RISC-V協(xié)處理器的汽車MCU RH850/U2B，包括混合ICE和xEV電機逆變器、高端區(qū)域控制、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)和域控制等應(yīng)用； 2021年，凌思微電子也推出基于RISC-V架構(gòu)的車規(guī)級無線MCU產(chǎn)品系列U主要應(yīng)用于車身控制，即時通信，車載娛樂方面； 不難看出，RISC-V MCU已經(jīng)出現(xiàn)在車載娛樂、車載通信等場景。SmartDV北美應(yīng)用工程總監(jiān)曾表示，RISC-V 肯定會進入汽車世界。清華大學集成電路學院何虎副教授也分析過，利用好 RISC-V 的軟件生態(tài)對于車規(guī) MCU 的成功是重要一環(huán)。 此外，在MCU市場占比30%的消費電子、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，RISC-V也有極大優(yōu)勢。

　　IoT Analytics 預(yù)測，到 2022 年，物聯(lián)網(wǎng)市場預(yù)計將增長 18%，達到 144 億活躍連接。預(yù)計到 2025 年，隨著供應(yīng)限制的緩解和增長的進一步加速，將有大約 270 億臺聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。 物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)帶來的是所需設(shè)備的碎片化。中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟秘書長包云崗在《呈現(xiàn)三大利好態(tài)勢，RISC-V生態(tài)未來可期》一文中分析道，由于物聯(lián)網(wǎng)AIoT的需求和市場極度碎片化，現(xiàn)有處理器設(shè)計方法也將更加多元化。AIoT碎片化需求帶來處理器生態(tài)變革機遇。 MCU 是物聯(lián)網(wǎng)終端的核心零部件，其價值占到物聯(lián)網(wǎng)終端模組的 35%-45%。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，靈活性將是RISC-V MCU勝過ARM MCU的最大優(yōu)勢。 業(yè)內(nèi)人士分析，目前中國本土MCU發(fā)展有五大驅(qū)動力，分別是物聯(lián)網(wǎng)、RISC-V、國產(chǎn)替代、芯片短缺、邊緣AI。因此，國產(chǎn)RISC-V架構(gòu)的MCU已經(jīng)成為眾多廠商趨之若鶩的對象。 而工業(yè)控制等嵌入式領(lǐng)域的MCU，特別是有定制化需求的應(yīng)用場合中，RISC-V MCU早已成為新的增長點。在這些領(lǐng)域?qū)ISC-V MCU的需求下，未來RISC-V MCU的增長率或?qū)⒊紸RM架構(gòu)的MCU。

　　構(gòu)建RISC-V MCU仍有三大難題 第一方面，是RISC-V碎片化帶來的統(tǒng)一難題。

　　由于RISC-V的開源特性，不同廠商進行商用、自研RISC-V內(nèi)核，在商業(yè)利益不同的驅(qū)動下，RISC-V MCU難以形成統(tǒng)一的生態(tài)。

　　第二方面，是RISC-V軟件開發(fā)工具鏈不夠成熟的難題。

　　比起ARM來說，RIAC-V發(fā)展的時間還比較短，因此編譯器、開發(fā)工具等生態(tài)要素還在發(fā)展。主流的RISC-V MCU開發(fā)工具有IAR systems、Lauterbach、segger、UitraSOC、MounRiver Studio；國內(nèi)也有很多廠商在開發(fā)RISC-V MCU的開發(fā)工具。

　　第三方面，是RISC-V作為新起勢力，資源分配不均的難題。

　　目前來說大部分MCU廠商都是使用ARM架構(gòu)，如果要增加RISC-V架構(gòu)的MCU，既要在產(chǎn)能緊缺的同時分配資源，也要同客戶協(xié)商合作，這些問題都會是的通用MCU市場RISC-V難以獲得支持。 創(chuàng)新和生態(tài)是國內(nèi)MCU公司邁向世界一流的關(guān)鍵，而RISC-V 作為全新的生態(tài)提供了合適的土壤。盡管RISC-V MCU的發(fā)展仍有難題，但在未來需求的推動下，作為新型事物的RISC-V MCU潛力巨大。

　　編輯：黃飛