建構基於RISC-V的MCU「芯」生態

作者 : 顧正書,EE Times China

最近大學、研究機構、晶片廠商和網際網路巨頭紛紛採用和支持RISC-V這一有希望與Arm抗衡的指令集架構(ISA)…儘管建構RISC-V MCU的生態面臨很多挑戰,但巨大的發展潛力值得嘗試,只要RISC-V社群和廠商願意協作,一定能開創出RISC-V的一片「芯」天地。

據權威市調機構預測,2021年全球微控制器(MCU)市場總銷售額預計可達190億美元,出貨量超過250億顆。從2021~2028年,MCU年複合成長率(CAGR)約為10%,到2028年將增至360億美元。IC Insights今年8月發佈的報告顯示,汽車MCU佔據全球MCU市場的40%,預計2021年汽車MCU銷售額將達到76億美元,相比去年成長23%,其中約77%都是32位元MCU。

 

除汽車市場外,MCU第二大市場是工業應用(佔比30%),剩餘的30%主要應用於消費電子/家電、物聯網(IoT)、智慧卡,以及電腦和通訊網路等領域。

 

基於Arm Cortex的MCU生態

32位元MCU基本上都是採用Arm Cortex-M系列微處理器核心,主要MCU廠商包括:意法半導體(ST)、瑞薩(Renesas)、英飛凌(Infineon)、NXP和Microchip。Cortex-M處理器系列基於Arm M-Profile架構,專為嵌入式系統而設計,具有低延遲和高確定性操作等優點。該系列處理器有不同性能規格的型號,包括M0、M0+、M1、M23、M3、M4、 M33、M35P、M55和M7,可滿足不同性能、功耗和成本的微處理器晶片需求。

基於Arm核心的MCU生態經過多年發展已經比較成熟。圍繞Cortex-M核心,Arm提供了從開發環境到軟體等各種方便MCU開發者的工具。比如,整合式開發環境(IDE)包括Arm Keil MDK、Arm Development Studio;編譯器包括Arm Compiler 6、GCC;軟體包括Cortex MCU軟體介面標準(CMSIS)、Trusted Firmware-M (TF-M);作業系統有Mbed OS、Keil RTX5;除錯工具和開發板有JTAG和SWD除錯硬體。

此外,還有很多協力廠商軟體和開發工具鏈供選擇,比如編譯器、除錯器、RTOS和軟體庫等。為增強市場領導力和增加客戶黏著度,領先的MCU廠商也在積極建構以自家MCU晶片為核心的生態,STM32 MCU生態就是一個典型。作為Arm Cortex 32位元MCU和MPU的領導者,意法半導體不但描繪和搭建了完整的STM32 MCU晶片開發線路圖,而且還為客戶和開發者提供了完善的學習、開發、測試和評估環境,比如STM32 Cube。

RISC-V和MCU

源於加州大學柏克萊分校的RISC-V最近幾年在全球開源硬體社群掀起了不小的風波,大學、研究機構、晶片廠商和網際網路巨頭紛紛採用和支持這一有希望與Arm抗衡的指令集架構(ISA)。中國在獨立可控的微處理器開發之路上嘗試多年,但仍然受制於X86、MIPS和Arm等國際主流架構,RISC-V燃起了中國國產CPU的新希望。中國工程院院士、中國科學院計算技術研究所研究員倪光南、芯原(Verisilicon)董事長暨總裁戴偉民和中國科學院計算技術研究所研究員包雲崗等學術和企業界領導者都在積極推動以RISC-V為核心的開源硬體創新。

RISC-V現已得到全球的支持和積極參與,除了專門負責RISC-V推廣的RISC-V國際基金會外,單在中國就有多家產業組織致力於推廣RISC-V和開源硬體,其中包括中國RISC-V產業聯盟、中國開放指令生態(RISC-V)聯盟,以及台灣RISC-V產業聯盟。支援RISC-V的全球廠商包括英特爾(Intel)、Google、Nvidia、威騰電子(WD)、高通(Qualcomm)、NXP、華為、阿里、中興和紫光展銳等。

目前專注於開發RISC-V核心IP的廠商有SiFive、賽昉科技、芯來科技、阿里平頭哥和晶心科技(Andes)等。這些IP廠商提供的RISC-V核心IP有開源、也有商用的,還有專為自己的晶片而開發。從RISC-V晶片的應用來看,從多達1,000個核心的高性能運算處理器,到超低功耗的單發射/二級流水線微處理器,都可以看到RISC-V的身影。就RISC-V在MCU市場的應用和發展來說,中國已經有多家MCU廠商開發出基於RISC-V核心的MCU晶片,包括兆易創新、沁恒微電子、樂鑫科技、博流智慧、泰凌微電子、中微半導和航順等。

在MCU設計中,RISC-V核心與Arm相比有哪些優勢和劣勢呢?南京沁恒微電子技術總監楊勇認為,Arm經過數十年的發展,雖然比較成熟了,但其CPU架構變得極為複雜,這點從其架構文檔和指令數目複雜程度即可看出,同時還存在專利和架構授權費用昂貴等問題。而RISC-V定位為完全開源,且架構簡潔,模組化的設計極大地方便客戶根據自己需求自由客製(從一開始就在規避Arm數十年發展中存在的問題)。但是,RISC-V發展時間還比較短,編譯器、開發工具等生態要素還在發展,不像Arm生態已經比較成熟。

RT-Thread開發者生態運營總監陳峰也認同RISC-V的諸多優勢,還特別強調RISC-V對MCU的價值。採用RISC-V指令集設計MCU可讓晶片廠商/開發者快速完成低門檻、低成本的晶片設計,並可針對特定應用場景進行客製化指令設計,具有很強的靈活性。但是,RISC-V相關的編譯器、工具鏈、IDE、OS支援等還不完善。此外,隨著越來越多的企業使用RISC-V架構客製晶片,其碎片化問題也變得越發突顯。

如何建構RISC-V MCU生態?

RISC-V要想在價值200億美元的MCU市場佔據一席之地,就必須建立起健康的MCU生態,特別是在碎片化的新興IoT應用市場。建構RISC-V MCU生態面臨諸多挑戰,簡要列舉如下:

  1. RISC-V處理器核心混雜:開源、商用、自研RISC-V核心都有,難以像Arm那樣形成統一生態;
  2. RISC-V與Arm核心的權衡:現有MCU廠商大都會選擇同時開發和支援Arm和RISC-V的MCU,而在通用型MCU市場上RISC-V可能難以獲得足夠的資源支持;
  3. 軟體和開發工具:相對Arm生態仍然不夠完善,功能、性能和易用性還有待提高;
  4. 開發者社群:培訓教程、線下和網上交流會議、開發板和應用方案都需要資源投入和持續維護;
  5. 開源硬體新模式:與開源軟體(比如Linux)不同,開源硬體需要晶片設計和流片成本,盈利模式還不清晰。

在MCU生態上,有哪些Arm MCU生態建設的成功經驗值得RISC-V借鑒?除了Arm和意法半導體自己開發的開發工具外,吸引協力廠商,亦即商務軟體開發商的支援也很重要。IAR Systems、Lauterbach和SEGGER現在都可以同時支援Arm和RISC-V。嵌入式系統聯誼會秘書長何小慶認為,RISC-V陣營應該學習Arm積極參與產業聯盟和標準制訂的做法。Arm不僅是一家IP公司,還是工具和軟體企業,而且積極參與各種產業聯盟和標準制訂。例如,最近Arm透過與多家汽車供應鏈企業合作,推出新的軟體架構和參考設計——可擴充開放架構(Scalable Open Architecture for Embedded Edge,SOAFEE)。

陳峰站在OS的角度,為RISC-V開發商提供一些建議:1.有更多讓使用者易獲得的RISC-V MCU晶片、評估板,能快速開發環境;2.RISC-V MCU晶片需要提供更多開放的驅動庫、示例程式碼、應用參考設計;3.豐富的產品線滿足不同使用者需求。

RISC-V MCU的發展不一定往複製Arm生態成功模式這一條路,產業應該思考,如何借鑒非Arm MCU發展和生存之道。成功建構RISC-V MCU生態需要哪些關鍵因素呢?受訪的幾位專家都一致認為,積極合作是強壯生態系統的關鍵。建構RISC-V MCU生態需要產業鏈上下游的通力合作,提供更加易用、通用的應用開發環境。

對RISC-V IP和晶片設計廠商來說,需要遵守和使用RISC-V標準部分,在此之上進行多元化發展特色,並能回饋上游社群。楊勇認為,各IC廠商應積極創新,以突出RISC-V模組化、客製化的優勢。

RISC-V MCU的未來應用成長點首先在於IoT,端側AI和汽車晶片也是RISC-V未來可期待的應用市場。從短期來看,主要應該是工業控制等嵌入式領域的MCU,特別是有客製化需求的應用場合。在此基礎上,隨著市場和RISC-V生態的發展,對性能要求較高的行動運算場合也是RISC-V的用武之地。

對於中國本土MCU廠商,如何激勵他們積極擁抱和推動RISC-V呢?多數中國本土MCU廠商對採用RISC-V核心還處在觀望狀態,少部分正在內部自研或者在特定應用產品上試用。主力推廣RISC-V晶片的中國本土MCU企業目前還比較少。何小慶認為,激勵如果是來自外部,比如產業政策和政府支持,這些很難持久。真正的動力還需要來自中國本土MCU企業內部,這樣中國本土RISC-V MCU發展之路才能走得穩,走得長。雖然最近幾年中國本土MCU在國產替代和應用創新上有很大的突破,但在基礎硬/軟體技術和產品種類及關鍵系統應用方案上,與國際領先企業差距仍很大。不過,RISC-V的出現是縮短差距的良機。

楊勇補充,在政治和商業大環境下(如技術封鎖、中國本土替代、版權和專利等),積極創新是IC設計公司的活力源泉,開源的RISC-V是機會,也是平台。IoT的應用場景比較碎片化,傳統通用型MCU難以滿足不同應用場景客製化的需求,RISC-V可以讓中國MCU廠商實現自主可控、增加選擇靈活性、降低開發成本。例如,沁恒微電子正透過RISC-V實現產業循環(指令集架構、微架構、外設、工具鏈等全鏈自研),以及商業循環(開發的RISC-V MCU大批量商業化),讓RISC-V首先在嵌入式領域燃燒起來,然後帶動手機、伺服器等領域全面蓬勃發展。

結語

在MCU應用最廣的汽車電子和工業控制領域,幾乎都是Arm微處理器的天下。基於RISC-V的MCU雖然不能直接跟Arm分庭抗禮,但可以在需要客製化的應用細分市場分一杯羹,特別是在新興的碎片化IoT應用市場。RISC-V對中國本土MCU廠商是一個難得的機會,但要整個MCU產業健康發展,需要產業鏈上各個環節聯合協作,完善和發展RISC-V MCU生態,這樣才能將這塊蛋糕做大,所有參與方都可以受益。

儘管建構RISC-V MCU的生態面臨很多挑戰,但巨大的發展潛力值得嘗試,只要RISC-V社群和廠商願意協作,一定能夠開創出RISC-V的一片「芯」天地來。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號

 

 

 

 

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