據IC Insights市場研究報告統計,受到物聯網(IoT)、汽車電子、人工智慧(AI)等產業應用帶動,微控制器(MCU)銷售規模預計將從2016年的166億美元上升至2020年的209 億美元,年平均成長率為5.5%。Arm嵌入式與汽車事業部市場行銷資深總監Rhonda Dirvin日前接受中國版《電子工程專輯》的採訪,不但暢談了Arm在AI、先進製程、異質處理方面的最新進展,也對與RISC-V架構的競爭做出了回應。

Rhonda Dirvin Arm嵌入式與汽車事業部市場行銷資深總監Rhonda Dirvin

自2017年以來,包括MCU在內的很多電子元件、離散式元件都傳出缺貨消息。您對2018年MCU市場需求狀況是如何看待的?MCU價格走勢是否會發生較大變化?

Rhonda Dirvin:據ICInsights預測,2018年全球電子系統市場將成長5%,至16,220億美元,而今年全球半導體市場預計將飆升14%,至5091億美元,首次超過5,000億美元的水準。如果2018年的預測實現,每個電子系統中的半導體產品平均占比將達到31.4%,打破2017年創下的28.8%的歷史記錄。

Arm預計MCU市場在未來十年將會有巨大成長,尤其是在物聯網的推動下。然而,其中許多晶片的成本將非常低,而這將不可避免地導致晶片的平均價格下降。

為了協助晶片創新企業降低初期財務支出、風險並加快上市時間,Arm DesignStart提供了一條無需預付授權費即可獲取嵌入式IP的途徑。對於那些希望快速生產客製SoC的團隊來說,這是一個理想的起點,因為它包括CPU和系統IP、免費的軟體工具試用版,以及可獲取廣泛的Arm生態系統和知識庫資源。

我們看到越來越多的Cortex-A處理器被應用於深度嵌入式應用程式,如果將這些Cortex-A設備視為MCU類,可能會增加MCU的平均價格。

人工智慧、智慧製造、自動駕駛是當前最為熱門的應用領域,MCU在其中扮演著怎樣的角色?

Rhonda Dirvin:工業自動化、機器人和自動駕駛車無疑為更加智慧的MCU提供了契機。AI晶片如果想取代傳統晶片,需要具備更強的能力。例如,馬達控制器可帶有附加感測器來檢測振動或雜訊,以收集正在執行的馬達資訊,然後使用機器學習演算法進行馬達的自動調節,提高馬達的執行效率。

目前來看,這些新興應用尚處於起步階段,規模並不大。但是,AI功能可以整合到每個MCU中。人工智慧的一個子集是機器學習(ML),機器學習技術正被廣泛應用於所有市場。有一個明顯的趨勢是,機器學習推理向「邊緣」移動,甚至向最小的嵌入式裝置移動,有時也被稱為「遠端邊緣」。用於Cortex-M CPU的CMSIS-NN軟體庫在M級元件上提供了最佳化的機器學習性能。這使得在「永久線上」(always on)的使用情況下,能夠高效地執行機器學習應用程式,例如關鍵字檢索和影像物件檢測。

而自動駕駛需要不同類型的處理過程。某些元件需要確定性的即時回應和最高水準的系統性功能,以實現功能安全,基於Cortex-R和Cortex-M的元件可以提供這種功能組合;在一些解決方案中需要有不同安全級的相關軟體,Arm不僅提供了經過認證的工具鏈,許多即時作業系統也經過了認證,例如已經發佈的Compiler 6和Keil RTX安全認證版本,以及平台安全架構(PSA),透過提供安全的基本構建模組,包括可信任韌體和示例案例分析,讓安全實施變得更容易。

Arm如何將自己的低功耗技術優勢與人工智慧應用相結合?

Rhonda Dirvin:AI本身也是可以節能的。例如,馬達控制器可以透過附加感測器檢測振動或雜訊,以收集正在執行的馬達資訊,然後使用機器學習演算法進行馬達的自動調節,提高馬達運行效率。馬達節省的功耗將比處理器使用的功耗大許多倍。

為了降低處理器消耗的功率,Arm擁有多種不同性能的處理器。一些用於低成本微控制器的Arm嵌入式處理器具有附加功能,用來加速機器學習演算法中使用的數學函數,這可以減少其它晶片的面積和功耗。

大多數MCU都是使用較舊的節點製程(55nm甚至更大)製造的,在這種情況下靜態功耗基本上不是問題。但當走向更小節點時,靜態功耗就變成一個越發重要的因素。Arm的處理器與體IP配合使用,可降低動態和靜態功耗,這包括關閉當前未運行的功能區塊和降低電壓,從而降低運行處理器所需的功耗。Arm為其Cortex-M微處理器及其神經網路處理器分別引入了最佳化的實體IP庫,分別為POP和機器學習POP。

我們也確實看到許多領先的MCU廠商正在向更小節點演進(如40奈米)。例如,目前基於40奈米的NXP iMX RT處理器包含一個運行速度高達600MHz的Arm Cortex-M7處理器;瑞薩(Renesas)在其協同微控制器中使用40奈米製程,而意法半導體(ST)近期發佈基於Cortex-M的STM32晶片中同時使用40奈米和90奈米製程;SoC供應商RDA在其基於Cortex-M4的Wi-Fi SoC中採用了40奈米製程。因為嵌入式快閃記憶體可用性仍然是許多MCU供應商的關鍵要求之一,所以要採用超過40奈米的製程可能更具挑戰性。

在MCU市場,同質和異質多核心技術正成為主要趨勢,您對其未來的發展有何看法?

Rhonda Dirvin:考慮MCU+MCU組合也很重要——例如,恩智浦和意法半導體都提供許多基於Cortex-M的微控制器產品,它們可以跟不同的Cortex-M處理器在非對稱多處理(AMP)安排下協同工作。當然,在某些情況下,MCU+DSP、DSP+FPGA或MCU+FPGA是行得通的。但是由於在學習不同類型的技術知識以及使不同的核心能夠有效地協同工作方面的挑戰,採用這些組合可能成效緩慢或是有限。當然也有成功的案例——例如,賽靈思Zynq系列和Intel(Altera) Arria系列都提供基於Cortex-A處理器的元件,而Arm也在與各種供應商合作,為異質多處理領域提供創新解決方案。

在訊號處理方面,Arm提供帶有可選DSP指令集的MCU處理器解決方案,提供一體化控制和資料處理解決方案。嵌入式工程師可以非常方便地使用Arm Cortex-M處理器設計訊號處理功能,節省開發時間、精力和晶片面積。此外,這也意味著工程師可以獲得對廣泛的Cortex-M生態系統、Arm軟體庫和合作夥伴軟體轉碼器的存取權限,為涉及感測器融合、語音和音訊互動等技術的應用程式創造新機遇。

RISC-V架構最近的發展態勢看上去不錯,Arm是否感受到了壓力?

Rhonda Dirvin:一直以來都存在相互競爭的架構,尤其是在MCU市場,RISC-V也不例外。Arm多年來已經證明,我們擁有得到廣泛生態系統支援的先進技術。Arm的IP產品超越了CPU,還提供安全的、系統級的解決方案、軟體和開發工具,以及廣泛的協力廠商生態系統。Arm也有不同的授權模式來支援廣泛的客戶。中國客戶特別感興趣的是DesignStart計畫,該計畫提供免預付授權金的Arm IP。在過去12個月中,在300家DesignStart Pro專案授權廠商中,有40%來自中國,這使得很多新創公司能夠設計生產客製化晶片。我相信由於Arm的持續投資並提供合作夥伴和產業所需的解決方案,Arm將繼續在MCU市場及其他領域取得成功。

您認為中國MCU企業這兩年發展情況怎麼樣?如何看待中國MCU未來的發展?

Rhonda Dirvin:從全球來看,8/16位元MCU約佔總銷售額的40%,32位元MCU占60%。Arm是目前32位元MCU的市場領導者,我們估計佔有超過80%的市場份額。在中國市場,目前Arm在中國的授權客戶數量已超過150家,中國半導體公司累計出貨了140億顆基於Arm的晶片,中國公司製造的複雜SoC中約95%是基於Arm架構的。

中國本土的MCU供應商正在不斷成長中。他們與OEM有著密切的關係,這樣OEM廠商才能幫助他們針對最相關的終端應用產品更好地客製化晶片,同時進一步改進其MCU產品,以便在全球範圍內競爭。例如兆易創新(Gigadevice)出貨了超過2億顆GD32 MCU,這是Arm幫助中國MCU合作夥伴實現雙贏的一個最佳寫照。他們選擇了Cortex-M處理器,從而在Arm廣泛的生態系統中獲得了廣泛的選擇和靈活性。

此外,在日常產品中引入智慧化的需求推動了對智慧感測器和智慧類比SoC的需求,這種需求推動了客製化晶片的擴張並帶來了許多好處,例如降低了元件成本、增加了功能和產品差異化。

為了推動晶片領域的創新,Arm還推出了Arm DesignStart計劃,努力以最快、最簡單、最低風險的方式來評估客製化晶片並將其商業化。它包括兩個最受歡迎的嵌入式處理器(Cortex-M0和Cortex-M3)及其相應的系統IP,以及軟體工具試用版、專家支援和豐富的資源,所有這些都無需預付授權費。