在這樣一個對中國而言相對特別的歷史時期,RISC-V在中國似乎有著更加廣泛的群眾基礎。就像中國工程院院士倪光南在兆易創新(GigaDevice)的RISC-V核心32位元通用MCU新品發佈會上總結的那樣,「RISC-V基於標準寬鬆的BSD許可證,可自由免費地使用設計CPU、開發並添加自有擴展指令集,自主選擇是否公開發行、商業銷售或更換其他授權合約,或者完全封閉使用。」

其實質是在(1)IoT市場前景看好RISC-V的基礎上,(2)對中國而言RISC-V具備更加「自主可控」的特點。能滿足這兩點的指令集大概並不多,比如龍芯在IoT這類新興市場的前景或許還有待觀望;而Arm則在自主可控的問題上存在諸多變數。這大概也是RISC-V得以快速生根發芽,甚至在某些特定領域即將與霸主Arm一爭高下的歷史原因。

與此同時,在聊到RISC-V時,除了說RISC-V具備精簡、開放、靈活、模組化、可配置、「沒有歷史包袱」這些優勢特性,一個繞不開的話題就是RISC-V的「生態」問題:相較Arm、x86這類生態已經十分成熟的商業架構,生態問題是否會制約RISC-V的發展?

這裡的「生態」在我們的理解中,在絕大部分語境裡是指軟體堆疊是否完善,比如說作業系統,還有nodeJS這類組成部分。如果是這樣的生態,那麼RISC-V或許真的很難挑戰Arm、x86,尤其是行動、桌面、伺服器這類對軟體堆疊生態依賴如此之重的市場。但IoT市場的情況卻不是這樣的。MCU本身就是個「碎片化」的市場——或者說,這是個靈活的市場;或者說這是個客戶需求相對多樣化的市場,即便是Cortex-M如此成熟的架構統領市場這麼長時間,也並未破除IoT的這種市場特性。

比如即便到現在IoT領域也並沒有一個一統江湖的作業系統;甚至對某些垂直能力比較強的終端廠商,自己開發核心用在自家產品中,根本就不需要考慮生態問題。所以,IoT此時是體現RISC-V精簡、開放原始碼、靈活、模組化、可配置的好場景。

如嵌入式軟體協會副理事長何小慶所說:「做生態最難的實際是行動市場,其次是桌面、伺服器。而IoT生態實則要容易得多,IoT生態鏈本身就比較短。」芯來科技CEO胡振波則提到:「伺服器、桌面的軟體生態難以逾越,但在嵌入式領域,軟體生態並沒有人們想像得那麼可怕,甚至並沒有什麼太大的軟體生態。」

以上,是RISC-V得以在短期內高速發展,以及兆易創新發佈RISC-V核心32位元通用MCU晶片的時代背景。在這些時代背景的促成下,RISC-V通用MCU的推出也顯得順理成章。

第一個基於RISC-V的32位元MCU

兆易創新這次正式推出的,就是基於RISC-V的32位元通用MCU,GD32V的首個產品系列GD32VF103,針對的是「主流型開發需求」,其主要配置情況如下:

˙基於RISC-V的Bumblebee核心(與芯來科技合作設計);

˙主頻108MHz,16~128k Flash快閃記憶體,8~32k SRAM快取;

˙2.6~3.6V供電,I/O口可承受5V電平;

˙配備1個支援三相PWM互補輸出和霍爾採集介面的16位元高階計時器可用於向量控制;4個16位元通用計時器;2個16位元基本計時器;2個多通道DMA控制器;中斷控制器(ECLIC)提供68個外部中斷、可嵌套16個可程式設計優先順序;

˙整合2個2.6M SPS取樣速率的12位元高速ADC,提供16個可複用通道,支援16位元硬體過採樣濾波功能和解析度可配置功能;2個12位DAC;

˙外設連接包括USAR * 3、UART * 2、SPI * 3(支援四線制,新增多種傳輸模式,可擴展Quad SPI NOR Flash實現高速訪問)、I2C * 2(支援快速Plus(Fm+)模式,頻率最高1MHz(1MBps))、I2S * 2、CAN2.0B * 2,USB 2.0 FS OTG * 1(支持Device、HOST、OTG等多種模式),外部匯流排擴展控制器(EXMC),可連接NOR Flash、SRAM等外部記憶體);

˙-40~85℃工業級操作溫度;

˙每顆晶片唯一ID,gFlash專利技術,實現片上儲存加密技術;

˙對應的Arm產品型號(GD32V對應GD32_,封裝與引腳相容、軟體發展相容。

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具體到產品,GD32VF103系列首批是14個型號,除了快閃記憶體容量主要差別外,包括四種不同的封裝類型選擇。這些產品已「全部實現量產,且上市銷售」。尤其值得一提的是,基於RISC-V的MCU產品具備「完整的相容性」,GD32V系列(RISC-V)和經典的GD32系列(Arm)之間「建立起了快速通道」,「搭建Arm和RISC-V的橋樑」。在兩個陣營間相互切換,先前的Arm用戶可以實現快速切換,增強了程式碼的重複使用性,「讓跨核心的MCU選型和設計」變得很方便。

這裡值得大書特書的應該就是聯合芯來科技,共同定制的這個商用RISC-V核心大黃蜂(Bumblebee)。這個核心設計了二級變長流水線架構,支援指令預取和動態分支預測;支援RISC-V RV32IMAC指令集;支援32位元寬的指令記憶體(ILM)和資料記憶體(DLM);整合單週期乘法器與多週期除法器;融入多種低功耗設計方法,達到三級流水線的性能。

兆易創新官方公佈的資料中,GD32VF103系列MCU,在最高主頻下的工作性能達到153DMIPS,CoreMark測試得分360分。相比經典GD32的Cortex-M3核心同型號產品,這個分數提升了15%;此外在功耗方面,最大動態電流降低50%,待機電流降低25%。實際針對CoreMark測試項,以及指令集本身的特性,這個分數可能還有商榷餘地,不過這組資料依然十分優秀,可能會是諸多客戶選擇轉向RISC-V新產品的一大動力。

實際上,設計Bumblebee商業核心的芯來科技,其蜂鳥E203開放原始碼核心早前在產業內相當知名了,和RI5CY、Zero-Riscy(這兩者都由蘇黎世聯邦理工大學與博洛尼亞大學聯合設計)之類的開放原始碼核心在Github上都是齊名的。蜂鳥E203已經廣泛地應用在了教學中,早前蜂鳥E203就有相對知名的基於FPGA實現的RISC-V開發板(基於Xilinx Artix-7系列FPGA-XC7A75T)問世。

芯來科技本身的產品佈局規劃比較全面。胡振波在介紹中著重提到了其200系列32位元超低功耗RISC-V處理器,有對標8051或Cortex-M0的N201,對標Cortex-M0/M0+的N203,對標Cortex-M3的N205,對標Cortex-M4F的N207。

這次的Bumblebee看起來應該就從屬N205系列,或屬改進款——這也基本符合GD32VF103和N205已公開的性能與功耗資料。按照胡振波所說,N205可以做到Cortex-M3級別的性能,Cortex-M0+級別的功耗。

值得一提的是可體現開發靈活性的NICE(Nuclei Instruction Co-Unit Extension)指令擴展機制。胡振波表示,「商業晶片公司客戶,可以透過標準IP加上自己的指令擴展,完成特定領域的差異化,針對特定場景,加入加速指令集。這樣就能在產品中提高差異化、能效比了。」

這一點在兆易創新的GD32V產品中也有所體現,GD32VF103的Bumblebee核心示意圖中也出現了「指令擴展和協處理單元」,應該就是NICE的具象化。這種機制對於「通用」產品而言,可一定程度補足專用性缺點,屬於個性強化。

另外,芯來科技在IP上愈發注重安全性——注重安全性本身就是一個技術步入成熟的標誌。目前已有的RISC-V核心安全特性包括透過指令隨機化和功耗隨機化來防止「旁路攻擊(side-channel attack)」;另外支援實體記憶體保護,用戶態,以及用戶態中斷和異常。前面提到的NICE介面可擴展加密相關的指令和硬體演算法實現,也算是安全與靈活性的一表現。

這些安全方案實際還很難說是完善的,不過胡振波提到,類似TrustZone這樣的TEE特性也已經在研發中了。由此可見,RISC-V的成熟速度的確是驚人的,Arm可是用了幾倍時間才到達如此程度的,這也是「後發優勢」的一種實現。

開發生態搭好了嗎?

目前市面上已有的RISC-V架構晶片已經越來越多,比如華米科技的AI晶片黃山1號、中天微電子的RISC-V第三代指令系統架構處理器CK902、睿思芯科的AI晶片Pygmy等。這些晶片的推出,都能表現IoT市場對定制的需求。所以這些晶片並不具備「通用」屬性,在愈發不具備通用屬性的情況下,「碎片化」或者個性也就愈發凸顯,如文首所述,這類產品本身也並不需要多麼龐大的生態。

而兆易創新這次發佈的GD32V系列屬於通用MCU,即便不談軟體堆疊的生態,在針對客戶做具體開發時,仍然要求一整套完整的開發生態——否則也很難體現出產品的易用性的,或者說光有性能和功耗優勢,也仍然很難說服客戶轉向RISC-V的GD32V系列。或許前面提到的「完整相容性」,比如RISC-V和Arm版之間實現封裝、引腳的相容和軟體發展的簡單可攜性,可以認為是生態搭建的其中一部分,那麼其餘部分呢?

在本次發佈會的會場外,看到不少GD32VF103系列產品的實際應用。

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比如上圖這個來自格致微芯的微型熱敏印表機解決方案,MCU所用的就是兆易創新的GD32VF103C8。這個方案可適用於POS印表機、稅控印表機、ATM等設備的內建微型印表機設備中,現場就能直接列印。

再例如這個同樣基於GD32VF103C8的USB多點觸控設備(下圖)。下方的觸控式螢幕採集觸控資訊,透過I2C傳輸給主控晶片GD32VF103C8,實現觸控操作,同時可辨識1~5個觸控點位。具體的應用場景實際也無需都多說了,如大螢幕互動展示、互動遊戲、智慧家居等。

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下圖這個示例則是來自晶片超人的空氣淨化器方案,GD32VF103C8在此負責控制負離子、臭氧、電機等外設工作。方案中的感測器進行資料獲取,即時回饋控制外設,進行外界環境調節,來即時監控溫濕度、PM2.5等。

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看起來在GD32VF103具體應用場景和產品的開發上,速度還是相當之快的,要實現這種易用性和開發的速度,就必須提供完整的開發生態。在GD32VF103系列產品發佈的當下,兆易創新MCU事業部產品市場總監金光一就表示,不僅「提供硬體平台」,RISC-V的開發生態也已經準備就緒,「用戶使用手頭的開發工具就能實現RISC-V的研發了。」

這其中包括基本的整合式開發環境(IDE)、除錯下載工具、嵌入式作業系統,以及上至雲端解決方案;當然除了這個鏈條也少不了像上面看到的開發板,包括全功能評估板、入門級學習板、電機控制開發板、觸控控制開發板、航模電機驅動板等具體場景應用的引導。

20190827NT61P5 GD32VF103R-START與GD32VF103C-START最小系統板。

20190827NT61P6 GD32VF103V-EVAL全功能開發板,與GD-Link三合一工具(支援線上除錯、燒錄、離線燒錄)。

IDE支援包含了三種,包括芯來科技在主推的Nuclei Studio——基於Eclipse IDE框架,是個免費的綠色IDE;還支持華為IoT Studio,以及德國SEGGER Embedded Studio。除錯下載工具的支持亦包括SEGGER J-Link V10,以及兆易創新自家準備就緒的GD-Link。

在嵌入式作業系統方面,包含了主流的系統支援,如FreeRTOS、Huawei LiteOS等。基於與華為雲的雲端連接合作,配合Huawei LiteOS,金光一表示,「10分鐘就連接到華為雲」。這樣一來,也就完成了這套開發生態的初步規劃。另外再搭配已經在合作的開發者社區,以及聯合學校科研機構進行RISC-V的人才持續培養計畫(如「兆易創新杯」中國研究生電子設計競賽),生態的正向迴圈是可持續的。

20190827NT61P7 基於GD32VF103VB十分鐘上華為OceanConnect雲端方案展示。

「我們聯合多家廠商,包括做軟體、中介軟體、整合式開發環境、調試下載工具、終端解決方案的廠商。」金光一表示,「單靠我們晶片端是遠遠不夠的,還需要上下游來補充,提供開放式的平台,基於MCU有了更多的協力廠商合作夥伴。我們把開發生態準備就緒,客戶直接使用手頭的工具,就能開發RISC-V產品了。我們也是第一家將RISC-V通用MCU真正落地的,解決從無到有的問題。」

不過畢竟是「通用」MCU產品,針對碎片化問題,比如不同企業可能發展屬於自己的擴展指令,以及各晶片企業自己各自維護自己的開發生態,這都會是個耗時耗力,以及對RISC-V大生態不利的過程。兆易創新期望透過加入各種RISC-V聯盟、組織,比如加入RISC-V基金會的方式,逐步「形成氣候,在生態建設過程中有更為規範化的發展」金光一指出。

何小慶也提到,在發展中要防範碎片化,在政府加強引導先做標準化的前提下,先共同做大蛋糕,在發展之後再考慮差異化——這實際也符合現如今兆易創新先推常規RISC-V通用MCU的策略。與此同時,要讓RISC-V真正在商業基礎上起飛,仍然需要商業級的工具和軟體出現,這可以期待RISC-V也Linux基金會的合作拉動。

兆易創新MCU「百貨公司」策略

到今年7月,兆易創新MCU出貨量正式超過3億大關——這和早前達到1億、2億出貨量所需的時間相比越來越短。「RISC-V也會拉動我們的出貨量,雖然還要看市場的實際表現,但我們認為出貨量是可期的。」金光一表示。

兆易創新的MCU產品,加上Arm架構,入門型到高性能增強型是全範圍覆蓋的,GD32現有的Cortex-M產品系列就有22款。在GD32的規劃中,除了產品的進一步成熟度加強(比如M33明年就會加上TrustZone),未來汽車等級的高可靠性領域也將涉足,MCU產品將用於車身電子和ECU控制,並需符合AEC-Q100和ISO26262。

但在兆易創新執行副總裁、MCU事業部總經理鄧禹看來,這個成就還是不夠的。「IHS Markit資料顯示,中國Arm Cortex-M MCU市場排名中,兆易創新排第三,市場份額為9.4%。雖然看起來相比2017年是有巨大成長的,但我們跟第一、第二名的差距仍然很大。目前我們的MCU業務只是站穩了腳跟,後面還有很長的路要走。」

在談到兆易創新MCU「生態優勢」這個問題的時候,中芯國際CEO趙海軍在開場致辭中提到:「兆易創新要打造生態,RISC-V就是生態。而NOR Flash就已經進入到生態中。」兆易創新2005年開始涉足記憶體業務,2011年成立MCU事業部,NOR Flash累計出貨量也已達100億顆;2019年兆易創新併購思立微電子,隨之拓展了感測器業務。

記憶體業務對MCU本身就有促進作用,加上合肥長鑫DRAM這一類合作,會強化中國國產MCU的優勢。

儲存、MCU、感測器的業務線形成之後,圍繞GD32 MCU,兆易創新的產品豐富度還要進一步提升。鄧禹表示,「感測器訊號需要送到CPU處理,訊號鏈上的產品我們也在看。今年底,我們會發佈整合電源管理、高精準度的AD/DA、運算放大器;感測器領域,思立微電子最早做觸控,後來做指紋辨識,未來要持續佈局光電感測器。」

此外,融合自有業務,「我們要做加入無線連接功能的MCU、eRF,明年就會發佈第一個加入Wi-Fi連接的產品。這樣一來未來的MCU產品會有三種形態:純邏輯的,加入了儲存的eNVM(早前Flash與MCU進行SiP封裝打造的eFlash就獲得了不錯的市場反響),加入了無線連接的eRF。」鄧禹說。

與此同時,鄧禹指出,「我們跟Arm仍是戰略合作夥伴,而且未來Arm也會與兆易創新進行持續的戰略合作。」這些將促成兆易創新的「一站式百貨公司」規劃,「以MCU晶片級解決方案,滿足客戶設計所需的各類產品,給客戶多種多樣的選擇」,這是兆易創新對產品組合的規劃。

「用戶的任何需求都可以在這裡得到滿足,目前全球也還沒有能做到這個程度的企業。這需要我們長期的努力。」鄧禹說。

實則在金光一提到基於RISC-V的GD32V系列產品時,就能夠窺見兆易創新的這套思路:「終端客戶怎樣實現不同形式、不同應用、不同架構、差異化的產品。差異化有很強的市場需求。我們已經有了Arm架構的產品,RISC-V是對差異化的補充,這是來源於市場需求。我們在業界第一個切入RISC-V賽道,給客戶提供差異化產品本身是下定決心的;這次推的是主流均衡性,未來還會有入門運算、高性能運算產品。這就是百貨商店的一部分,給客戶多種選擇。」

x86、Arm、RISC-V三分天下

倪光南在對比x86、Arm和RISC-V時,提到了RISC-V很可能發展成世界主流CPU之一,從而在CPU領域形成Intel、Arm和RISC-V三分天下的格局。在IoT乃至AIoT的時代熱點下,這三者實際都有自己的市場,且將同步並行發展。

當前在Arm出現,並與x86分一杯羹之時,這「一杯羹」實際上是x86始終都不曾得到的行動市場;且Arm的這種成功也並沒有促成它在桌面和伺服器市場的實質性發展。RISC-V的出現與當年Arm出現時的局勢類似,IoT領域與當年的行動領域又是截然不同的,RISC-V具備在這一領域深耕的所有客觀條件,但與此同時,它或許也難以撼動x86、Arm霸佔的市場分毫。這也並不影響三分天下的局勢形成。

在這樣的歷史條件下,RISC-V的崛起卻為中國半導體產業的發展真正帶來了機遇。金光一說:「GD32VF103晶片的研發設計、流片、封裝測試,整套流程都是在中國中國完成的,自主可控,可應用於特定垂直市場。」

胡振波將MCU的生態發展切分成了三個階段:「整個MCU發展歷史的第一個階段,那個時候所有的公司都有獨屬於自己的架構,當時中國廠商根本就沒有機會入場;第二階段,Arm生態太成功了,把以前每家獨立的架構都顛覆了。Arm透過生態影響力,把32位元MCU做成了事實標準,統一了生態,擴大了市場。」

但與此同時,「要做好艱苦鬥爭的準備。在很長的一段時間裡,這都需要一個過程。這個認知過程比我們想像得還要複雜。必須堅持下去,有信心。兆易創新做出了一顆RISC-V通用晶片,這是萬里長征的第一步。」胡振波強調。

本文為姊妹刊EE Times China原創文章