微控制器(MCU)市場並不存在一個一統的「生態」,這在《電子工程專輯》中國版先前針對RISC-V的不少報導中都有所提及。實際上,很多MCU製造商都有屬於自己的指令集架構產品,比如瑞薩電子的RL78、RX系列採用的都是「瑞薩核心」;MicroChip的dsPIC33F、TI C2000都屬於介於DSP和MCU中間形態的架構,也就是數位訊號控制器(DSC)。

即便這些MCU製造商同時在推Arm Cortex-M系列產品,即便自有架構也並沒有實現真正的「大眾化」,但在某些細分領域依然能夠爭得一席之地,如TI C2000在伺服馬達與馬達控制領域仍有相當市場。

不過有這樣一家MCU中國國產廠商,採用完全自主研發的架構已經長達7年時間:近日舉行的ELEXCON 2019深圳國際電子展上,上海芯旺微電子(ChipON)正著力展示自家的32位MCU新品——在更早的8位元MCU產品中,芯旺採用的就是自主IP的KungFu8核心;到今年,KungFu32核心的KF32系列MCU已經開始量產。這其中也包括了針對汽車電子市場的車規級MCU產品。

《電子工程專輯》中國版前不久拜訪位於上海張江的芯旺微電子時,他們剛剛舉行了一場32位MCU出樣儀式。芯旺的工程師告訴我們:「現在32位元的MCU正式開始交給客戶使用了,也有不少客戶在排隊申請我們的32位元晶片。」

當天出樣的是KungFu32架構產品中的KF32L530——這是一款鎖定智慧門鎖的主控MCU,Flash容量為512KB,整合豐富的周邊資源,主頻可以運作到120MHz。

自主IP的KungFu架構

KungFu32架構系列產品涵蓋了KF32LS系列(單組電源低功耗型)、KF32L系列(低功耗高性能型)、KF32F系列(高可靠高性能),以及KF32A系列(車規級)。

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「我們的32位MCU市場定位主要在工業、汽車和AIoT。」芯旺FAE經理盧恆洋介紹。更具體講,KF32LS與KF32L專注在AIoT、智慧家居、儀錶控制、可穿戴設備、語音辨識、指紋辨識;KF32F則著力應用在馬達、伺服、電源、逆變器;KF32A主要應用在汽車車身控制器(BCM)/ECU、T-BOX、門窗控制、空調、照明、逆變器、倒車雷達等。

在採訪中,芯旺內部並沒有很在意KungFu自研架構;在以往的產品宣傳中,芯旺對於自研指令集和架構也比較輕描淡寫——依照芯旺工程師所說,芯旺期望依靠MCU產品本身的實際表現來表達實力,而不是依賴「中國國產」這樣一頂帽子。不過我們仍然認為,在如今國際貿易大背景下,KungFu指令集是值得去談一談的——它既不是Arm,也不是RISC-V或者基於別家的指令集。

芯旺VP丁丁在ELEXCON 2019展上發表主題演講時,提及「中國晶片製造為什麼這麼難」,也說到了晶片研發投入大、週期長、風險高、競爭激烈,「全球晶片製造業核心技術長期被Intel、AMD等巨頭控制」,而「中國的高階IC設計技術滯後」。從中國半導體產業協會的資料來看,中國IC產品進口額還在逐年上升,2018年已經達到4175.7億美元,其中處理器及控制器佔進口額近一半的市場份額。

20191220NT61P2 芯旺VP丁丁發表主題演講。

而中美貿易摩擦產生的「不確定性將給積體電路產業帶來深遠的影響」。應對這種不確定性,如丁丁所說,理應是「注重基礎技術的研究和投入、建立安全供應鏈及開放合作。」其中的基礎技術研究投入,在芯旺則是實現在KungFu自主IP的開發。

雖然無法相對全面地去掌握KungFu32架構及指令集的具體情況,不過從芯旺資料及對工程師的採訪中,可對KungFu32架構瞭解一二,這裡列出一些我們認為的優勢或特色:KungFu32基於16位元/32位元混合指令的指令集,採用單週期32×32 MAC單元、單週期16×16的雙MAC單元、最多支援8個64位元ACC累加操作、32÷32硬體除法器,支援定點小數MAC操作、32位元桶形移位器、DSP運算指令支援音訊/視訊單指令多資料操作、支援DO迴圈指令,實現自動迴圈程式,且減少指令開銷,提高指令執行效率。

KungFu是芯旺在公司創立之初就堅持的自主指令集,「其實我們不是從去年才開始KungFu32的研發,早在2012年就已經被批准了,到2017年才投片。」意料之中,這是個長時間積累的項目,「32位元整體架構的研發實則還能追溯到更早。剛開始,我們一直在做8位元MCU,中間也遇到了各種困難,針對8位元MCU也在持續改進和升級。32位元架構MCU的很多技術,都是在8位元MCU積累起來的。」

「從第一顆32位元MCU回到公司,芯旺來回做改版、測試驗證,到今年現在才敢說,是實現了真正意義上的量產。」而對於KungFu的堅持,和芯旺創始團隊對於技術的堅持和熱愛密不可分。

自研架構就市場層面的價值,還至少包含了下面這些:1.中國某些產業,如電力領域有中國國產化率的基本目標,這對中國國產自研架構來說是相當重要的優勢;2.產品方向更為清晰的目標定位,尤其在Arm平台MCU產品競爭激烈的情況下,自研架構將有更好的產業與客戶指向性;3.更便於走差異化路線,透過在性能、功能方面針對客戶需求的考察,可彌補平台本身可能存在的建構力度不足。

KungFu32帶來了什麼?

全球採用自研架構的MCU廠商並不少見,在有技術實力的情況下就可以考慮去做。「芯旺期望把KungFu這個平台打造成和Arm那樣的通用平台。」不過即便搞定了自研指令集與架構,真正能夠代表MCU產品成功與否的,仍是它能否帶來足夠的競爭優勢,以及吸引了多少開發者,這才是市場真正關注的問題。

芯旺針對這一波KungFu32 MCU產品的宣傳詞在「高可靠、高性能、低功耗」,乍看這是比較常規的宣傳用語。在具體解讀中,卻的確能夠找出有關這三者表達的實質。

1.「高可靠」是比較易於理解,KF32A系列通過了AEC-Q100認證,可承受8KV ESD和4.2KV EFT,車規級Grade 1溫度等級。更多相對常規的可靠性屬性還包括Flash&RAM支援ECC校驗;雙看門狗設計,以及內外時脈切換與時脈故障監測。

這裡更多可以談的實際上是高性能和低功耗,即便在很多廠商那裡它更像是個口號。

20191220NT61P3 KF32A系列產品性能圖。

2.在全系KF32產品中,「高性能」主要表現在最高主頻120MHz,以及150DMIPS(除了KF32LS超低功耗系列主頻為48MHz,KF32A/F/L三個系列性能最高的產品均為120MHz主頻)。與Arm生態相較,120MHz主頻更像是偏向Cortex-M4架構定位(M3多見72MHz、48MHz主頻),典型如瑞薩RA系列、恩智浦S32K系列。換算最高頻率下,KF32系列MCU的整數計算能力效率約在1.25DMIPS/MHz,這個數字也與Cortex-M4架構預設的效能數位相當,與全球主流MCU產品處在同一水準。

以KF32L530這款主要針對智慧門鎖應用的MCU為例,較高的頻率是支援部分指紋辨識演算法的基礎。在芯旺眼中,以更為自研架構的方式推出產品,在頻率設定上會更加具有自主性——KungFu32也是推高頻率與性能的基本保證。

「明年芯旺眼預備量產的產品,會在KungFu架構的基礎上再加一顆DSP核心,這樣一來就會比傳統的Cortex-M4晶片性能強很多,主頻可以跑到200MHz以上,在變頻、伺服控制這個領域會有更大的優勢。」這可能是個更值得期待的產品。

20191220NT61P4 KF32L/LS系列產品性能圖。

3.除了高性能,另一方面就是「低功耗」。這一點在KF32L/LS兩個系列中可發現線索:動態功耗60μA/MHz,Shutdown功耗0.2μA,Shutdown+RTC(即時時脈,主體包括時脈日曆功能)功耗0.5μA。

這三個數字在低功耗MCU領域大致是什麼量級呢?中國另有廠商在推的針對智慧電錶、IoT相關儀錶、智慧家居的低功耗MCU,睡眠模式下(不帶LCD顯示)工作電流3.5μA,RTC備份模式(RTC走時+備份寄存器保持)0.9μA,其典型運行功耗在150μA/MHz。這類低功耗產品在中國還是比較常見,與芯旺的KF32L/LS系列MCU在「低功耗」表現量級上有差距的。

與全球在超低功耗領域做到相對頂級的產品(典型如Silicon Labs的EFM32 Tiny Gecko 11,37μA/MHz,RTCC&RAM保持的睡眠電流1.3μA)相較,KF32L/LS的功耗數值或略有不及,但在中國已經相當出眾。而且KF32L仍有530這種達到120MHz主頻、兼顧了高性能與高可靠性的產品,而不只是低功耗。

20191220NT61P5 KF32A系列MCU特性匯總,不同系列的配置略有差異。

除了上述三個特性之外,還有一些特性值得一提。例如在KF32系列MCU產品中,標配2個CFGL(可程式設計邏輯閘電路,即小型FPGA),可與任何周邊資源互通,實現比軟體層更快的操作;更多周邊,除了包括SPI、I2C等常規功能周邊,針對某些系列產品會有另外一些特殊周邊,包括低功耗UART、低功耗CAN、低功耗Touch等。

實際在涉及到自研架構的問題時,KF32系列MCU的開發生態是開發者真正關心的問題。這是芯旺內部目前正在努力完善的組成部分,IDE、調變器、C編譯器等已經相對完整,芯旺工程師補充:「我們正努力降低開發者的學習成本,包括函式程式庫我們也已經完全寫好了。我們現在的工作主要是對開發生態的進一步完善,包括基於庫的樣例程式、應用筆記,系統移植是我們接下來的工作。」

汽車+工業=MCU應用半壁江山

觀察IC Insights截至2019年8月份的統計資料,2019年上半年MCU市場實則有受到汽車產業銷售額的整體下滑,以及中美貿易摩擦不確定性的影響,MCU整體市場發生小幅下滑。不過到2019年年中再度呈現出趨穩態勢;2020年則逐步回暖,預計全年銷售額同比增長3.2%,達到171億美元,MCU出貨量增長超7%達到289億片。更新後的預測為,2018~2023年,MCU產業市場價值年複合成長率為3.9%,出貨量年複合成長率6.3%。

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丁丁在展會演講中也援引了另外一份資料,雖然基數略有差異,但整體趨勢基本類似。他特別提到,汽車電子與工控/醫療聯合拿下MCU市場價值的大約58%。這是個巨大的市場,尤其在智慧網聯車、工業4.0尚未全面開展的時局下。

這也是芯旺32位MCU主體著力於汽車、工業領域(和IoT)的原因。且針對兩者的市場開發,是8位元MCU就已經在不斷努力的方向。就我們所知,雖然無法透露芯旺具體的客戶資訊,但其車規級MCU產品的確已經拿下了大牌整車廠的訂單,預計明年正式量產時會有進一步的消息。32位元車規級MCU也正在步入銷售的良性軌道。這對提振自主研發指令集與微架構IP的信心而言,都是極具價值的,無論對芯旺自身,還是中國IC產業的發展。

本文為EE Times China原創文章