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RISC-V助力国产MCU突围

虽然RISC-V相对于ARM而言生态还需加强,但随着越来越多的MCU公司参与到RISC-V开放生态的建设中来,RISC-V必将超越并成为未来的主流。
发布时间:2019-11-11 09:42        来源:中国电子报        作者:中国电子报

MCU在汽车、消费电子、工业领域、医疗保健等领域应用广泛,市场规模巨大,整体需求仍在持续增加。IC Insights预测,从2018年到2023年,MCU销售额的年复合增长率为3.9%,并在2023年达到213亿美元;这期间MCU单位出货量的年复合增长率达到6.3%,到2023年有望达到382亿片。

MCU产业发展呈四个趋势

随着AIoT时代的到来,MCU产业发展也呈现出了如下趋势。

一是32位MCU逐渐成为主流。虽然至今8位MCU在存量市场占有大量份额,但随着汽车电子、可穿戴设备等需要更加复杂的控制和需要一定运算能力的应用驱动,32位MCU在2018年通用MCU出货量便已经占据了60%以上,并且这一比例仍在持续增加。

二是应用定义MCU。AIoT的最大特征就是应用场景多,一类场景里又包括传感器、连接控制、数据处理、智能决策等。每个场景对系统的功能、性能、安全、可靠性、功耗的需求不同,因此对应用于不同场景的MCU提出了差异化需求。另外,AIoT的一个特征就是市场变化快,因此MCU产品随着市场需求迭代的速度也变得比以往要快。

三是智能化势不可当。越来越多的基于语音、图像和视频的应用如雨后春笋般涌现,例如智能音箱、人脸识别的闸机等,对于这类应用,一线MCU企业推出了一系列兼具高性能和低功耗,并且带DSP、矢量,或针对特定算法的加速单元的产品。但受到架构、功耗和算力的限制,MCU目前更加侧重轻量级智能应用。

四是安全性迫在眉睫。由于人脸、指纹、声纹等在支付、电子锁等应用里广泛使用,以及物联网连接数量的增多让用户的私密数据多了泄露的渠道,因此对数据处理和传输安全的要求迫在眉睫,对MCU的安全设计成了刚需。

而目前整个MCU的现状则是产品同质化严重,价格也逐渐走低。由于绝大数32位MCU基于ARM内核,导致了产品定义难以做到差异化,而同质化产品的竞争导致了价格走低,虽然促进了32位MCU的普及,但也给MCU公司对未来产品的规划、定义和设计提出了更大的挑战。

为适应各种场景 RISC-V应运而生

纵观MCU的发展历史,从上世纪70年代MCU初现,到2000年初期,包括Intel、TI、摩托罗拉、NEC等,各家的MCU产品都具各自处理器指令集架构和微架构, 并需要自建软硬件生态。由于生态建设周期长、投入大,这种资源分散的局面导致该阶段MCU的发展非常缓慢。到2004年,ARM Cortex-M系列出现,意法半导体于2007年推出首款基于Cortex-M3的MCU产品系列STM32。得益于相对统一的处理器指令集架构和基于ARM的微架构的实现,各MCU公司的处理器生态建设和维护成本大大降低,可以将更多的资源投入到具体MCU产品相关的应用生态上。2008年,在物联网和汽车智能化趋势的驱动下,基于Cortex-M系列的32位MCU得以迅速普及。与此同时也带来了同质化的问题,各MCU公司基于ARM的公版处理器难以做出有差异化的产品,竞争便主要集中在价格层面。

但随着AIoT逐渐走向成熟和大规模应用,面对丰富的“碎片化”应用场景,ARM相对封闭的指令集架构和内核研发速度显然无法跟上时代的需求,于是RISC-V便应运而生了。RISC-V是一种简单、开放、免费的全新指令集架构,它最大的特点是“开放”,它的开放性允许它可以自由地被用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件,这种开放性,在处理器领域是第一次。另外,RISC-V具有技术上的后发优势,能够总结前人的经验教训,做到设计上的先进性和相对简洁。为了适应AIoT新时代的需求,其指令集架构具备模块化和扩展性特性,方便适应各种应用场景。可以说,RISC-V是顺应了历史发展规律的产物。

随着2015年RISC-V指令集架构开始由国际基金会维护,整个生态成长迅速,在不到五年时间内,便有了超过350家、遍布28个国家的会员单位,包括西部数据、三星、台积电、Microchip、NXP、Google等国际大厂。因此,RISC-V也成了名副其实的国际标准指令集。

RISC-V已经具备相对成熟的生态体系

RISC-V经过几年的快速发展,目前已经具备了比较完善的软硬件生态体系。随着越来越多的软硬件企业和爱好者的加入,它和ARM的生态差距逐渐变得微小。

就硬件生态而言,目前,RISC-V已经具备相对完善的内核可供选择,包括开源和商用闭源的能够对标ARM Cortex-M到A系列的处理器。除此之外,RISC-V的扩展特性更是可以根据用户的实际应用在标准的处理器基础上扩展成为面向所在领域的处理器产品。

对于软件生态而言,在工具链层面,用户可以根据实际需求选择基于Eclipse或VSCode的开源免费工具链,也可以选择像IAR、本土的卡姆派乐的商用工具链。对于RTOS而言,可有FreeRTOS、RT-Thread、华为的LiteOS、腾讯TencentOS、阿里AliOS和Zephyr等诸多选择。另外,各家RTOS也提供了丰富的针对物联网和行业应用的SDK。可以说,软件配套已经非常完善。

RISC-V在软硬件生态上的一个挑战是人的使用习惯。过去很多嵌入式开发人员非常依赖Keil这一单一的IDE,转到RISC-V的工具链上,虽然只需要很短的时间,但依然需要一个适应过程。不过随着RISC-V在学校和职业教育中的不断普及,越来越多的人了解并使用RISC-V,这样开发人员的生态便慢慢建立了起来。相信在不久的将来,这些由于习惯所带来的挑战将不复存在。

RISC-V满足MCU产业变革需求

RISC-V由于其开放性,可以很好地满足AIoT时代对MCU产业的需求。

一是由于RISC-V指令集架构的开放性,能让软硬件更好地进行协同设计,为应用提供最佳的软硬件系统解决方案。

二是由于其模块化设计,针对不同AIoT领域的应用,可以选择通过基础指令集搭配适用于各类应用场景的扩展指令集,以在满足功能的前提下实现最佳的能效比。

三是RISC-V天然具备扩展能力,可以方便通过其指令扩展能力和处理器IP公司提供的扩展接口,实现对语音、图像、加解密等算法的加速,或是通过插入特殊的指令来防止固件被盗版。并且由于其扩展机制在目前开源编译器里得到天然支持,因此扩展指令集不需要修改编译器。

四是由于指令集架构相对统一,而软硬件生态依据该指令集由各家公司或社区来实现,因此整体的生态建设成本被均摊,研发成本得到了降低。而且相对于封闭系统,开放系统的成长速度也随之提升,以满足市场日新月异的需求。

五是由于RISC-V被大量用于教育,在不久的将来,将有大量会使用RISC-V的人才走向社会,服务于产业。

RISC-V是国产MCU产业实现突围的一次机会

由于国际大MCU企业在创新和生态上的持续投入,使得他们赢得先发优势和生态壁垒,占领了国内72.6%的市场。国内MCU企业与这些国际大MCU企业差距巨大,产业聚集度低,多集中在低端电子产品应用端,在中高端领域缺乏有力的竞争者。假如国内企业依旧在ARM生态中,对国外厂商模仿、追赶,则很难实现突破。打破这种局面的关键就是全新的生态以及基于这种生态的创新,因此,选择RISC-V这样一种有活力和全新的生态是国产MCU产业实现突围的一次千载难逢的机会。

中国作为人口大国,在经济不断发展的同时,消费逐渐升级,大量物联网需求应运而生,并形成应用解决方案,这些应用解决方案不止被用于国内,更是输出到了海外。由于我们具有应用解决方案定义的主导权,因此也就有了MCU选择的权利,这让国产MCU具备了成功的要素。

RISC-V由于其开放生态,能够实现让国产处理器自主可控的同时,也可实现商业繁荣,弥补了国内处理器产业的短板,让关键领域的MCU实现国产化。

RISC-V作为一种全新且活跃的生态,是国产MCU企业打破国外MCU公司生态垄断的一次历史机遇。虽然RISC-V相对于ARM而言生态还需加强,但随着越来越多的MCU公司参与到RISC-V开放生态的建设中来,RISC-V必将超越并成为未来的主流。

芯来科技是国内聚焦RISC-V处理器研发、生态建设和产业化的公司。针对MCU,芯来科技提供了从超低功耗到高性能的各种选择。另外,可以根据实际应用选择安全(Security)和功能安全(Functional Safety)等特性。(芯来科技首席执行官 胡振波 芯片科技首席运营官 徐来

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