作者:九林

ARM和RISC-V在MCU领域开启了正面战场。

最近,关于RISC-V MCU的消息纷纷传出,瑞萨表示正在开发RISC-V MCU,爱普特微电子与平头哥达成合作,共研RISC-V架构MCU。

在嵌入式世界展览会上,SC-V国际公司的首席执行官Calista Redmond也表示:“RISC-V芯片的出货量已经突破100亿。”

RISC-V以雷霆霹雳之势,冲击着在ARM架构统治下的MCU。

成也ARM,败也ARM

MCU内核的架构的历史并不算长,大约有三十多年。从英特尔在1971年推出全球首款MCU产品,到上世纪90年代后MCU步入发展快车道,MCU的内核架构有所变化。MCU的第一代架构是早期英特尔主导的架构;随着瑞萨等公司开始研发MCU,这类MCU巨头自研的架构被认为是第二代MCU架构。在对计算要求越来越越高的现在,专门的内核厂商开始出现,分工进一步细化,ARM成为主流的MCU市场架构,也即第三代架构。

决定一个MCU性能和应用场景的关键要素有两个维度——主频和内核架构。而内核架构是影响处理器性能的关键因素,先进的架构具有更强大的指令集和更优秀的运算单元。

在国产MCU刚起步的几年中,由于ARM能够供从开发环境到软件等各种方便的工具,并且其架构可以和主流的生态保持兼容,充分复用现有的应用设计,降低design-in的门槛,这些优势都吸引着国内MCU厂商。由于ARM的种种优势,国内MCU厂商90%都采用了ARM的Cortex-M系列内核。其中,兆易创新的32位MCU产品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五种MCU内核;华大半导体主要采用了M0+和M4两种MCU内核;国民技术主要采用了M0和M4两种MCU内核。

但使用ARM内核的国产MCU厂商数量上升也带来了很多问题。第一个问题是国产化MCU芯片的同质化越来越严重。许多MCU厂商都使用相同的内核,因此市场上MCU的差距更多是在I/O上,同质化严重就导致价格的比拼。但如果只能在价格上竞争,对于整个行业和大部分公司都没有益处。

另外一个问题在于经过数十年的发展,较为成熟的ARM架构也变的极为复杂,这点从其架构文档和指令数的复杂程度即可看出。并且,ARM指令集封闭、授权及专利费用高昂,不方便定制。

此外ARM架构本身也正在面对着技术考验,不同ARM内核的性能差异较大,随着ARM内核工作频率的提升,MCU芯片的能耗增加很快。因此,采用高主频ARM内核的MCU芯片如何降低能耗,这对MCU厂商来说是个不小的难题。

可谓成也ARM败也ARM。对于国内高端通用MCU来说,ARM的存在无疑可以加快追赶国际巨头的脚步,例如兆易创新拥有国内最大的ARM架构MCU产品线,连续五年位居本土MCU厂商第一,MCU年出货量超2亿颗。但对于低端MCU来说,比拼不过性能,开始走价格战,这也造成了MCU市场竞争秩序的混乱。因此,很多有实力和远见的国产MCU厂商开始转向差异化的市场规划和市场竞争。

RISC-V MCU疯狂发展

在芯片级别的硬件中,ARM和RISC-V在MCU领域开启了正面战场。

众所周知,开源是RISC-V的一大优势,但除此之外,灵活性也是其被众多厂商采用的原因之一。

由于没有x86和ARM指令集背负的兼容性包袱,RISC-V指令集对提升功耗和性能有很大的好处。一个有比较强的功力的团队设计过几个芯片后,同样的指令集架构他们就能设计出功耗和性能更好的处理器。

另外,采用RISC-V指令集设计MCU可以让芯片厂商快速完成低门槛、低成本的芯片设计,并且针对特定应用场景进行定制化指令设计。模块化的设计极大地方便客户根据自己需求自由定制(从一开始就在规避ARM数十年发展中存在的问题)。

前Intel副总裁方之熙曾表示:“RISC-V的灵活性在AI中同样可以发挥作用。AI中的信息安全更加重要,RISC-V的方案比较灵活,更容易实现安全的性能。”

以RISC-V为架构的MCU纷纷破土而出。

作为全球MCU龙头的瑞萨,在今年推出了RISC-V MCU产品,主要应用于语音应用。其执行副总裁 Sailesh Chittipeddi 最近接受采访时表示,这是瑞萨的未来战略,瑞萨正在自行研发RISC-V内核。

Sailesh Chittipeddi直言:“因为客户的要求我们必须选择RISC-V。一方面,有些客户希望保持技术的独立性与“黑盒化”;另一方面,全球很多地区的客户并不愿意支付ARM的专利费。此外,还有很多地缘政治敏感地区的客户也担心无法访问IP的问题,RISC-V是唯一开放的生态。这也是为什么RISC-V 架构的MCU成为瑞萨的下一个布局目标。”

MCU龙头的超前锁定也表现出RISC-V MCU的来势汹汹;国内MCU厂商也不甘人后。

兆易创新发布基于RISC-V内核的GD32V系列32位通用MCU产品,提供从芯片到程序代码库、开发套件、设计方案等完整工具链。中微半导体的ANT32RV56xx也是集成RISC-V内核的32位MCU,该系列芯片集成模拟外设并简化设计。阿里平头哥与MCU厂商爱普特进一步达成深度合作,计划未来一年推出六大RISC-V芯片系列产品,包含语音AI MCU、汽车MCU等。沁恒微自研嵌入式RISC-V架构MCU青稞V4,具有144MHz系统主频,具有首创HPE、VTF中断技术,大幅提升中断响应。

目前,RISC-V内核开发商包括SiFive、赛昉、芯来、平头哥、晶心;RISC-V 的MCU开发商包括Microchip、NXP、平头哥、兆易创新、沁恒微、乐鑫科技、博流智能、泰凌微电子、中微半导、航顺等。

RISC-V全方面围攻

从市场未来需求来说,ARM或许不再是未来MCU的宠儿。从MCU的应用领域占比来看,汽车MCU占据全球MCU市场的40%,除了汽车市场外,MCU的第二大市场是工业应用(占比30%),剩余的30%主要应用于消费电子、物联网等领域。

在MCU最大占比的汽车领域中,RISC-V MCU开始“上车”。

2020年末,瑞萨推出了集成RISC-V协处理器的汽车MCU RH850/U2B,包括混合ICE和xEV电机逆变器、高端区域控制、互联网关和域控制等应用;

2021年,凌思微电子也推出基于RISC-V架构的车规级无线MCU产品系列U主要应用于车身控制,即时通信,车载娱乐方面;

不难看出,RISC-V MCU已经出现在车载娱乐、车载通信等场景。SmartDV北美应用工程总监曾表示,RISC-V 肯定会进入汽车世界。清华大学集成电路学院何虎副教授也分析过,利用好 RISC-V 的软件生态对于车规 MCU 的成功是重要一环。

此外,在MCU市场占比30%的消费电子、物联网领域中,RISC-V也有极大优势。

IoT Analytics 预测,到 2022 年,物联网市场预计将增长 18%,达到 144 亿活跃连接。预计到 2025 年,随着供应限制的缓解和增长的进一步加速,将有大约 270 亿台联网物联网设备。

物联网的爆发带来的是所需设备的碎片化。中国开放指令生态(RISC-V)联盟秘书长包云岗在《呈现三大利好态势,RISC-V生态未来可期》一文中分析道,由于物联网AIoT的需求和市场极度碎片化,现有处理器设计方法也将更加多元化。AIoT碎片化需求带来处理器生态变革机遇。

MCU 是物联网终端的核心零部件,其价值占到物联网终端模组的 35%-45%。在物联网领域,灵活性将是RISC-V MCU胜过ARM MCU的最大优势。

业内人士分析,目前中国本土MCU发展有五大驱动力,分别是物联网、RISC-V、国产替代、芯片短缺、边缘AI。因此,国产RISC-V架构的MCU已经成为众多厂商趋之若鹜的对象。

而工业控制等嵌入式领域的MCU,特别是有定制化需求的应用场合中,RISC-V MCU早已成为新的增长点。在这些领域对RISC-V MCU的需求下,未来RISC-V MCU的增长率或将超越ARM架构的MCU。

构建RISC-V MCU仍有三大难题

第一方面,是RISC-V碎片化带来的统一难题。

由于RISC-V的开源特性,不同厂商进行商用、自研RISC-V内核,在商业利益不同的驱动下,RISC-V MCU难以形成统一的生态。

第二方面,是RISC-V软件开发工具链不够成熟的难题。

比起ARM来说,RIAC-V发展的时间还比较短,因此编译器、开发工具等生态要素还在发展。主流的RISC-V MCU开发工具有IAR systems、Lauterbach、segger、UitraSOC、MounRiver Studio;国内也有很多厂商在开发RISC-V MCU的开发工具。

第三方面,是RISC-V作为新起势力,资源分配不均的难题。

目前来说大部分MCU厂商都是使用ARM架构,如果要增加RISC-V架构的MCU,既要在产能紧缺的同时分配资源,也要同客户协商合作,这些问题都会是的通用MCU市场RISC-V难以获得支持。

创新和生态是国内MCU公司迈向世界一流的关键,而RISC-V 作为全新的生态提供了合适的土壤。尽管RISC-V MCU的发展仍有难题,但在未来需求的推动下,作为新型事物的RISC-V MCU潜力巨大。