RISC-V助力國產(chǎn)MCU突圍

胡振波 徐來

MCU在汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療保健等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，市場規(guī)模巨大，整體需求仍在持續(xù)增加。IC Insights預(yù)測，從2018年到2023年，MCU銷售額的年復(fù)合增長率為3.9%，并在2023年達(dá)到213億美元;這期間MCU單位出貨量的年復(fù)合增長率達(dá)到6.3%，到2023年有望達(dá)到382億片。

MCU產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈四個趨勢

隨著AIoT時代的到來，MCU產(chǎn)業(yè)發(fā)展也呈現(xiàn)出了如下趨勢。

一是32位MCU逐漸成為主流。雖然至今8位MCU在存量市場占有大量份額，但隨著汽車電子、可穿戴設(shè)備等需要更加復(fù)雜的控制和需要一定運(yùn)算能力的應(yīng)用驅(qū)動，32位MCU在2018年通用MCU出貨量便已經(jīng)占據(jù)了60%以上，并且這一比例仍在持續(xù)增加。

二是應(yīng)用定義MCU。AIoT的最大特征就是應(yīng)用場景多，一類場景里又包括傳感器、連接控制、數(shù)據(jù)處理、智能決策等。每個場景對系統(tǒng)的功能、性能、安全、可靠性、功耗的需求不同，因此對應(yīng)用于不同場景的MCU提出了差異化需求。另外，AIoT的一個特征就是市場變化快，因此MCU產(chǎn)品隨著市場需求迭代的速度也變得比以往要快。

三是智能化勢不可當(dāng)。越來越多的基于語音、圖像和視頻的應(yīng)用如雨后春筍般涌現(xiàn)，例如智能音箱、人臉識別的閘機(jī)等，對于這類應(yīng)用，一線MCU企業(yè)推出了一系列兼具高性能和低功耗，并且?guī)SP、矢量，或針對特定算法的加速單元的產(chǎn)品。但受到架構(gòu)、功耗和算力的限制，MCU目前更加側(cè)重輕量級智能應(yīng)用。

四是安全性迫在眉睫。由于人臉、指紋、聲紋等在支付、電子鎖等應(yīng)用里廣泛使用，以及物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量的增多讓用戶的私密數(shù)據(jù)多了泄露的渠道，因此對數(shù)據(jù)處理和傳輸安全的要求迫在眉睫，對MCU的安全設(shè)計成了剛需。

而目前整個MCU的現(xiàn)狀則是產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，價格也逐漸走低。由于絕大數(shù)32位MCU基于ARM內(nèi)核，導(dǎo)致了產(chǎn)品定義難以做到差異化，而同質(zhì)化產(chǎn)品的競爭導(dǎo)致了價格走低，雖然促進(jìn)了32位MCU的普及，但也給MCU公司對未來產(chǎn)品的規(guī)劃、定義和設(shè)計提出了更大的挑戰(zhàn)。

為適應(yīng)各種場景RISC-V應(yīng)運(yùn)而生

縱觀MCU的發(fā)展歷史，從上世紀(jì)70年代MCU初現(xiàn)，到2000年初期，包括In-tel、TI、摩托羅拉、NEC等，各家的MCU產(chǎn)品都具各自處理器指令集架構(gòu)和微架構(gòu)，并需要自建軟硬件生態(tài)。由于生態(tài)建設(shè)周期長、投入大，這種資源分散的局面導(dǎo)致該階段MCU的發(fā)展非常緩慢。到2004年，ARM Cortex-M系列出現(xiàn)，意法半導(dǎo)體于2007年推出首款基于Cortex-M3的MCU產(chǎn)品系列STM32。得益于相對統(tǒng)一的處理器指令集架構(gòu)和基于ARM的微架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，各MCU公司的處理器生態(tài)建設(shè)和維護(hù)成本大大降低，可以將更多的資源投入到具體MCU產(chǎn)品相關(guān)的應(yīng)用生態(tài)上。2008年，在物聯(lián)網(wǎng)和汽車智能化趨勢的驅(qū)動下，基于Cortex-M系列的32位MCU得以迅速普及。與此同時也帶來了同質(zhì)化的問題，各MCU公司基于ARM的公版處理器難以做出有差異化的產(chǎn)品，競爭便主要集中在價格層面。

但隨著AIoT逐漸走向成熟和大規(guī)模應(yīng)用，面對豐富的“碎片化”應(yīng)用場景，ARM相對封閉的指令集架構(gòu)和內(nèi)核研發(fā)速度顯然無法跟上時代的需求，于是RISC-V便應(yīng)運(yùn)而生了。RISC-V是一種簡單、開放、免費(fèi)的全新指令集架構(gòu)，它最大的特點(diǎn)是“開放”，它的開放性允許它可以自由地被用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售基于RISC-V的芯片或軟件，這種開放性，在處理器領(lǐng)域是第一次。另外，RISC-V具有技術(shù)上的后發(fā)優(yōu)勢，能夠總結(jié)前人的經(jīng)驗教訓(xùn)，做到設(shè)計上的先進(jìn)性和相對簡潔。為了適應(yīng)AIoT新時代的需求，其指令集架構(gòu)具備模塊化和擴(kuò)展性特性，方便適應(yīng)各種應(yīng)用場景?？梢哉f，RISC-V是順應(yīng)了歷史發(fā)展規(guī)律的產(chǎn)物。

隨著2015年RISC-V指令集架構(gòu)開始由國際基金會維護(hù)，整個生態(tài)成長迅速，在不到五年時間內(nèi)，便有了超過350家、遍布28個國家的會員單位，包括西部數(shù)據(jù)、三星、臺積電、Microchip、NXP、Google等國際大廠。因此，RISC-V也成了名副其實(shí)的國際標(biāo)準(zhǔn)指令集。

RISC-V已經(jīng)具備相對成熟的生態(tài)體系

RISC-V經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，目前已經(jīng)具備了比較完善的軟硬件生態(tài)體系。隨著越來越多的軟硬件企業(yè)和愛好者的加入，它和ARM的生態(tài)差距逐漸變得微小。

就硬件生態(tài)而言，目前，RISC-V已經(jīng)具備相對完善的內(nèi)核可供選擇，包括開源和商用閉源的能夠?qū)?biāo)ARM ?Cortex-M到A系列的處理器。除此之外，RISC-V的擴(kuò)展特性更是可以根據(jù)用戶的實(shí)際應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)的處理器基礎(chǔ)上擴(kuò)展成為面向所在領(lǐng)域的處理器產(chǎn)品。

對于軟件生態(tài)而言，在工具鏈層面，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇基于Eclipse或VSCode的開源免費(fèi)工具鏈，也可以選擇像IAR、本土的卡姆派樂的商用工具鏈。對于RTOS而言，可有FreeRTOS、RT-Thread、華為的LiteOS、騰訊TencentOS、阿里AliOS和Zephyr等諸多選擇。另外，各家RTOS也提供了豐富的針對物聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)應(yīng)用的SDK?？梢哉f，軟件配套已經(jīng)非常完善。

RISC-V在軟硬件生態(tài)上的一個挑戰(zhàn)是人的使用習(xí)慣。過去很多嵌入式開發(fā)人員非常依賴Keil這一單一的IDE，轉(zhuǎn)到RISC-V的工具鏈上，雖然只需要很短的時間，但依然需要一個適應(yīng)過程。不過隨著RISC-V在學(xué)校和職業(yè)教育中的不斷普及，越來越多的人了解并使用RISC-V，這樣開發(fā)人員的生態(tài)便慢慢建立了起來。相信在不久的將來，這些由于習(xí)慣所帶來的挑戰(zhàn)將不復(fù)存在。

RISC-V滿足MCU產(chǎn)業(yè)變革需求

RISC-V由于其開放性，可以很好地滿足AIoT時代對MCU產(chǎn)業(yè)的需求。

一是由于RISC-V指令集架構(gòu)的開放性，能讓軟硬件更好地進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，為應(yīng)用提供最佳的軟硬件系統(tǒng)解決方案。

二是由于其模塊化設(shè)計，針對不同AIoT領(lǐng)域的應(yīng)用，可以選擇通過基礎(chǔ)指令集搭配適用于各類應(yīng)用場景的擴(kuò)展指令集，以在滿足功能的前提下實(shí)現(xiàn)最佳的能效比。

三是RISC-V天然具備擴(kuò)展能力，可以方便通過其指令擴(kuò)展能力和處理器IP公司提供的擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)對語音、圖像、加解密等算法的加速，或是通過插入特殊的指令來防止固件被盜版。并且由于其擴(kuò)展機(jī)制在目前開源編譯器里得到天然支持，因此擴(kuò)展指令集不需要修改編譯器。

四是由于指令集架構(gòu)相對統(tǒng)一，而軟硬件生態(tài)依據(jù)該指令集由各家公司或社區(qū)來實(shí)現(xiàn)，因此整體的生態(tài)建設(shè)成本被均攤，研發(fā)成本得到了降低。而且相對于封閉系統(tǒng)，開放系統(tǒng)的成長速度也隨之提升，以滿足市場日新月異的需求。

五是由于RISC-V被大量用于教育，在不久的將來，將有大量會使用RISC-V的人才走向社會，服務(wù)于產(chǎn)業(yè)。

RISC-V是國產(chǎn)MCU產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)突圍的一次機(jī)會

由于國際大MCU企業(yè)在創(chuàng)新和生態(tài)上的持續(xù)投入，使得他們贏得先發(fā)優(yōu)勢和生態(tài)壁壘，占領(lǐng)了國內(nèi)72.6%的市場。國內(nèi)MCU企業(yè)與這些國際大MCU企業(yè)差距巨大，產(chǎn)業(yè)聚集度低，多集中在低端電子產(chǎn)品應(yīng)用端，在中高端領(lǐng)域缺乏有力的競爭者。假如國內(nèi)企業(yè)依舊在ARM生態(tài)中，對國外廠商模仿、追趕，則很難實(shí)現(xiàn)突破。打破這種局面的關(guān)鍵就是全新的生態(tài)以及基于這種生態(tài)的創(chuàng)新，因此，選擇RISC-V這樣一種有活力和全新的生態(tài)是國產(chǎn)MCU產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)突圍的一次千載難逢的機(jī)會。

中國作為人口大國，在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時，消費(fèi)逐漸升級，大量物聯(lián)網(wǎng)需求應(yīng)運(yùn)而生，并形成應(yīng)用解決方案，這些應(yīng)用解決方案不止被用于國內(nèi)，更是輸出到了海外。由于我們具有應(yīng)用解決方案定義的主導(dǎo)權(quán)，因此也就有了MCU選擇的權(quán)利，這讓國產(chǎn)MCU具備了成功的要素。

RISC-V由于其開放生態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)讓國產(chǎn)處理器自主可控的同時，也可實(shí)現(xiàn)商業(yè)繁榮，彌補(bǔ)了國內(nèi)處理器產(chǎn)業(yè)的短板，讓關(guān)鍵領(lǐng)域的MCU實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

RISC-V作為一種全新且活躍的生態(tài)，是國產(chǎn)MCU企業(yè)打破國外MCU公司生態(tài)壟斷的一次歷史機(jī)遇。雖然RISC-V相對于ARM而言生態(tài)還需加強(qiáng)，但隨著越來越多的MCU公司參與到RISC-V開放生態(tài)的建設(shè)中來，RISC-V必將超越并成為未來的主流。

芯來科技是國內(nèi)聚焦RISC-V處理器研發(fā)、生態(tài)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)化的公司。針對MCU，芯來科技提供了從超低功耗到高性能的各種選擇。另外，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇安全（Secu-rity）和功能安全（Functional Safety）等特性。