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兆易创新全球首发RISC-V通用MCU,对中国意味着什么?

时间:2019-08-23 作者:黄烨锋 阅读:
在这样一个对中国而言相对特别的历史时期,RISC-V在中国似乎有着更加广泛的群众基础。其实质是在(1)IoT市场前景看好RISC-V的基础上,(2)对中国而言RISC-V具备更加“自主可控”的特点。但我们聊到RISC-V时,除了说他的优势特性,一个绕不开的话题就是“生态”问题:相较Arm、x86这类生态已经十分成熟的商业架构,生态问题是否会制约RISC-V的发展?
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在这样一个对中国而言相对特别的历史时期,RISC-V在中国似乎有着更加广泛的群众基础。就像中国工程院院士倪光南在兆易创新的RISC-V内核32位通用MCU新品发布会上总结的那样,“RISC-V基于标准宽松的BSD许可证,可自由免费地使用设计CPU、开发并添加自有扩展指令集,自主选择是否公开发行、商业销售或更换其他许可协议,或者完全闭源使用。”

其实质是在(1)IoT市场前景看好RISC-V的基础上,(2)对中国而言RISC-V具备更加“自主可控”的特点。能满足这两点的指令集大概并不多,比如龙芯在IoT这类新兴市场的前景或许还有待观望;而Arm则在自主可控的问题上存在诸多变数。这大概也是RISC-V得以快速生根发芽,甚至在某些特定领域即将与霸主Arm一争高下的历史原因。

与此同时,在我们聊到RISC-V时,除了说RISC-V具备精简、开源、灵活、模块化、可配置、“没有历史包袱”这些优势特性,一个绕不开的话题就是RISC-V的“生态”问题:相较Arm、x86这类生态已经十分成熟的商业架构,生态问题是否会制约RISC-V的发展?

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这里的“生态”在我们的理解中,在绝大部分语境里是指软件栈是否完善,比如说操作系统,还有nodeJS这类组成部分。如果是这样的生态,那么RISC-V或许真的很难挑战Arm、x86,尤其是移动、桌面、服务器这类对软件栈生态依赖如此之重的市场。但IoT市场的情况却不是这样的。MCU本身就是个“碎片化”的市场——或者说,这是个灵活的市场;或者说这是个客户需求相对多样化的市场,即便是Cortex-M如此成熟的架构统领市场这么长时间,也并没有破除IoT的这种市场特性。

比如即便到现在IoT领域也并没有一个一统江湖的操作系统;甚至对某些垂直能力比较强的终端厂商,自己做core用在自家产品中,根本就不需要考虑生态问题。所以,IoT此时是体现RISC-V精简、开源、灵活、模块化、可配置的绝佳场景。

如嵌入式软件协会副理事长何小庆在会上所说:“做生态最难的实际是移动市场,其次是桌面、服务器。而IoT生态实则要容易得多,IoT生态链本身就比较短。”芯来科技CEO胡振波则提到:“服务器、桌面的软件生态难以逾越,但在嵌入式领域,软件生态并没有人们想象得那么可怕,甚至并没有什么太大的软件生态。”

上面这些,是RISC-V得以在短期内高速发展,以及兆易创新发布RISC-V内核32位通用MCU芯片的时代背景。在这些时代背景的促成下,RISC-V通用MCU的推出也显得顺理成章。

第一个基于RISC-V的32位通用MCU

兆易创新这次正式推出的,就是基于RISC-V的32位通用MCU,GD32V的首个产品系列GD32VF103,面向的是“主流型开发需求”,其主要配置情况如下:

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• 基于RISC-V的Bumblebee内核(与芯来科技合作设计);
• 主频108MHz,16K-128K Flash闪存,8K-32K SRAM缓存;
• 2.6-3.6V供电,I/O口可承受5V电平;
• 配备1个支持三相PWM互补输出和霍尔采集接口的16位高级定时器可用于矢量控制;4个16位通用定时器;2个16位基本定时器;2个多通道DMA控制器;中断控制器(ECLIC)提供68个外部中断、可嵌套16个可编程优先级;
• 集成2个2.6M SPS采样率的12位高速ADC,提供16个可复用通道,支持16-bit硬件过采样滤波功能和分辨率可配置功能;2个12位DAC;
• 外设连接包括USAR *3、UART *2、SPI *3(支持四线制,新增多种传输模式,可扩展Quad SPI NOR Flash实现高速访问)、I2C *2(支持快速Plus(Fm+)模式,频率最高1MHz(1MB/s))、I2S *2、CAN2.0B *2,USB 2.0 FS OTG *1(支持Device、HOST、OTG等多种模式),EXMC(外部总线扩展控制器,可连接NOR Flash、SRAM等外部存储器);
• -40℃~85℃工业级操作温度;
• 每颗芯片唯一ID,gFlash专利技术,实现片上存储加密技术;
• 对应的Arm产品型号(GD32V对应GD32),封装与引脚兼容、软件开发兼容。

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具体到产品,GD32VF103系列首批是14个型号,如上图所示,除了闪存容量主要差别外,包括四种不同的封装类型选择。这些产品已“全部实现量产,且上市销售”。尤为值得一提的是,基于RISC-V的MCU产品具备“完整的兼容性”,GD32V系列(RISC-V)和经典的GD32系列(Arm)之间“建立起了快速通道”,“搭建Arm和RISC-V的桥梁”,在两个阵营间相互切换,早前的Arm用户可以实现快速切换,增强了代码的复用性,“让跨内核的MCU选型和设计”变得很方便,“这是我们非常领先的,前所未有的创新”。

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这里值得大书特书的应该就是联合芯来科技,共同定制的这个商用RISC-V内核Bumblebee(大黄蜂)。这个内核设计了二级变长流水线架构,支持指令预取和动态分支预测;支持RISC-V RV32IMAC指令集;支持32位宽的指令内存(ILM)和数据内存(DLM);集成单周期乘法器与多周期除法器;”融入多种低功耗设计方法“。”达到三级流水线的性能“。

兆易创新官方公布的数据中,GD32VF103系列MCU,在最高主频下的工作性能达到153 DMIPS,CoreMark测试得分360分。相比经典GD32的Cortex-M3内核同型号产品,这个分数提升了15%;此外在功耗方面,最大动态电流降低50%,待机电流降低25%。实际针对CoreMark测试项,以及指令集本身的特性,这个分数可能还有商榷余地,不过这组数据依然十分优秀,可能会是诸多客户选择转向RISC-V新产品的一大动力。

实际上,设计Bumblebee商业核的这家芯来科技,其蜂鸟E203开源核早前在行业内就已经相当知名了,和RI5CY、Zero-Riscy(这两者都由苏黎世联邦理工大学与博洛尼亚大学联合设计)之类的开源核在Github上都是齐名的。蜂鸟E203已经广泛地应用在了教学中,早前蜂鸟E203就有相对知名的基于FPGA实现的RISC-V开发板(基于Xilinx Artix-7系列FPGA-XC7A75T)问世。

芯来科技本身的产品布局规划还是比较全面的。芯来科技创始人胡振波在介绍中着重提到了其200系列32位超低功耗RISC-V处理器,有对标8051或Cortex-M0的N201,对标Cortex-M0/M0+的N203,对标Cortex-M3的N205,对标Cortex-M4F的N207。

这次的Bumblebee看起来应该就从属N205系列,或属改进款——这也基本符合GD32VF103和N205已公开的性能与功耗数据。按照胡振波所说,N205可以做到Cortex-M3级别的性能,Cortex-M0+级别的功耗。

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这里尤为值得一提的是可体现开发灵活性的NICE(Nuclei Instruction Co-Unit Extension)指令扩展机制。“商业芯片公司客户,可以通过标准IP加上自己的指令扩展,完成特定领域的差异化,面向特定场景,加入加速指令集。这样就能在产品中提高差异化、能效比了。”

这一点在兆易创新的GD32V产品中也有所体现,GD32VF103的Bumblebee内核示意图中也出现了“指令扩展和协处理单元”,应该就是NICE的具象化。这种机制对于“通用”产品而言,可一定程度补足专用性短板的,属于个性强化。。

另外,芯来科技在IP上愈发注重安全性——注重安全性本身就是一个技术步入成熟的标志。目前已有的RISC-V内核安全特性包括通过指令随机化和功耗随机化来防止“旁路攻击”(应该是指side-channel attack);另外支持物理内存保护,用户态以及用户态中断和异常;前面提到的NICE接口可扩展加密相关的指令和硬件算法实现,也算是安全与灵活性的一种体现。

这些安全方案实际还很难说是完善的,不过胡振波提到,类似TrustZone这样的TEE特性也已经在研发中了。由此可见,RISC-V的成熟速度的确是惊人的,ARM可是用了几倍时间才到达如此程度的。这也是“后发优势”的一种体现。

开发生态搭好了吗?

目前市面上已有的RISC-V架构芯片已经越来越多,比如华米科技的AI芯片黄山1号、中天微的RISC-V第三代指令系统架构处理器CK902、睿思芯科的AI芯片Pygmy等。这些芯片的推出,都能体现IoT市场对定制的需求。所以这些芯片并不具备“通用”属性,在愈发不具备通用属性的情况下,“碎片化”或者个性也就愈发凸显,如文首所述,这类产品本身也并不需要多么庞大的生态。

而兆易创新这次发布的GD32V系列属于通用MCU,即便不谈软件栈的生态,在面向客户做具体开发时,仍然要求一整套完整的开发生态——否则也很难体现出产品的易用性的,或者说光有性能和功耗优势,也仍然很难说服客户转向RISC-V的GD32V系列。或许前面提到的“完整兼容性”,比如RISC-V和Arm版之间实现封装、引脚的兼容和软件开发的简单可移植性,可以认为是生态搭建的其中一部分,那么其余部分呢?

我们在本次发布会的会场外,看到了不少GD32VF103系列产品的实际应用。

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比如上面这个来自格致微芯的微型热敏打印机解决方案,MCU所用的就是兆易创新的GD32VF103C8。这个方案可适用于POS打印机、税控打印机、ATM等设备的内置微型打印机设备中,现场就能直接打印。

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再比如这个同样基于GD32VF103C8的USB多点触摸设备。下面的触摸屏采集触摸信息,通过I2C传输给主控芯片GD32VF103C8,实现触控操作,同时可识别1-5个触摸点位。具体的应用场景实际也无需都多说了,比如大屏幕互动展示、互动游戏、智能家居等。

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上面这个示例则是来自芯片超人的空气净化器方案,GD32VF103C8在此负责控制负离子、臭氧、电机等外设工作。方案中的传感器进行数据采集,实时反馈控制外设,进行外界环境调节,来实时监控温湿度、PM2.5等。更多应用还可以参见本文文末的附图。

看起来在GD32VF103具体应用场景和产品的开发上,速度还是相当之快的。要实现这种易用性和开发的速度,就必须提供完整的开发生态。在GD32VF103系列产品发布的当下,兆易创新MCU事业部产品市场总监金光一就表示,不仅“提供硬件平台”,RISC-V的开发生态也已经准备就绪,“用户使用手头的开发工具就能实现RISC-V的研发了”。

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这其中包括基本的IDE(集成开发环境)、调试下载工具、嵌入式操作系统,以及上至云端解决方案;当然除了这个链条也少不了像上面看到的开发板,包括全功能评估板、入门级学习板、电机控制开发板、触摸控制开发板、航模电机驱动板等具体场景应用的引导。

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GD32VF103R-START与GD32VF103C-START最小系统板

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开发实例,实物见下图

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GD32VF103V-EVAL全功能开发板,与GD-Link三合一工具(支持在线调试、烧录、脱机烧录)

IDE支持就包含了三种,包括芯来科技在主推的Nuclei Studio——基于Eclipse IDE框架,是个免费的绿色IDE;还支持华为IoT Studio,以及相当有名的德国SEGGER Embedded Studio,据说SEGGER对于融入到兆易创新的RISC-V大家庭中来也充满了积极性。调试下载工具的支持亦包括SEGGER J-Link V10,以及兆易创新自家准备就绪的GD-Link。

在嵌入式操作系统方面,包含了主流的系统支持,如FreeRTOS、Huawei LiteOS等。基于与华为云的云连接合作,配合Huawei LiteOS,“10分钟就连接到华为云”。这样一来,也就完成了这套开发生态的初步规划。另外再搭配已经在合作的开发者社区,以及联合学校科研机构进行RISC-V的人才持续培养计划(如“兆易创新杯”中国研究生电子设计竞赛),生态的正向循环是可持续的。

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基于GD32VF103VB十分钟上华为OceanConnect云方案展示

“我们联合多家厂商,包括做软件、中间件、集成开发环境、调试下载工具、终端解决方案的厂商。”金光一表示,“单靠我们芯片端是远远不够的,还需要上下游来补充,提供开放式的平台,基于MCU有了更多的第三方合作伙伴。我们把开发生态准备就绪,客户直接使用手头的工具,就能开发RISC-V产品了。”“我们也是第一家将RISC-V通用MCU真正落地的,解决从无到有的问题。”

不过毕竟是“通用”MCU产品,针对碎片化问题,比如不同企业可能发展属于自己的扩展指令;以及各芯片企业自己各自维护自己的开发生态,这都会是个耗时耗力以及对RISC-V大生态不利的过程。兆易创新期望通过加入各种RISC-V联盟、组织,比如加入RISC-V基金会的方式,逐步“形成气候,在生态建设过程中有更为规范化的发展。”

何小庆也提到,在发展中要防范碎片化,在政府加强引导先做标准化的前提下,先共同做大蛋糕,在发展之后再考虑差异化——这实际也符合现如今兆易创新先推常规RISC-V通用MCU的策略。与此同时,要让RISC-V真正在商业基础上起飞,仍然需要商业级的工具和软件出现,这可以期待RISC-V也Linux基金会的合作拉动。

兆易创新的MCU“百货公司”战略

到今年7月份,兆易创新MCU出货量正式超过3亿大关——这和早前达到1亿、2亿出货量所需的时间相比是越来越短的。“RISC-V也会拉动我们的出货量,虽然还要看市场的实际表现,但我们认为出货量是可期的。”金光一表示。

兆易创新的MCU产品,加上Arm架构的,入门型到高性能增强型是全范围覆盖的。GD32现有的Cortex-M产品系列就有22款。目前公司的MCU研发中心有4个,市场销售中心5个,覆盖在全国各地。在GD32的规划中,除了产品的进一步成熟度加强(比如M33明年就会加上TrustZone),未来汽车级高可靠性领域也将涉足,MCU产品将用于车身电子和ECU控制,需符合AEC-Q100和ISO26262。

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中国工程院院士倪光南与兆易创新执行副总裁、MCU事业部总经理邓禹

但在兆易创新执行副总裁、MCU事业部总经理邓禹看来,这个成就还是不够的。“IHS Markit数据显示,国内Arm Cortex-M MCU市场排名中,兆易创新排第三,市场份额为9.4%。虽然看起来相比2017年是有巨大成长的,但我们跟第一、第二名的差距仍然很大。”“目前我们的MCU业务只是站稳了脚跟,后面还有很长的路要走。”

在谈到兆易创新MCU“生态优势”这个问题的时候,实际我们还可以将层级放得更高一些。中芯国际CEO赵海军在开场致辞中提到:“兆易创新要打造生态,RISC-V就是生态。而NOR Flash就已经进入到生态中。”兆易创新这家公司2005年开始涉足存储器业务,2011年成立MCU事业部,两大业务的发展都相当出色,NOR Flash累计出货量也已经达到100亿颗;2019年兆易创新并购思立微,随之拓展了传感器业务。

存储器业务对MCU本身就有促进作用,加上合肥长鑫DRAM这一类合作,会强化国产MCU的优势。

存储、MCU、传感器的业务线形成之后,围绕GD32 MCU,兆易创新的产品丰富度还要进一步提升。“传感器信号需要送到CPU处理,信号链上的产品我们也在看。今年底,我们会发布集成电源管理、高精度的AD/DA、运放;传感器领域,思立微最早做触摸,后来做指纹,未来我们要持续布局光电传感器”。

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此外,融合自有业务,“我们要做加入无线连接功能的MCU,eRF,明年就会发布第一个加入WiFi连接的产品。”“这样一来未来的MCU产品会有三种形态:纯逻辑的,加入了存储的eNVM(早前Flash与MCU进行SiP封装打造的eFlash就获得了不错的市场反响),加入了无线连接的eRF。”

与此同时,“我们跟Arm仍是战略合作伙伴,而且未来Arm也会与兆易创新进行持续的战略合作。”这些将促成兆易创新的“一站式百货公司”规划,“以MCU芯片级解决方案,满足客户设计所需的各类产品”,“给客户多种多样的选择”。这是兆易创新对产品组合的规划。

“用户的任何需求都可以在这里得到满足,目前全球也还没有能做到这个程度的企业。这需要我们长期的努力。”邓禹说。

实则在金光一提到基于RISC-V的GD32V系列产品时,就能够瞥见兆易创新的这套思路:“终端客户怎样实现不同形式、不同应用、不同架构、差异化的产品。差异化有很强的市场需求。我们已经有了Arm架构的产品,RISC-V是对差异化的补充。这是来源于市场需求。我们在业界第一个切入RISC-V赛道,给客户提供差异化产品本身是下定决心的;这次推的是主流均衡性,未来还会有入门计算、高性能计算产品。这就是百货商店的一部分,给客户多种选择。”

x86、Arm、RISC-V三分天下

倪光南在对比x86、Arm和RISC-V时,提到了RISC-V很可能发展成世界主流CPU之一,从而在CPU领域形成Intel、Arm和RISC-V三分天下的格局。这个预判依据已经在前文提到,在IoT乃至AIoT的时代热点下,这三者实际都有自己的市场,且将同步并行发展。

当前在Arm出现,并与x86分一杯羹之时,这“一杯羹”实际上是x86始终都不曾得到的移动市场;且Arm的这种成功也并没有促成它在桌面和服务器市场的实质性发展。RISC-V的出现与当年Arm出现时的局势类似,IoT领域与当年的移动领域又是截然不同的,RISC-V具备在这一领域深耕的所有客观条件,但与此同时,它或许也难以撼动x86、Arm霸占的市场分毫。这也并不影响三分天下的局势形成。

在这样的历史条件下,RISC-V的崛起却为中国半导体行业的发展真正带来了机遇。金光一说:“GD32VF103芯片的研发设计、流片、封装测试,整套流程都是在中国国内完成的,自主可控,可应用于特定垂直市场。”这是个很好的开端。

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胡振波将MCU的生态发展切分成了三个阶段:“整个MCU发展历史的第一个阶段,那个时候所有的公司都有独属于自己的架构,当时中国厂商根本就没有机会入场;第二阶段,Arm生态太成功了,把以前每家独立的架构都颠覆了。Arm通过生态影响力,把32位MCU做成了事实标准,统一了生态,扩大了市场。但我们中国还是跟着人家‘吃土’。”

“要是RISC-V没出现,中国可能还在‘吃土’。现在中国赶上了这样一个时代,在完成市场原始积累阶段之后,全面拥抱RISC-V。兆易创新今天就走在了世界的最前面,这是值得钦佩和骄傲的。”

但与此同时,“要做好艰苦斗争的准备。在很长的一段时间里,这都需要一个过程。这个认知过程比我们想象得还要复杂。必须坚持下去,有信心。兆易创新的号召力变得更强了,后面的朋友都会来的。”“兆易创新做出了一颗RISC-V通用芯片,这是万里长征的第一步。”

更多大会内容:

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这是基于GD32VF103RB BLDC的通用控制DEMO,基于这颗芯片,实现多种常用的有霍尔与无霍尔的定位方法,对于BLDC方波控制方案有指导性

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基于GD32VF10RB的智能车方案:通过方波控制、ADC、脉冲计数等资源实现舵机转向控制、速度闭环控制;基于电磁信号的自主轨迹以及基于距离检测模块的避开障碍物功能。

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基于GD32VF103C8核心开发板Longan-nano,外接AI模组进行人脸识别,并通过控制机械臂进行追踪

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  • 搜索芯来科技进入芯来官网就可以,有手把手的教程。自学也不错。
  • 是加州大学伯克利分校,跟加州理工学院不是一个学校......
  • 本来想点向上的拇指,不小心点向下的拇指了。
  • 指令集开源是有本质差别的,指令集开源不是软件开源,也不是 IP core 开源。这位有空可以去看一下  Computer Architecture - A Quantitative Approach 5E,其中一句关于 Architecture 的解释:"Several years ago, the term computer architecture often referred only to instruction set design. Other aspects of computer design were called implementation, often insinuating that implementation is uninteresting or less challenging." "We believe this view is incorrect. The architect’s or designer’s job is much more than instruction set design, and the technical hurdles in the other aspects of the project are likely more challenging than those encountered in instruction set design." 你所谓的指令集“自己发源”根本就不是难事,而真正的难点恰恰就是 implementation...
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  • 如何学习这个芯片有没有教程?有没有芯片或技术手册/指南?如何购买开发板?
  • 这个控制用CPU艰难的开端,中国加油!
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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