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国产32位MCU的发展历程:兆易创新篇

时间:2020-08-11 作者:顾正书 阅读:
到2022年全球MCU市场规模将达到240亿美元,其中中国MCU市场将达到320亿元,未来3-5年中国MCU市场将以8-10%的年复合增长率增长。对于国产MCU厂商来说,市场的快速增长和“国产替代”将是难得的良机,预计今年国产MCU厂商总的销售额将达到148亿元人民币,占中国MCU市场的55%。以兆易创新为代表的国产MCU厂商在32位MCU市场是如何发展起来的呢?
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据国内外权威市调机构预测,到2022年全球MCU市场规模将达到240亿美元,其中中国MCU市场将达到320亿元,未来3-5年中国MCU市场将以8-10%的年复合增长率增长。对于国产MCU厂商来说,市场的快速增长和“国产替代”将是难得的良机,预计今年国产MCU厂商总的销售额将达到148亿元人民币,占中国MCU市场的55%。

中国大陆本土的MCU厂商就有30-40家,但有一定规模和实力的厂商屈指可数。根据2019年国内MCU厂商的上市公司财报,中颖电子以7.79亿元的MCU销售额占据第一的位置;兆易创新的MCU收入为4.43亿元;上海贝岭的MCU营收为2.31亿元;东软载波为2.12亿元。

以兆易创新为例,2018年该公司MCU业务在国内整体MCU市场上占有率为2.09%。而根据IHS的统计数据,在国内Cortex 32位MCU市场,兆易创新市占率为9.4%,仅次于ST(47.4%)和NXP(25.2%),位居第三。

在7月底举行的兆易创新全国巡回研讨会上,代理总经理何卫先生总结了其MCU产品线所取得的成绩。兆易创新积极布局32位通用型MCU市场,目前已经形成近27个系列、360多款芯片的产品矩阵,以ARM Cortex-M系列为主的MCU产品跻身高端市场,同时也开始量产基于RISC-V内核的MCU芯片。截至今年6月,其MCU芯片累积出货量已经达到4亿颗,国内外客户超过2万家。近4年来,MCU产品保持着22.%的复合增长,毛利率一直维持在45%左右。

像兆易创新这样的国内MCU厂商,未来增长空间仍然很大,特别是在新兴的物联网、汽车电子,以及工业控制领域。

32位MCU发展历程

据兆易创新MCU事业部产品经理陈奇介绍,在国内32位MCU的发展历史上,兆易创新创造了四个“第一颗”。2013年4月,发布第一颗国产Cortex-M3 32位MCU;2016年6月,发布第一颗国产Cortex-M4 32位MCU;2018年10月,发布第一颗Cortex-M23 32位MCU;2019年8月,发布第一颗国产RSIC-V 32位MCU。

第一颗国产Cortex-M3 32位MCU

2013年6月,在《电子工程专辑》对兆易创新MCU产品事业部总经理邓禹的专访文章《兆易创新:从Flash到MCU,不走寻常路》中,揭示出国内首款基于ARM Contex-M3内核的32通用MCU产品的开发历程。现在的MCU需要闪存配合,32位MCU在某种程度上甚至被称作Flash MCU,所以对拥有自主知识产权Flash产品的兆易来说,做MCU是件很自然的事情。

最早发布的GD32F103系列32位MCU具有哪些特色呢?首先,实现了内核对Flash访问的零等待。根据Dhrystones和CoreMark测试结果,GD32的代码执行效率比市场同类产品提高30%-40%。另外,还针对节能和电池供电等应用场合进行了优化,GD32提供了三种省电模式,同主频下的工作电流比市场同类产品降低20-30%,最高主频下的全速运行功耗仅为1.05mW/MHz。

现在的GD32 MCU采用32位ARM Cortex-M3内核,运行频率最高可达108 MHz,Flash存取达到零等待状态,同时还提供高达3024 KB的片上闪存和高达96 KB的SRAM,支持连接到两条APB总线的增强型I/O口和各种片内外设。此系列MCU提供高达3个12-bit 1MSPS ADC和10个通用型16-bit 定时器,1个PWM高级定时器,以及配备标准型和高级通信接口:高达3个SPI、2个I2C、5个USART,以及1个USB 2.0 OTG FS和2个CAN。

GD32 MCU适用于工业控制、人机交互、电机驱动、电源监测和报警系统、消费品与手持设备、太阳能光伏控制、触控面板、个人电脑外设等领域。

第一颗国产Cortex-M4 32位MCU

2016年6月,兆易创新推出基于ARM Cortex-M4内核的GD32F450系列高性能微控制器,工作主频达到200MHz。GD32F450系列MCU采用55nm低功耗工艺制程,整合了强大的运算效能和出色的功耗效率,并集成了更多的片上资源和接口外设,适合工业控制、电机变频、图形显示、安防监控、传感器网络、无人机、机器人、物联网等市场应用。此外,该系列MCU还具备优异的静电防护(ESD)和电磁兼容(EMC)能力,符合工业级高可靠性和温度标准。

现在,GD32F4系列是基于ARM Cortex-M4 内核的32位通用微控制器,属于GD32 MCU产品家族的增强型高性能产品系列。Cortex-M4内核包含一个浮点运算器(FPU),可提高单精度浮点运算速度,并支持所有ARM单精度指令和数据类型。此内核可执行全套DSP指令,以满足数字信号控制对于兼具效率和易用性的控制和信号处理功能的需求。同时,还配备内存保护单元(MPU)和强大的跟踪能力,以增强应用安全性和满足高级调试的需求。

GD32F4产品系列可广泛用于互联和高阶应用,尤其是在工业控制、消费电子和手持设备、嵌入式模块、人机交互、安全性与警报系统、图形显示、汽车导航、无人机、物联网等领域。

第一颗Cortex-M23 32位MCU

2018年10月,兆易创新正式推出主频达72MHz的GD32E230系列超值型微控制器,开启Arm Cortex-M23内核普及应用的全新世代。Arm Cortex-M23是Cortex-M0和Cortex-M0+的继任者,基于最新的Armv8-M架构的嵌入式微处理器内核。采用冯诺依曼结构二级流水线,支持完整的Armv8-M基准指令集,最大限度地提高了代码的紧凑性。并兼容所有的Armv6-M指令,可以帮助工程师将代码从Cortex-M0/M0+处理器转移至Cortex-M23。全新的Cortex-M23内核配备了单周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件分频器、嵌套向量中断控制器(NVIC)等独立资源,并强化了调试纠错与追溯能力更易于开发。

GD32E230系列的第一个产品主频高达72MHz,配备了16KB到64KB的嵌入式闪存及4KB到8KB的SRAM,配合内置的硬件乘法器、除法器和加速单元,在最高主频下的工作性能可达55DMIPS, CoreMark测试可达154分。同主频下的代码执行效率相比市场同类Cortex-M0产品提高40%,相比Cortex-M0+产品也提高30%以上。

现在的GD32E23x属于GD32 MCU产品家族的超值型产品系列,是基于ARM Cortex-M23 内核的32位通用微控制器。对于有紧凑型设计要求的MCU和嵌入式应用来说,该处理器通过小巧而强大的指令集和大量的优化设计,提供高能效,以及高端的处理硬件,包括1个单周期乘法器和1个17周期除法器,从而提供了很高的能源效率。

GD32E23x 系列 MCU适用于工业控制、电机驱动、人机交互、电源监测和报警系统、消费品与手持设备、游戏和全球定位系统、电动自行车等。

第一颗国产RSIC-V 32位MCU

2019年8月,兆易创新率先将开源指令集架构RISC-V引入通用微控制器领域,正式推出全球首个基于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支持,并持续打造RISC-V开发生态。

GD32VF103系列MCU采用基于开源指令集架构RISC-V的Bumblebee处理器内核,这是兆易创新携手RISC-V处理器内核IP开发商芯来科技,面向物联网及其它超低功耗场景应用自主开发的一款商用RISC-V处理器内核。Bumblebee内核采用32位RISC-V开源指令集架构并支持定制化指令,更优化了中断处理机制。不仅配备了64位宽的实时计时器、可以产生RISC-V标准定义的计时器中断,还支持数十个外部中断源,具有16个中断级别和优先级,并支持中断嵌套和快速向量中断处理机制。低功耗管理可以支持两级休眠模式。内核支持标准JTAG接口及RISC-V调试标准, 适用于硬件断点和交互式调试。Bumblebee内核也支持RISC-V标准的编译工具链,以及Linux/Windows图形化集成开发环境。

GD32VF103系列RISC-V MCU提供了108MHz的运算主频,以及16KB到128KB的片上闪存和6KB到32KB的SRAM缓存,gFlash专利技术支持内核访问闪存高速零等待。Bumblebee内核还内置了单周期硬件乘法器、硬件除法器和加速单元应对高级运算和数据处理的挑战。

兆易创新还联合芯来科技为GD32V系列MCU提供了免费集成开发环境Nuclei Studio。这个全新IDE基于开源的Eclipse架构,并集成了GCC、OpenOCD等RISC-V相关工具。用户可以快速上手并方便的完成代码编写、交叉编译、在线调试、程序烧写等一系列开发流程。第三方合作伙伴也提供了更多IDE和工具选择,包括Huawei IoT Studio、SEGGER J-Link V10及Embedded Studio等均已支持。嵌入式操作系统包括μC/OS II、FreeRTOS、RT-Thread、Huawei LiteOS等也已全面适配并可以直接连接至云。这些都极大程度的简化了开发难度。

MCU产品规划线路

目前,GD32 MCU产品家族提供了完整的MCU产品线。根据性能分为:入门型、主流型、高性能,以及专用型四大类;根据内核分为Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M23和RISC-V四个系列。其中,Cortex-M23系列都是入门级MCU;Cortex-M3系列横跨入门型、主流型、高性能三个类别;Cortex-M4系列覆盖全部性能品类;RISC-V系列暂时只有主流型产品GD32VF103。

在产品未来规划方面,未来三年将重点关注无线连接、超低功耗、汽车级产品。比如无线连接,今年兆易创新推出loT领域的Wi-Fi产品,后续将会面向工业级别市场推出相应的产品;超低功耗MCU主要针对电池供电的设备、便携式设备以及可穿戴设备;汽车级产品,包括满足汽车级产品认证、车身控制系统、辅助驾驶系统。

从产品发展趋势看,GD32 MCU全系列产品会向下兼容,以精简电路结构,节省开发成本。面向工业控制、无线连接和边缘计算应用场景的Cortex M33和M7系列也在规划中。

按照MCU事业部总经理邓禹的说法,兆易创新意在打造MCU的“百货商店”,未来将更好地集成RF、存储、传感器,以及模拟和数字逻辑等功能模块,为客户提供更加完整而高性价比的MCU产品。

结语

在国内高端32位MCU市场,主导厂商还是以ST、NXP、英飞凌和Silicon Labs等国际大厂为主,特别是在工业控制和汽车电子等对MCU性能和质量要求比较高的应用领域。作为国产MCU厂商的代表,兆易创新以微控制器、存储器和传感器三大系列产品线积极开拓国内市场,其规模和联动效应已经初见成效。当然,构建MCU生态对国内厂商来说还是有很大的挑战,这需要持续的资源投入和市场培育。以RISC-V内核为中心,针对新兴的物联网应用来构建新的MCU生态,无疑是国产MCU厂商值得探索的发展之路。

兆易创新将参加2020全球MCU技术与应用峰会,并在主题演讲和圆桌论坛中分享GD32产品线如何打造智能创新的MCU解决方案。欢迎报名参加峰会

责编:Amy Guan

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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