从兆易创新刚发布的两颗芯片，洞悉国产MCU的技术实力

来自Omdia的数据，自2020年以来MCU微控制器的应用方向中，工业和汽车已经成为其市场价值的绝对大头，而且也是未来几年成长最快的应用方向——尤其是工业市场。工业作为MCU的基本盘。预计到2028年， 32位MCU的市场规模会达到将近70亿美金，复合年增长近6%。

作为中国大陆MCU芯片市场的领军者，兆易创新在工业领域的布局颇为深入。近期，兆易创新新品发布会上重磅推出了EtherCAT从站控制芯片和基于Cortex-M33的GD32G5系列MCU，就很能体现兆易创新加大工业自动化与数字能源方向的投入思路。

在发布会的媒体交流环节中，兆易创新CTO、MCU事业部总经理李宝魁特意指出：“我们在定义MCU产品之初，就与工业自动化领域的头部客户进行了深入的交流，力求精准把握他们的需求。在研发阶段，我们同样高度重视产品的性能、算力、功耗以及安全性等多个方面，以确保最终的产品能够完全符合客户的期望。”

借着这些新品的发布，我们多少能窥见兆易创新拓展工业MCU市场的方式，以及在上有国际一线大厂、下有新入局的一众国内企业激烈竞争的情况下，兆易创新对于MCU产品的态度和思考。

发布两颗EtherCAT从站芯片

前不久的慕尼黑上海电子展上，我们就见到过兆易创新展示的EtherCAT伺服从站方案——当时的方案基于GD32H7 MCU，EtherCAT从站控制器（以下简称ESC）还来自三方。在现如今的伺服与变频器应用场景内，EtherCAT大约已经占到六成以上的份额。

而这次，兆易创新不仅发布了自家的ESC，型号GDSCN832；还推出了集成了ESC的新型GD32H7系列产品GD32H75E。

上面这张图展示了GDSCN832，也就是ESC芯片的系统框图。它一侧通过以太网物理层完成EtherCAT实时通信，另一侧通过高速数据接口与FPGA或MCU进行实时数据交互，藉由I2C可连EEPROM。这颗芯片本身集成了3个网络端口，除了常见的环网，也可以实现其它多种多样的组网方式。内部集成的PHY可以选择直接使用，或者跳过并使用外部器件，如兆易创新产品市场总监李懿所说，将设计和BOM的灵活性留给客户。

GDESC832包含了8个Sync Manager, 8个FMMU，64位分布式时钟，及高速而多样的数据通信接口，包含QSPI/OSPI/EXMC等；集成PMU（集成1.1V内核稳压器，支持单3.3V电源工作；支持1.8V-3.3V可变电压I/O），也能简化客户的电路设计及研发流程。

这款产品的资源配置与接口速率，相较于主流产品均有同步量化提升；同时紧贴应用，杜绝无用的片上资源浪费，确保了最佳性价比。对于典型的伺服驱动器等终端产品形态，可以整体提高数据处理的并行度和传输速率，增强配置的灵活性，从而实现更为复杂的运动控制。

另一款是集成了ESC的GD32H75E MCU。MCU部分自然是继承了GD32H7的高性能传统，采用Cortex-M7核心，主频达到了600MHz。李懿还特别强调了是RAM ECC常开时可以达到600MHz，并支持高达512KB TCM，在国际上也是领先水平；片上的大容量1MB SRAM包含512KB TCM和512KB共享SRAM两部分，FLASH也同样高达4MB。

ESC子系统同样包含了2个工业级百兆以太网PHY。

其它的主要片上资源还包括3x CAN-FD, 2x USB，高性能数字滤波器HPDF用于接入外部Σ-Δ ADC，EDOUT（编码器分频输出控制器），以及强大的14bit ADC, 12bit DAC, 比较器等

这颗芯片将超高算力MCU、 ESC、 PHY、大容量内存、安全机制、及丰富的外设资源集成到一起，优势显然在于大幅缩减了PCB尺寸、降低板级系统成本，减少了系统总功耗。理想情况下，上述各指标均可以降低至一半甚至更多。

此外，各模块在芯片架构上紧密连接耦合，可有效提高数据传输速率，降低延迟，提高系统实时性。对于紧凑型伺服控制器和机器人等应用尤其有价值等紧凑型应用尤其有价值。李懿认为工业自动化未来的一大方向就是小型化和高集成度，“我们将最值得集成的部分集成进来，并且同时兼顾性能、成本和BOM灵活性等因素，用一个MCU的成本去解决一个系统大部分的问题，大家就更有动力去做设计和创新。”

尤为值得一提的是，兆易创新GD32H7 获得了TUV认证的IE61508功能安全证书，“走在业界前面”，对于超高性能Cortex-M7系列产品，甚至相比大部分国际竞品都做得更多更细。

功能安全交付包十分完整，包含硬件，软件，文档等各类安全要素。硬件上，该产品支持内存ECC, Watchdog, 供电电压监测, 内部温度传感器检测, 内存保护单元等

对应的核心与内存STL（self-test library）方面针对CPU, SRAM, Flash提供整套软件诊断解决方案，检测硬件失效；在安全应用层协议栈方面，“将FSoE协议栈适配到我们的标准EVK上”，还有更多安全/冗余协议栈正在开发适配中。

信息安全方面也明确了代码保护、安全启动、安全调试、TRNG、eFuse、硬件加密算法及安全生命周期管理等组成部分。李懿在此强调兆易的信息安全方案原则是“足够，但不过度”，确保“契合应用”、易用，并保证产品的性价比；而不是像其它产品过度堆砌安全特性，不仅无谓提高成本，而且大幅提高客户开发难度和周期。 

至于配套的生态开发资源，这已经是兆易创新多年积累的强项了，在此不做赘述。

GDSCN832开发板

面向能源市场的GD32G5系列

除了EtherCAT从站芯片，兆易本次发布会的另一个重头戏是GD32G5系列芯片——具体为GD32G553。GD32G5系列实际是对2020年发布的GD32E5系列的迭代。其典型目标市场包括服务器电源、微型逆变器、直流充电桩、UPS等。

GD32G553所用的内核为Cortex-M33，主频216MHz，128KB SRAM也囊括了特别面向内核的TCM（32KB），flash资源给到512KB。为增强数学运算能力，这颗MCU特别配了TMU, FAC和FFT加速器——据说TMU相较上代产品特别提升了效率；后两者则是G5系列新增的。

增强Timer主要体现在灵活高精度HRTIM, 相比上代产品支持更多PWM（16chs），可覆盖更多复杂拓扑；145ps分辨率——兆易创新资深产品经理刘璐介绍说，相比上代的90ps，这个值是在与诸多客户沟通后所做的调整，兼顾成本和性能；此外，支持更灵活的发波模式，以及外部事件及故障输入强化...

图中的3x24通道增强高级定时器，作为拓展PWM的一部分，刘璐在演讲中提到团队发现即便是16chs对某些客户而言仍然不够用，所以兆易为此应用推荐客户使用了“3个独立计数的ADTIM，总共24chs”，支持4.6ns分辨率，支持互补、前后死区、故障刹车，以及非对称模式实现移相等。

这些也构成了G5实现功率控制关键技术之一：更为出色的发波控制。

数字外设方面，G5支持4个CLA可编程阵列，1个高速QSPI，DDR模式下最高支持到200MHz——相比很多竞品的数据吞吐率领先2倍以上，满足高速扩容需求；

模拟外设的增强，则令其模拟资源非常丰富，4个12bit 5.3Msps ADC, 8个比较器, 4个总共8通道DAC，也支持外部Σ-Δ调制器的高性能滤波器。这部分的配置，也在于强调功率控制的另一个关键技术：感测——刘璐特别提到这些资源在数据采集、系统保护、辅助发波方面的优势，由于篇幅限制，此处不做赘述。

功能安全与信息安全方面涵盖诸多常见方案，尤其功能安全，“明年Q1我们会提供完整的safety package，实现系统级SIL2的功能安全目标”。

在产品可靠性方面，尤为值得一提的是更宽的温度范围（-40~135℃），相比此前工业级产品的最高结温125℃也有了提升。另外，除了兆易自有失效分析实验室能够及时响应和定位问题；产品本身的可靠性测试结果普遍优于竞品；而且兆易还特别提供基于mission profile的产品寿命计算模型，用户可以据此来做计算。

开发生态及资源同上述EtherCAT从站芯片所具备的优势，也不再另行介绍。

GD32G5评估板

有关GD32G5系列，值得额外花笔墨的，除了刘璐介绍中提及其功率控制的两大关键技术：发波控制、感测，还有个部分即信号处理——“也是客户最关心的”。

刘璐将这款MCU与DSP做了比较。针对Arm架构MCU原本存在信号处理上的短板，GD32G5主要做了三方面的强化，前文多少都已经涉及。其一是紧耦合CPU的RAM + 0等待系统SRAM；其二高主频+高优先级中断串行处理运算；另外就是包括FPU, MAC, 和通用DSP指令的加速，“架构上设计针对特定应用数学加速模块”。

如此一来，在达成简易开发优势前提下，也总体降低了系统成本，并且满足了信号处理的要求。这里也放上几张兆易公开的算力对比图，不仅是相比Arm架构竞品，也与DSP进行了对比：

切入高门槛的工业应用

从这两款产品的发布，我们是能够窥见兆易创新在MCU产品与技术上的领先性，但这只是拿下更多工业应用的一方面。数字能源与工业自动化都是比较高门槛的工业应用，兆易创新MCU事业部产品市场总监陈思伟在媒体交流环节中也强调，这个领域的客户通常不会轻易更换MCU产品。“我们针对这类高门槛工业应用的产品和市场策略主要分三个部分”， 陈思伟提到，（1）产品的高品质、差异化，和绝对领先。 “这就要靠我们去深刻理解客户的应用和需求”，定义规划差异化的产品，解决客户应用的痛点。

（2）多产品协同。除了MCU，我们在存储、电源、信号链、传感以及功率器件上也有布局，通过MCU和周边关键器件的协同，增强我们跟客户的合作价值，提升客户粘性，帮客户解决关键器件选择和国产化替代的问题。

兆易创新本身已经有flash, sensor, PMU相关产品，对于暂时未能自给自足的部分，兆易创新通过“战略合作”的方式进行了有效的补充。在此方面，李宝魁讲到，公司正依托自身强大的产品和技术基础，与合作伙伴紧密结合，共同打造出一系列完整、可靠的解决方案。这些解决方案不仅显著提高了客户的粘性，还极大地减轻了客户在选型过程中的投入”。

（3）“持续推出满足客户需求并对客户有价值的可商用的解决方案，帮客户节省开发时间，减少平台导入的研发投入，降低平台导入的可行性风险，同时我们的方案也能增加客户产品的竞争力，给客户的产品带来额外的价值。

基于本文所述重点在MCU产品与技术本身：这其中值得展开的就在兆易创新MCU所谓的“差异化”与“绝对领先”。几乎所有MCU企业都在谈“差异化”，但真正做出了差异化，或能够谈差异化细节的屈指可数。这种“差异化”也是兆易创新MCU产品在工业领域全面开花的基础。

从这个角度来看，兆易创新的研发资源与投入，覆盖的技术广度与深度，自主研发到自有检测全流程覆盖，其自有检测能力通过专门的测试团队和设备实验室做开发测试方案，从而保障端到端质量，同时建立了灵活鲁棒的供应链体系，再到产品线布局与产品质量表现等优势项，都是李宝魁在主题演讲中特别提到的：”我们认为，其中特别值得深究的，在技术深度和质量保障两方面。”

虚拟IDM：技术与质量

从技术深度的角度来看，李宝魁将兆易创新和普通芯片设计公司，从工艺开发、产品设计、制造生产和封装测试四个方面做了比较。

兆易创新采用一种名为“虚拟IDM”的模式，以fabless的角色，同时“深挖芯片封装与制造”。对于半导体成熟制造工艺领域来说，普通的设计公司是不需要关心制造工艺细节的：晶圆厂提供设计规则和器件模型，设计公司基于此做对应的芯片设计。

但兆易创新“有专业团队和晶圆厂共同开发、定义工艺节点”，达成了工艺开发和设计的结合，采用“自有DFM, DFR规则”；对应的到std cell标准单元库层面，兆易创新也能使用自研的std cell，做“大量定制化模块”。

李宝魁介绍，“在产品设计方面，一般的设计公司通常是使用晶圆厂提供的标准单元和标准IP来做开发，但是兆易创新会大量使用自研的标准单元，来保证我们产品具有相对性的优势；在生产制造方面，普通的芯片设计公司往往是把相关的制造交给晶圆厂，交给封测厂。但是兆易创新会做到与晶圆厂共同制定产线的监控计划，我们会监控晶圆的生产以及晶圆生产的数据，然后负责相关产品的良率、可靠性，还有品质；在封装测试方面，我们有全套的测试方案，都是兆易创新自己开发的，包括调试都可以在我们自己的实验室里进行，可以极大确保产品的良率和可靠性，保障我们交给客户的每一个产品都是质量过硬的产品。”

而兆易创新质量部副总裁杨新民对这一模式进行了更多的补充，他提到foundry代工厂和OSAT封测厂对芯片设计公司而言是黑盒子，“如果不打开这个盒子，我们很难去做管理”，这是兆易创新选择构建“虚拟IDM”模式的起因，“将设计和foundry重新缝合起来”。而打开“黑盒子”，不仅有利于做技术差异化，而且便于质量管控。

基于所谓COT（customer owned technology，这里的customer应该是指foundry的customer）模式工艺开发，在器件和单元层面的定制，令兆易创新的芯片相比竞争对手具备PPA方面的绝对优势，而且在设计效率和安全可靠性方面也更优。

杨新民举了个例子，“我们在40nm上做了不少努力，通过自研标准单元库IP，芯片整体功耗降低了65%；定制我们自己的设计规则，可靠性要求高的，（工艺）进行缩紧，可靠性要求没那么高，则工艺适当放松；模拟IP方面，我们也能通过定制做到IP更可靠；还有自研SRAM IP，将高密度SRAM面积缩减15%...”

虚拟IDM达成了芯片更高的性价比，更出色的PPA。在国产MCU领域，兆易创新大概是为数不多的有技术实力和出货量执行这一模式的芯片企业。这种虚拟IDM模式，还是让我们感觉耳目一新的。

从质量保证的角度来看，兆易创新有一套“ZD”（零缺陷）双轮驱动方案。这套逻辑强调兆易创新和供应商共同推进质量管理体系。执行到目前这一阶段，预期达成“Zero MO与Zero RMA”；从2027年起的下一阶段，则要实现预测型质量管理，在失效前就侦测到问题并实现拦截。

为了实现“零缺陷”的目标，兆易创新规划了“端到端质量保障”的实施方案。即使制造质量的把控对fabless而言相对缺少主动权，兆易创新期望把设计质量和测试质量都掌握在自己手里，“同时给工艺（制造）留出余量”，这就要求兆易创新有能力侦测供应链的质量问题。

上面这张图给出了实施此方案的层级逻辑，包括感知层少见设计企业会有的MES系统；以及控制层的数据分析系统——做异常侦测的同时，就能改善良率；而在管理层上，QMS确保在大数据工具上侦测到异常做追溯，形成闭环。

尤为值得一提的是，此间为达成质量管控的全面数字化，并及时掌握封测数据（包括封装厂的数据），兆易创新甚至会为这些工厂做数字化赋能，“我们不会向工厂收费，工厂也很欢迎这套系统”。最终能够做到及时的质量告警、发现异常并做出响应。不得不说，在国内的确几乎看不到将技术深度与质量管控做到这个程度的MCU企业。

有关MCU累计出货量19亿颗、2万+客户之类的数据大约已经无需赘言。面向国内，“能源电力、工业自动化、汽车、家电等领域的芯片国产化率目前还是非常低的。”李宝魁在采访中谈到，“我认为兆易是本土厂商中的头部，国产替代就是我们的机遇，也是我们的使命。”

与此同时，走向海外，兆易创新也构建起了一整套海外供应链，“我们做了4、5年的供应链准备，从供应链到研发、销售”。李宝魁预期未来海外市场的MCU营收占比还会增加，即便将遭遇更多的挑战，兆易创新也有信心迈向更大的市场。