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构建基于RISC-V的MCU“芯”生态

时间:2021-11-22 作者:顾正书 阅读:
源于加州大学-伯克利分校的RISC-V最近几年在全球开源硬件社区掀起了不小的风波,大学、研究机构、芯片厂商和互联网巨头纷纷采用和支持这一有希望与Arm抗衡的指令集架构(ISA)。中国在独立可控的微处理器开发之路上尝试多年,但仍然受制于X86、MIPS和Arm等国际主流架构,RISC-V燃起了国产CPU的新希望。
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据权威市调机构预测,2021年全球微控制器(MCU)市场总销售额预计可达190亿美元,出货量超过250亿颗。从2021至2028年,MCU复合年增长率(CAGR)约为10%,到2028年将增至360亿美元。IC Insights今年八月份发布的报告显示,汽车MCU占据全球MCU市场的40%,预计2021年汽车MCU销售额将达到76亿美元,相比去年增长23%,其中约77%都是32位MCU。

除汽车市场外,MCU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/家电、物联网(IoT)、智能卡,以及计算机和通信网络等领域。

基于Arm Cortex的MCU生态

32位MCU基本上都是采用Arm Cortex-M系列微处理器内核,主要MCU厂商包括:ST、瑞萨、英飞凌、NXP和Microchip。Cortex-M处理器系列基于Arm M-Profile架构,专为嵌入式系统而设计,具有低延迟和高确定性操作等优点。该系列处理器有不同性能规格的型号,包括M0、M0+、M1、M23、M3、M4、M33、M35P、M55和M7,可满足不同性能、功耗和成本的微处理器芯片需求。

基于Arm内核的MCU生态经过多年发展已经比较成熟。围绕Cortex-M内核,Arm提供了从开发环境到软件等各种方便MCU开发者的工具。比如,集成开发环境(IDE)包括Arm Keil MDK、Arm Development Studio;编译器包括Arm Compiler 6、GCC;软件包括Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)、Trusted Firmware-M (TF-M);操作系统有Mbed OS、Keil RTX5;调试工具和开发板有JTAG和SWD调试硬件。此外,还有很多第三方软件和开发工具链供选择,比如编译器、调试器、RTOS和软件库等。

为增强市场领导力和增加客户粘性,领先的MCU厂商也在积极构建以自家MCU芯片为核心的生态,STM32 MCU生态就是一个典型。作为Arm Cortex 32位MCU和MPU的领导者,ST不但描绘和搭建了完整的STM32 MCU芯片开发线路图,而且还为客户和开发者提供了完善的学习、开发、测试和评估环境,比如STM32 Cube。

STM32 MCU生态还汇聚了很多第三方开发工具及合作伙伴,包括全球主要的云接入平台;支持中国市场的主流RTOS,比如OneOS、TencentOS Tiny和RT-Thread;硬件开发工具有各种开发板和调试及烧录工具;软件开发工具有RT-Thread Studio等。

RISC-VMCU

源于加州大学-伯克利分校的RISC-V最近几年在全球开源硬件社区掀起了不小的风波,大学、研究机构、芯片厂商和互联网巨头纷纷采用和支持这一有希望与Arm抗衡的指令集架构(ISA)。中国在独立可控的微处理器开发之路上尝试多年,但仍然受制于X86、MIPS和Arm等国际主流架构,RISC-V燃起了国产CPU的新希望。倪光南、戴伟民和包云岗等学术和企业界领导者都在积极推动以RISC-V为核心的开源硬件创新。

RISC-V现已得到全球范围的支持和积极参与,除了专门负责RISC-V推广的RISC-V国际基金会外,单在中国就有多家行业组织致力于推广RISC-V和开源硬件,其中包括中国RISC-V产业联盟、中国开放指令生态(RISC-V)联盟,以及台湾RISC-V产业联盟。支持RISC-V的全球厂商包括Intel、Google、英伟达、西部数据、高通、NXP、华为、阿里、中兴和紫光展锐等。

目前专注于开发RISC-V内核IP的厂商有SiFive、赛昉科技、芯来科技、阿里平头哥和晶心科技等。这些IP厂商提供的RISC-V内核IP有开源的,也有商用的,还有专为自己的芯片而开发的。从RISC-V芯片的应用来看,从多达1000个内核的高性能计算处理器,到超低功耗的单发射/二级流水线微处理器,都可以看到RISC-V 的身影。就RISC-V在微控制器(MCU)市场的应用和发展来说,国内已经有多家MCU厂商开发出基于RISC-V内核的MCU芯片。RISC-V MCU开发商包括兆易创新、沁恒微、乐鑫科技、博流智能、泰凌微电子、中微半导和航顺等。

在MCU设计中,RISC-V内核与Arm相比有哪些优势和劣势呢?南京沁恒微电子技术总监杨勇认为,Arm经过数十年的发展,虽然比较成熟了,但其CPU架构变得极为复杂,这点从其架构文档和指令数目复杂程度即可看出,同时还存在专利和架构授权费用昂贵等问题。而RISC-V定位为完全开源,且架构简洁,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)。但是,RISC-V发展时间还比较短,编译器、开发工具等生态要素还在发展,不像Arm生态已经比较成熟。

南京沁恒微电子技术总监杨勇

RT-Thread开发者生态运营总监陈峰也认同RISC-V的诸多优势,还特别强调RISC-V对MCU的价值。采用RISC-V指令集设计MCU可让芯片厂商/开发者快速完成低门槛、低成本的芯片设计,并可针对特定应用场景进行定制化指令设计,具有很强的灵活性。但是,RISC-V相关的编译器、工具链、IDE、OS支持等还不完善。此外,随着越来越多的企业使用RISC-V架构定制芯片,其碎片化问题也变得越发突显。

RT-Thread开发者生态运营总监陈峰

如何构建RISC-V MCU生态?

RISC-V要想在价值200亿美元的MCU市场占据一席之地,就必须建立起健康的MCU生态,特别是在碎片化的新兴IoT应用市场。构建RISC-V MCU生态面临诸多挑战,简要列举如下:

  1. RISC-V处理器内核混杂:开源、商用、自研RISC-V内核都有,难以像Arm那样形成统一生态;
  2. RISC-V与Arm内核的权衡:现有MCU厂商大都会选择同时开发和支持Arm和RISC-V的MCU,而在通用型MCU市场上RISC-V可能难以获得足够的资源支持;
  3. 软件和开发工具:相对Arm生态仍然不够完善,功能、性能和易用性还有待提高;
  4. 开发者社区:培训教程、线下和网上交流会议、开发板和应用方案都需要资源投入和持续维护;
  5. 开源硬件新模式:与开源软件(比如Linux)不同,开源硬件需要芯片设计和流片成本,盈利模式还不清晰。

在MCU生态上,有哪些Arm MCU生态建设的成功经验值得RISC-V借鉴?除了前面提到的Arm和ST自己开发的开发工具外,吸引第三方商业软件开发商支持也很重要。IAR Systems、Lauterbach和SEGGER现在都可以同时支持Arm和RISC-V。嵌入式系统联谊会秘书长何小庆认为,RISC-V阵营应该学习Arm积极参与产业联盟和标准制订的做法。Arm 不仅是一家IP 公司,还是工具和软件企业,而且积极参与各种产业联盟和标准制订。比如,最近Arm通过与多家汽车供应链企业合作,推出新的软件架构和参考实现 — SOAFEE(Scalable Open Architecture for Embedded Edge)。

嵌入式系统联谊会秘书长何小庆

RT-Thread的陈峰站在OS的角度,为RISC-V开发商提出一些建议:1. 有更多让用户易获得的RISC-V MCU芯片、评估板,能快速开发环境;2. RISC-V MCU芯片需要提供更多开放的驱动库、示例代码、应用参考设计;3. 丰富的产品线满足不同用户需求。

RISC-V MCU的发展不一定走复制Arm 生态成功模式这一条路, 产业应该思考,如何借鉴非Arm MCU 发展和生存之道。成功构建RISC-V MCU生态需要哪些关键因素呢?受访的几位专家都一致认为,积极合作是强壮生态系统的关键。构建RISC-V MCU生态需要产业链上下游的通力合作,提供更加易用、通用的应用开发环境。在OS方面,RT-Thread在不断支持和完善RISC-V MCU BSP,从最早的HiFive到RV32M1、GD32V103、AB32VG1、CH32V103、CH32V307到K210、全志D1,再到平头哥玄铁系列RISC-V处理器IP,RT-Thread均已支持。同时RT-Thread Studio集成开发环境(IDE)可让用户快速搭建RISC-V MCU的开发环境,大幅降低了应用开发门槛。

对RISC-V IP和芯片设计厂商来说,需要遵守和使用RISC-V标准部分,在此之上进行多元化发展特色,并能回馈上游社区。沁恒微的杨勇认为,打铁还需自身硬,各IC厂商也应积极创新,以突出RISC-V模块化、定制化的优势。例如,沁恒业界首创的RISC-V 高速2线调试、蓝牙低功耗WFE指令的定制、代码尺寸自定义压缩指令、HPE硬件压栈、VTF免表中断等等。

RISC-V MCU的未来应用增长点首先在于物联网,端侧AI和汽车芯片也是RISC-V未来可期待的应用市场。从短期来看,主要应该是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。在此基础上,随着市场和RISC-V生态的发展,对性能要求较高的移动运算场合也是RISC-V的用武之地。

对于国产MCU厂商,如何激励他们积极拥抱和推动RISC-V呢?多数国产MCU厂商对采用RISC-V 内核还处在观望状态,少部分正在内部自研或者在特定应用产品上试用。主力推广RISC-V芯片的国产MCU企业目前还比较少。何小庆认为,激励如果是来自外部,比如产业政策和政府支持,这些很难持久。真正的动力还需要来自国产MCU企业内部,这样国产RISC-V MCU发展之路才能走得稳,走得长。虽然最近几年国产MCU 在国产替代和应用创新上有很大的突破,但在基础硬/软件技术和产品种类及关键系统应用方案上,与国际头部企业差距还很大。RISC-V的出现是缩短差距的良机,期待国产MCU 积极拥抱RISC-V。

杨勇补充道,在政治和商业大环境下(比如技术封锁、国产替代、版权和专利等),积极创新是IC设计公司的活力源泉,开源的RISC-V是机会,也是平台。物联网的应用场景比较碎片化,传统通用型MCU难以满足不同应用场景定制化的需求,RISC-V可以让国产MCU厂商实现自主可控、增加选择灵活性、降低开发成本。例如,沁恒正通过RISC-V实现产业闭环(指令集架构、微架构、外设、工具链等全链自研)以及商业闭环(开发的RISC-V MCU大批量商业化),让RISC-V首先在嵌入式领域燃烧起来,然后带动手机、服务器等领域全面蓬勃发展。

结语

在MCU应用最广的汽车电子和工业控制领域,几乎都是Arm微处理器的天下。基于RISC-V的MCU虽然不能直接跟Arm分庭抗礼,但可以在需要定制化的应用细分市场分一杯羹,特别是在新兴的碎片化物联网应用市场。RISC-V对国产MCU厂商是一个难得的机会,但要整个MCU产业健康发展,需要产业链上各个环节联合协作,完善和发展RISC-V MCU生态,这样才能将这块蛋糕做大,所有参与方都可以受益。

尽管构建RISC-V MCU的生态面临很多挑战,但巨大的发展潜力值得尝试,只要RISC-V社区和厂商愿意协作,一定能够开创出RISC-V的一片“芯”天地来。

责编:Luffy Liu

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顾正书
ASPENCORE资深产业分析师。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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