ARM和RISC-V在MCU領域開啟了正面戰場。

　　作者：九林

　　最近，關于RISC-V MCU的消息紛紛傳出，瑞薩表示正在開發RISC-V MCU，愛普特微電子與平頭哥達成合作，共研RISC-V架構MCU。 在嵌入式世界展覽會上，SC-V國際公司的首席執行官Calista Redmond也表示：“RISC-V芯片的出貨量已經突破100億。” RISC-V以雷霆霹靂之勢，沖擊著在ARM架構統治下的MCU。

　　成也ARM，敗也ARM

　　MCU內核的架構的歷史并不算長，大約有三十多年。從英特爾在1971年推出全球首款MCU產品，到上世紀90年代后MCU步入發展快車道，MCU的內核架構有所變化。MCU的第一代架構是早期英特爾主導的架構；隨著瑞薩等公司開始研發MCU，這類MCU巨頭自研的架構被認為是第二代MCU架構。在對計算要求越來越越高的現在，專門的內核廠商開始出現，分工進一步細化，ARM成為主流的MCU市場架構，也即第三代架構。 決定一個MCU性能和應用場景的關鍵要素有兩個維度——主頻和內核架構。而內核架構是影響處理器性能的關鍵因素，先進的架構具有更強大的指令集和更優秀的運算單元。 在國產MCU剛起步的幾年中，由于ARM能夠供從開發環境到軟件等各種方便的工具，并且其架構可以和主流的生態保持兼容，充分復用現有的應用設計，降低design-in的門檻，這些優勢都吸引著國內MCU廠商。

　　由于ARM的種種優勢，國內MCU廠商90%都采用了ARM的Cortex-M系列內核。其中，兆易創新的32位MCU產品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五種MCU內核；華大半導體主要采用了M0+和M4兩種MCU內核；國民技術主要采用了M0和M4兩種MCU內核。 但使用ARM內核的國產MCU廠商數量上升也帶來了很多問題。第一個問題是國產化MCU芯片的同質化越來越嚴重。許多MCU廠商都使用相同的內核，因此市場上MCU的差距更多是在I/O上，同質化嚴重就導致價格的比拼。但如果只能在價格上競爭，對于整個行業和大部分公司都沒有益處。

　　另外一個問題在于經過數十年的發展，較為成熟的ARM架構也變的極為復雜，這點從其架構文檔和指令數的復雜程度即可看出。并且，ARM指令集封閉、授權及專利費用高昂，不方便定制。 此外ARM架構本身也正在面對著技術考驗，不同ARM內核的性能差異較大，隨著ARM內核工作頻率的提升，MCU芯片的能耗增加很快。因此，采用高主頻ARM內核的MCU芯片如何降低能耗，這對MCU廠商來說是個不小的難題。 可謂成也ARM敗也ARM。對于國內高端通用MCU來說，ARM的存在無疑可以加快追趕國際巨頭的腳步，例如兆易創新擁有國內最大的ARM架構MCU產品線，連續五年位居本土MCU廠商第一，MCU年出貨量超2億顆。但對于低端MCU來說，比拼不過性能，開始走價格戰，這也造成了MCU市場競爭秩序的混亂。因此，很多有實力和遠見的國產MCU廠商開始轉向差異化的市場規劃和市場競爭。

　　RISC-V MCU瘋狂發展

　　在芯片級別的硬件中，ARM和RISC-V在MCU領域開啟了正面戰場。 眾所周知，開源是RISC-V的一大優勢，但除此之外，靈活性也是其被眾多廠商采用的原因之一。 由于沒有x86和ARM指令集背負的兼容性包袱，RISC-V指令集對提升功耗和性能有很大的好處。一個有比較強的功力的團隊設計過幾個芯片后，同樣的指令集架構他們就能設計出功耗和性能更好的處理器。 另外，采用RISC-V指令集設計MCU可以讓芯片廠商快速完成低門檻、低成本的芯片設計，并且針對特定應用場景進行定制化指令設計。模塊化的設計極大地方便客戶根據自己需求自由定制（從一開始就在規避ARM數十年發展中存在的問題）。

　　前Intel副總裁方之熙曾表示：“RISC-V的靈活性在AI中同樣可以發揮作用。AI中的信息安全更加重要，RISC-V的方案比較靈活，更容易實現安全的性能。” 以RISC-V為架構的MCU紛紛破土而出。 作為全球MCU龍頭的瑞薩，在今年推出了RISC-V MCU產品，主要應用于語音應用。其執行副總裁 Sailesh Chittipeddi 最近接受采訪時表示，這是瑞薩的未來戰略，瑞薩正在自行研發RISC-V內核。 Sailesh Chittipeddi直言：“因為客戶的要求我們必須選擇RISC-V。一方面，有些客戶希望保持技術的獨立性與“黑盒化”；另一方面，全球很多地區的客戶并不愿意支付ARM的專利費。此外，還有很多地緣政治敏感地區的客戶也擔心無法訪問IP的問題，RISC-V是唯一開放的生態。這也是為什么RISC-V 架構的MCU成為瑞薩的下一個布局目標。” MCU龍頭的超前鎖定也表現出RISC-V MCU的來勢洶洶；國內MCU廠商也不甘人后。 兆易創新發布基于RISC-V內核的GD32V系列32位通用MCU產品，提供從芯片到程序代碼庫、開發套件、設計方案等完整工具鏈。

　　中微半導體的ANT32RV56xx也是集成RISC-V內核的32位MCU，該系列芯片集成模擬外設并簡化設計。 阿里平頭哥與MCU廠商愛普特進一步達成深度合作，計劃未來一年推出六大RISC-V芯片系列產品，包含語音AI MCU、汽車MCU等。 沁恒微自研嵌入式RISC-V架構MCU青稞V4，具有144MHz系統主頻，具有首創HPE、VTF中斷技術，大幅提升中斷響應。 目前，RISC-V內核開發商包括SiFive、賽昉、芯來、平頭哥、晶心；RISC-V 的MCU開發商包括Microchip、NXP、平頭哥、兆易創新、沁恒微、樂鑫科技、博流智能、泰凌微電子、中微半導、航順等。

　　RISC-V全方面圍攻

　　從市場未來需求來說，ARM或許不再是未來MCU的寵兒。從MCU的應用領域占比來看，汽車MCU占據全球MCU市場的40%，除了汽車市場外，MCU的第二大市場是工業應用（占比30%），剩余的30%主要應用于消費電子、物聯網等領域。 在MCU最大占比的汽車領域中，RISC-V MCU開始“上車”。 2020年末，瑞薩推出了集成RISC-V協處理器的汽車MCU RH850/U2B，包括混合ICE和xEV電機逆變器、高端區域控制、互聯網關和域控制等應用； 2021年，凌思微電子也推出基于RISC-V架構的車規級無線MCU產品系列U主要應用于車身控制，即時通信，車載娛樂方面； 不難看出，RISC-V MCU已經出現在車載娛樂、車載通信等場景。SmartDV北美應用工程總監曾表示，RISC-V 肯定會進入汽車世界。清華大學集成電路學院何虎副教授也分析過，利用好 RISC-V 的軟件生態對于車規 MCU 的成功是重要一環。 此外，在MCU市場占比30%的消費電子、物聯網領域中，RISC-V也有極大優勢。

　　IoT Analytics 預測，到 2022 年，物聯網市場預計將增長 18%，達到 144 億活躍連接。預計到 2025 年，隨著供應限制的緩解和增長的進一步加速，將有大約 270 億臺聯網物聯網設備。 物聯網的爆發帶來的是所需設備的碎片化。中國開放指令生態（RISC-V）聯盟秘書長包云崗在《呈現三大利好態勢，RISC-V生態未來可期》一文中分析道，由于物聯網AIoT的需求和市場極度碎片化，現有處理器設計方法也將更加多元化。AIoT碎片化需求帶來處理器生態變革機遇。 MCU 是物聯網終端的核心零部件，其價值占到物聯網終端模組的 35%-45%。在物聯網領域，靈活性將是RISC-V MCU勝過ARM MCU的最大優勢。 業內人士分析，目前中國本土MCU發展有五大驅動力，分別是物聯網、RISC-V、國產替代、芯片短缺、邊緣AI。因此，國產RISC-V架構的MCU已經成為眾多廠商趨之若鶩的對象。 而工業控制等嵌入式領域的MCU，特別是有定制化需求的應用場合中，RISC-V MCU早已成為新的增長點。在這些領域對RISC-V MCU的需求下，未來RISC-V MCU的增長率或將超越ARM架構的MCU。

　　構建RISC-V MCU仍有三大難題 第一方面，是RISC-V碎片化帶來的統一難題。

　　由于RISC-V的開源特性，不同廠商進行商用、自研RISC-V內核，在商業利益不同的驅動下，RISC-V MCU難以形成統一的生態。

　　第二方面，是RISC-V軟件開發工具鏈不夠成熟的難題。

　　比起ARM來說，RIAC-V發展的時間還比較短，因此編譯器、開發工具等生態要素還在發展。主流的RISC-V MCU開發工具有IAR systems、Lauterbach、segger、UitraSOC、MounRiver Studio；國內也有很多廠商在開發RISC-V MCU的開發工具。

　　第三方面，是RISC-V作為新起勢力，資源分配不均的難題。

　　目前來說大部分MCU廠商都是使用ARM架構，如果要增加RISC-V架構的MCU，既要在產能緊缺的同時分配資源，也要同客戶協商合作，這些問題都會是的通用MCU市場RISC-V難以獲得支持。 創新和生態是國內MCU公司邁向世界一流的關鍵，而RISC-V 作為全新的生態提供了合適的土壤。盡管RISC-V MCU的發展仍有難題，但在未來需求的推動下，作為新型事物的RISC-V MCU潛力巨大。

　　編輯：黃飛