未來MCU設(shè)計的幾個方向
[導(dǎo)讀]關(guān)注星標(biāo)公眾號，不錯過精彩內(nèi)容轉(zhuǎn)自|電子工程專輯隨著AI和IoT的發(fā)展與融合，微處理器（MCU）的設(shè)計也更加復(fù)雜，逐漸從傳統(tǒng)單一功能的微控制器轉(zhuǎn)向集成更多功能特性、計算性能更強的系統(tǒng)級芯片（SoC）。分析師團(tuán)隊認(rèn)為未來MCU設(shè)計的發(fā)展方向?qū)牵?.更加智能（AI）2.更強性能（...
MCU更加智能（AI）
通過NXP與Arm的技術(shù)合作，Ethos-U55的性能得到大幅提升，不僅將最大原始MAC（乘法和累加）性能提高一倍，達(dá)到1TOPS（1GHz工作頻率下512次并行乘法累加操作），而且還能夠正確調(diào)整系統(tǒng)總線的尺寸，以便將數(shù)據(jù)輸入和輸出到microNPU。但這還不夠，MCU通常是基于SRAM和閃存的混合使用，但基于Cortex-A的應(yīng)用處理器通常都有DRAM。DRAM提供了更高的數(shù)據(jù)速率和容量，但代價是延遲更長。microNPU需要更新設(shè)計來適應(yīng)這種延遲，由此便誕生了Ethos-U65。
與Ethos-U55一樣，Ethos-U65 microNPU可以與NXP的i.MX家族中已有的Cortex-M內(nèi)核和片上SRAM協(xié)同工作。它繼承了Ethos-U55的所有MCU級能效，與傳統(tǒng)NPU相比，Cortex-M和Ethos-U的結(jié)合提高了面積和功率效率，從而能夠開發(fā)出經(jīng)濟高效、高性能的邊緣計算AI芯片。
從應(yīng)用的角度來看，AI加速器搭配MCU漸成主流的主要原因是需要AI的應(yīng)用場景越來越普遍。從具體的算法和模型來看，正在集中到少數(shù)幾個模型，例如機器視覺（人臉識別，物體識別）和語音喚醒詞中需要的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及在一些較為先進(jìn)的語音識別中需要的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）。三年前，AI算法和應(yīng)用生態(tài)前景還不夠明確，因此出現(xiàn)了走專用化（AI加速器）還是通用化（加強處理器性能以及可編程協(xié)處理器）兩條道路的兩難選擇。而在應(yīng)用和相關(guān)算法都已經(jīng)很集中的今天，AI加速器已經(jīng)成為較為明確的選擇了。一方面，使用專用化的AI加速器可以提供最佳的能效比，另一方面在芯片設(shè)計門檻上也并不是太高。事實上，更考驗設(shè)計能力的反而是編譯器和相關(guān)的軟件/模型優(yōu)化。
ARM在短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)布兩代針對MCU的microNPU，一方面說明MCU市場對于AI和AI加速器確實有很強的需求，另一方面我們也看到MCU和MPU甚至CPU之間的性能差距正在縮小，這將為未來智能MCU生態(tài)帶來新的變化。
MCU更高性能
ARM Cortex分為3個系列，分別針對：嵌入式（Microcontroller）、實時（Real-Time）和應(yīng)用（Application）3個應(yīng)用領(lǐng)域，對應(yīng)的內(nèi)核是Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A 系列。ARM Cortex-M處理器是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的處理器內(nèi)核，旨在幫助開發(fā)人員滿足將來的嵌入式應(yīng)用需求，比如以更低的成本提供更多功能、不斷增加連接、改善代碼重用和提高能效。Cortex-M系列針對成本和功耗敏感的MCU和終端應(yīng)用（如智能測量、人機接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費性產(chǎn)品和醫(yī)療器械）的混合信號設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。
Cortex-M系列基于ARMv7-M架構(gòu)（用于Cortex-M3和Cortex-M4），而較低的Cortex-M0 基于ARMv6-M架構(gòu)。首款Cortex-M處理器于2004年發(fā)布，當(dāng)一些主流MCU供應(yīng)商選擇這款內(nèi)核開始量產(chǎn)MCU芯片后，Cortex-M處理器迅速受到市場青睞。可以說，Cortex-M之于32位MCU就如同8051之于8位MCU，迅速成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)微處理器內(nèi)核，各家MCU供應(yīng)商基于該內(nèi)核進(jìn)行自己的開發(fā)，在市場中提供差異化產(chǎn)品。例如，Cortex-M系列能夠?qū)崿F(xiàn)在FPGA中作為軟核使用，但更常見的用法是作為集成存儲器、時鐘和外設(shè)的MCU。
對于成本特別敏感的應(yīng)用或者正在從8位遷移到32位的應(yīng)用而言，Cortex-M系列的最低端產(chǎn)品可能是最佳選擇。雖然Cortex-M0 的性能僅為0.95 DMIPS/MHz，比Cortex-M3和Cortex-M4的性能低一些，但仍可與同系列其他高端產(chǎn)品兼容。Cortex-M0 采用Thumb-2指令集的子集，而且這些指令大都是16位操作數(shù)（雖然所有數(shù)據(jù)運行都是32位的），這使得它們能夠很好的適應(yīng)Cortex-M0 所提供的2級流水線服務(wù)。通過減少分支映射，系統(tǒng)就能節(jié)約整體功耗，而且在大多數(shù)情況下，流水線將保留接下來的四個指令。Cortex-M0 還具有專用的總線用于單周期GPIO，這意味著設(shè)計師能夠利用位控制的GPIO實現(xiàn)確定接口（就像8位MCU那樣），但卻以32位內(nèi)核的性能來處理數(shù)據(jù)。
Cortex-M0 另外一個重要的特點是增加了微型跟蹤緩沖器（MTB）。該外設(shè)可使設(shè)計人員在調(diào)試過程中使用一些片上RAM來存儲程序分支。這些分支隨后能夠回傳到集成開發(fā)環(huán)境中，而且可以重建程序流程。這一功能提供了一種初步的指令跟蹤能力，這對于不具備擴展跟蹤宏單元（ETM）功能的Cortex-M3和Cortex-M4來說比較有意義。從Cortex-M0 中提取的調(diào)試信息等級顯著高于8位MCU，這就意味著那些難以解決的調(diào)試問題變得更加容易解決。
Cortex-M3和Cortex-M4是非常相似的內(nèi)核，二者都具有1.25 DMIPS/MHz的性能，配有3級流水線、多重32位總線接口、時鐘速率可高達(dá)200MHz，并配有非常高效的調(diào)試選項。二者最大的不同是，Cortex-M4的內(nèi)核性能針對的是DSP。Cortex-M3和Cortex-M4具有相同的架構(gòu)和指令集（Thumb-2）。然而，Cortex-M4增加了一系列特別針對處理DSP算法而優(yōu)化的飽和運算和SIMD指令。以每0.5秒運行一次的512點FFT為例，如果分別在同類量產(chǎn)的Cortex-M3 MCU和Cortex-M4 MCU上運行，完成同樣的工作，Cortex-M3所需功耗約是Cortex-M4所需功耗的三倍。此外，也有在Cortex-M4上實現(xiàn)單精度浮點單元（FPU）的選項。如果應(yīng)用涉及到浮點計算，那在Cortex-M4上完成比在Cortex-M3上完成要快得多。也就是說，對于不使用Cortex-M4上DSP或FPU功能的應(yīng)用而言，其性能和功耗與Cortex-M3相同。如果使用DSP功能，那就選擇Cortex-M4。否則就選擇Cortex-M3完成工作。
伴隨著Arm Cortex-M系列內(nèi)核的性能提升，MCU芯片制造工藝也在不斷升級。例如，ST的新一代高性能MCU STM32F4基于Cortex-M33內(nèi)核，具有200MHz的性能，而且采用更為先進(jìn)的40nm工藝制造。此外，MCU廠商也在嘗試從MCU產(chǎn)品領(lǐng)域跨界到MPU領(lǐng)域。今天很多用戶不僅用MCU，還有很多采用MPU。MPU帶來的不僅是產(chǎn)品本身的性能提升，還有更多軟件的選擇，因為它基于開源的Linux生態(tài)，帶來從中間件、OS到應(yīng)用層更多的選擇和豐富的生態(tài)。
Arm陣營只有Arm一家公司提供處理器內(nèi)核，而RISC-V陣營則是百家爭鳴。作為RISC-V微處理器的開路先鋒，SiFive提供的RISC-V內(nèi)核正好對標(biāo)Arm的3個系列內(nèi)核，分別是：
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E核 -- 32位嵌入式內(nèi)核，針對邊緣計算、AI和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，對標(biāo)ARM Cortex-M系列；
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S核 -- 64位嵌入式內(nèi)核，針對存儲、AR/VR和機器人應(yīng)用，對標(biāo)ARM Cortex-R系列；
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U核 -- 64位應(yīng)用處理器，面向數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，對標(biāo)ARM Cortex-A系列。
每種類型的內(nèi)核又按照數(shù)字標(biāo)號從低端到高端做了不同種類，包括2系列、3/5系列、7系列，對標(biāo)Cortex A、R、M編號從低到高可用于不同的場景?？梢哉f是從橫向和縱向都對標(biāo)了Arm系列。本土RISC-V處理器內(nèi)核開發(fā)商芯來科技也推出了四個不同性能級別的處理器內(nèi)核，分別是：
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N100系列處理器內(nèi)核主要面向極低功耗與極小面積的場景而設(shè)計，非常適合傳統(tǒng)的8位內(nèi)核或16位內(nèi)核升級需求，可廣泛應(yīng)用于模數(shù)混合、IoT或其他超低功耗應(yīng)用場景；
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N200系列32位超低功耗RISC-V處理器為物聯(lián)網(wǎng)IoT終端設(shè)備的感知、連接、控制以及輕量級智能應(yīng)用而設(shè)計；
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N300系列32位超低功耗RISC-V處理器面向機制能效比高且需要DSP和FPU特性的場景而設(shè)計，適用于IoT和工業(yè)控制等場景；
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N600系列32位RISC-V處理器面向?qū)崟r控制或高性能嵌入式應(yīng)用場景，適用于AIoT邊緣計算、存儲或其他實時控制應(yīng)用。
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22內(nèi)核應(yīng)用于小型物聯(lián)網(wǎng)及穿戴設(shè)備等入門級MCU，效能達(dá)同級別間最高的 3.95 Coremark/MHz，其高性能和精簡設(shè)計，適合處理以高數(shù)據(jù)傳輸率運行中的協(xié)定封包；
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N25F內(nèi)核適合浮點密集型的多元應(yīng)用，例如聲音處里、先進(jìn)馬達(dá)控制器、衛(wèi)星導(dǎo)航、高精度傳感器融合以及高階智能電表等；
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45系列內(nèi)核均采用有序的8級雙發(fā)射超標(biāo)量技術(shù)，N-系列支持RTOS的應(yīng)用，D-系列則支持RISC-V的SIMD / DSP指令集（P擴展指令集）。
阿里旗下的平頭哥半導(dǎo)體主要針對下一代云端一體芯片新型架構(gòu)開發(fā)數(shù)據(jù)中心和嵌入式IoT芯片產(chǎn)品，其E902處理器采用2級極簡流水線，兼容RISC-V架構(gòu)且對執(zhí)行效率等方面進(jìn)行了增強，并可進(jìn)一步選配安全執(zhí)行技術(shù)以增強系統(tǒng)安全性，適用于對功耗和成本極其敏感的IoT、MCU等領(lǐng)域。
MCU更低功耗
如果允許外圍設(shè)備相互通信，并在不喚醒 CPU 的情況下可以監(jiān)控傳感器，這樣可以大大降低系統(tǒng)的總功耗。Silicon Labs 的EZR32無線MCU就是一個很好的例子，它具有外設(shè)反射系統(tǒng)，允許外設(shè)在不喚醒 CPU 的情況下相互通信，其低功耗傳感器接口可以在 CPU 處于深度睡眠狀態(tài)下監(jiān)控多達(dá)16個傳感器。MCU和射頻收發(fā)器節(jié)能技術(shù)的結(jié)合使得無線MCU成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中電池供電傳感器節(jié)點的理想選擇。
為滿足客戶的低功耗需求，ST從2009年發(fā)布第一顆基于Cortex-M3的L1，到2014年基于M0的L0產(chǎn)品，一直到2015年、2017年持續(xù)給用戶提供基于M4內(nèi)核的L4和L4 。國內(nèi)自主品牌的可穿戴手表有90%是基于L4和L4 這個產(chǎn)品線。去年ST發(fā)布了第一個基于Cortex-M33的STM32L5產(chǎn)品線，提升了整體安全性能和能效比，同時今年第一季度又發(fā)布了第一個基于40nm工藝的STM32U5產(chǎn)品線。
MCU更加安全
國民技術(shù)是本土廠商中專門做“安全MCU”的企業(yè)，其安全芯片是一種為MCU融入安全技術(shù)，或者說增加相關(guān)安全模塊的芯片產(chǎn)品。除了常規(guī)的MCU組成部分，其特點在于加強了芯片關(guān)鍵信息存儲、運算過程的保護(hù)和抗攻擊能力。下圖中的紅色部分即是國民技術(shù)為其安全芯片增加的安全模塊。
再比如各類密碼算法硬件加速引擎的加入（包括國密算法）、時鐘安全系統(tǒng)（外部時鐘晶體失效時自動切換到內(nèi)部RC振蕩器）、固件安全更新（固件簽名認(rèn)證），以及一些防側(cè)信道攻擊的方案（典型如指令功耗平衡，因為攻擊者通過功耗、發(fā)熱等側(cè)信道攻擊方式是可以進(jìn)行算法推斷，進(jìn)而獲取資產(chǎn)的，指令功耗平衡可以切斷這些側(cè)信道攻擊的可行性）。
MCU無線連接（Wireless）
無線MCU將成為AIoT時代的標(biāo)準(zhǔn)處理器芯片，像Silicon Labs這樣的國際廠商數(shù)年前就開始專注于IoT應(yīng)用市場，甚至將其它業(yè)務(wù)剝離出去，而100%投入物聯(lián)網(wǎng)，他們在各種無線連接通信協(xié)議的集成和支持上是值得關(guān)注的。而像樂鑫科技和聯(lián)盛德等國內(nèi)芯片廠商也開始在其芯片中集成更多的無線連接特性，他們有望把握住新興的物聯(lián)網(wǎng)機會，而成為AIoT時代的領(lǐng)導(dǎo)廠商。
MCU更小尺寸
小封裝 MCU 是控制體積受限型 IoT 終端節(jié)點應(yīng)用的理想元件。許多MCU還有其它功能，可將一個功能非常強大的設(shè)計輕松放入引腳受限的形狀內(nèi)。靈活的引腳分配、自主運行以及智能化外設(shè)互連器件是小引腳數(shù) MCU 先進(jìn)特性的一些示例，它們進(jìn)一步提升了MCU的適應(yīng)能力。
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