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兆易创新全球首发RISC-V通用MCU,对中国意味着什么?

时间:2019-08-23  来源:黄烨锋  浏览次数:878  字体:"大" "小"

在这样一个对中国而言相对特别的历史时期,RISC-V在中国似乎有着更加广泛的群众基础。其实质是在(1)IoT市场前景看好RISC-V的基础上,(2)对中国而言RISC-V具备更加“自主可控”的特点。但我们聊到RISC-V时,除了说他的优势特性,一个绕不开的话题就是“生态”问题:相较Arm、x86这类生态已经十分成熟的商业架构,生态问题是否会制约RISC-V的发展?在这样一个对中国而言相对特别的历史时期,RISC-V在中国似乎有着更加广泛的群众基础。就像中国工程院院士倪光南在兆易创新的RISC-V内核32位通用MCU新品发布会上总结的那样,“RISC-V基于标准宽松的BSD许可证,可自由免费地使用设计CPU、开发并添加自有扩展指令集,自主选择是否公开发行、商业销售或更换其他许可协议,或者完全闭源使用。”

其实质是在(1)IoT市场前景看好RISC-V的基础上,(2)对中国而言RISC-V具备更加“自主可控”的特点。能满足这两点的指令集大概并不多,比如龙芯在IoT这类新兴市场的前景或许还有待观望;而Arm则在自主可控的问题上存在诸多变数。这大概也是RISC-V得以快速生根发芽,甚至在某些特定领域即将与霸主Arm一争高下的历史原因。

与此同时,在我们聊到RISC-V时,除了说RISC-V具备精简、开源、灵活、模块化、可配置、“没有历史包袱”这些优势特性,一个绕不开的话题就是RISC-V的“生态”问题:相较Arm、x86这类生态已经十分成熟的商业架构,生态问题是否会制约RISC-V的发展?

这里的“生态”在我们的理解中,在绝大部分语境里是指软件栈是否完善,比如说操作系统,还有nodeJS这类组成部分。如果是这样的生态,那么RISC-V或许真的很难挑战Arm、x86,尤其是移动、桌面、服务器这类对软件栈生态依赖如此之重的市场。但IoT市场的情况却不是这样的。MCU本身就是个“碎片化”的市场——或者说,这是个灵活的市场;或者说这是个客户需求相对多样化的市场,即便是Cortex-M如此成熟的架构统领市场这么长时间,也并没有破除IoT的这种市场特性。

比如即便到现在IoT领域也并没有一个一统江湖的操作系统;甚至对某些垂直能力比较强的终端厂商,自己做core用在自家产品中,根本就不需要考虑生态问题。所以,IoT此时是体现RISC-V精简、开源、灵活、模块化、可配置的绝佳场景。

如嵌入式软件协会副理事长何小庆在会上所说:“做生态最难的实际是移动市场,其次是桌面、服务器。而IoT生态实则要容易得多,IoT生态链本身就比较短。”芯来科技CEO胡振波则提到:“服务器、桌面的软件生态难以逾越,但在嵌入式领域,软件生态并没有人们想象得那么可怕,甚至并没有什么太大的软件生态。”

上面这些,是RISC-V得以在短期内高速发展,以及兆易创新发布RISC-V内核32位通用MCU芯片的时代背景。在这些时代背景的促成下,RISC-V通用MCU的推出也显得顺理成章。

第一个基于RISC-V的32位通用MCU

兆易创新这次正式推出的,就是基于RISC-V的32位通用MCU,GD32V的首个产品系列GD32VF103,面向的是“主流型开发需求”,其主要配置情况如下:

• 基于RISC-V的Bumblebee内核(与芯来科技合作设计);

• 主频108MHz,16K-128K Flash闪存,8K-32K SRAM缓存;

• 2.6-3.6V供电,I/O口可承受5V电平;

• 配备1个支持三相PWM互补输出和霍尔采集接口的16位高级定时器可用于矢量控制;4个16位通用定时器;2个16位基本定时器;2个多通道DMA控制器;中断控制器(ECLIC)提供68个外部中断、可嵌套16个可编程优先级;

• 集成2个2.6M SPS采样率的12位高速ADC,提供16个可复用通道,支持16-bit硬件过采样滤波功能和分辨率可配置功能;2个12位DAC;

• 外设连接包括USAR *3、UART *2、SPI *3(支持四线制,新增多种传输模式,可扩展Quad SPI NOR Flash实现高速访问)、I2C *2(支持快速Plus(Fm+)模式,频率最高1MHz(1MB/s))、I2S *2、CAN2.0B *2,USB 2.0 FS OTG *1(支持Device、HOST、OTG等多种模式),EXMC(外部总线扩展控制器,可连接NOR Flash、SRAM等外部存储器);

• -40℃~85℃工业级操作温度;

• 每颗芯片唯一ID,gFlash专利技术,实现片上存储加密技术;

• 对应的Arm产品型号(GD32V对应GD32),封装与引脚兼容、软件开发兼容。

具体到产品,GD32VF103系列首批是14个型号,如上图所示,除了闪存容量主要差别外,包括四种不同的封装类型选择。这些产品已“全部实现量产,且上市销售”。尤为值得一提的是,基于RISC-V的MCU产品具备“完整的兼容性”,GD32V系列(RISC-V)和经典的GD32系列(Arm)之间“建立起了快速通道”,“搭建Arm和RISC-V的桥梁”,在两个阵营间相互切换,早前的Arm用户可以实现快速切换,增强了代码的复用性,“让跨内核的MCU选型和设计”变得很方便,“这是我们非常领先的,前所未有的创新”。

这里值得大书特书的应该就是联合芯来科技,共同定制的这个商用RISC-V内核Bumblebee(大黄蜂)。这个内核设计了二级变长流水线架构,支持指令预取和动态分支预测;支持RISC-V RV32IMAC指令集;支持32位宽的指令内存(ILM)和数据内存(DLM);集成单周期乘法器与多周期除法器;”融入多种低功耗设计方法“。”达到三级流水线的性能“。

兆易创新官方公布的数据中,GD32VF103系列MCU,在最高主频下的工作性能达到153 DMIPS,CoreMark测试得分360分。相比经典GD32的Cortex-M3内核同型号产品,这个分数提升了15%;此外在功耗方面,最大动态电流降低50%,待机电流降低25%。实际针对CoreMark测试项,以及指令集本身的特性,这个分数可能还有商榷余地,不过这组数据依然十分优秀,可能会是诸多客户选择转向RISC-V新产品的一大动力。

实际上,设计Bumblebee商业核的这家芯来科技,其蜂鸟E203开源核早前在行业内就已经相当知名了,和RI5CY、Zero-Riscy(这两者都由苏黎世联邦理工大学与博洛尼亚大学联合设计)之类的开源核在Github上都是齐名的。蜂鸟E203已经广泛地应用在了教学中,早前蜂鸟E203就有相对知名的基于FPGA实现的RISC-V开发板(基于Xilinx ArTIx-7系列FPGA-XC7A75T)问世。

芯来科技本身的产品布局规划还是比较全面的。芯来科技创始人胡振波在介绍中着重提到了其200系列32位超低功耗RISC-V处理器,有对标8051或Cortex-M0的N201,对标Cortex-M0/M0+的N203,对标Cortex-M3的N205,对标Cortex-M4F的N207。

这次的Bumblebee看起来应该就从属N205系列,或属改进款——这也基本符合GD32VF103和N205已公开的性能与功耗数据。按照胡振波所说,N205可以做到Cortex-M3级别的性能,Cortex-M0+级别的功耗。

这里尤为值得一提的是可体现开发灵活性的NICE(Nuclei Instruction Co-Unit Extension)指令扩展机制。“商业芯片公司客户,可以通过标准IP加上自己的指令扩展,完成特定领域的差异化,面向特定场景,加入加速指令集。这样就能在产品中提高差异化、能效比了。”

这一点在兆易创新的GD32V产品中也有所体现,GD32VF103的Bumblebee内核示意图中也出现了“指令扩展和协处理单元”,应该就是NICE的具象化。这种机制对于“通用”产品而言,可一定程度补足专用性短板的,属于个性强化。。

另外,芯来科技在IP上愈发注重安全性——注重安全性本身就是一个技术步入成熟的标志。目前已有的RISC-V内核安全特性包括通过指令随机化和功耗随机化来防止“旁路攻击”(应该是指side-channel attack);另外支持物理内存保护,用户态以及用户态中断和异常;前面提到的NICE接口可扩展加密相关的指令和硬件算法实现,也算是安全与灵活性的一种体现。

这些安全方案实际还很难说是完善的,不过胡振波提到,类似TrustZone这样的TEE特性也已经在研发中了。由此可见,RISC-V的成熟速度的确是惊人的,ARM可是用了几倍时间才到达如此程度的。这也是“后发优势”的一种体现。

开发生态搭好了吗?

目前市面上已有的RISC-V架构芯片已经越来越多,比如华米科技的AI芯片黄山1号、中天微的RISC-V第三代指令系统架构处理器CK902、睿思芯科的AI芯片Pygmy等。这些芯片的推出,都能体现IoT市场对定制的需求。所以这些芯片并不具备“通用”属性,在愈发不具备通用属性的情况下,“碎片化”或者个性也就愈发凸显,如文首所述,这类产品本身也并不需要多么庞大的生态。

而兆易创新这次发布的GD32V系列属于通用MCU,即便不谈软件栈的生态,在面向客户做具体开发时,仍然要求一整套完整的开发生态——否则也很难体现出产品的易用性的,或者说光有性能和功耗优势,也仍然很难说服客户转向RISC-V的GD32V系列。或许前面提到的“完整兼容性”,比如RISC-V和Arm版之间实现封装、引脚的兼容和软件开发的简单可移植性,可以认为是生态搭建的其中一部分,那么其余部分呢?

我们在本次发布会的会场外,看到了不少GD32VF103系列产品的实际应用。

比如上面这个来自格致微芯的微型热敏打印机解决方案,MCU所用的就是兆易创新的GD32VF103C8。这个方案可适用于POS打印机、税控打印机、ATM等设备的内置微型打印机设备中,现场就能直接打印。

再比如这个同样基于GD32VF103C8的USB多点触摸设备。下面的触摸屏采集触摸信息,通过I2C传输给主控芯片GD32VF103C8,实现触控操作,同时可识别1-5个触摸点位。具体的应用场景实际也无需都多说了,比如大屏幕互动展示、互动游戏、智能家居等。

上面这个示例则是来自芯片超人的空气净化器方案,GD32VF103C8在此负责控制负离子、臭氧、电机等外设工作。方案中的传感器进行数据采集,实时反馈控制外设,进行外界环境调节,来实时监控温湿度、PM2.5等。更多应用还可以参见本文文末的附图。

看起来在GD32VF103具体应用场景和产品的开发上,速度还是相当之快的。要实现这种易用性和开发的速度,就必须提供完整的开发生态。在GD32VF103系列产品发布的当下,兆易创新MCU事业部产品市场总监金光一就表示,不仅“提供硬件平台”,RISC-V的开发生态也已经准备就绪,“用户使用手头的开发工具就能实现RISC-V的研发了”。

这其中包括基本的IDE(集成开发环境)、调试下载工具、嵌入式操作系统,以及上至云端解决方案;当然除了这个链条也少不了像上面看到的开发板,包括全功能评估板、入门级学习板、电机控制开发板、触摸控制开发板、航模电机驱动板等具体场景应用的引导。

GD32VF103R-START与GD32VF103C-START最小系统板

开发实例,实物见下图

GD32VF103V-EVAL全功能开发板,与GD-Link三合一工具(支持在线调试、烧录、脱机烧录)

IDE支持就包含了三种,包括芯来科技在主推的Nuclei Studio——基于Eclipse IDE框架,是个免费的绿色IDE;还支持华为IoT Studio,以及相当有名的德国SEGGER Embedded Studio,据说SEGGER对于融入到兆易创新的RISC-V大家庭中来也充满了积极性。调试下载工具的支持亦包括SEGGER J-Link V10,以及兆易创新自家准备就绪的GD-Link。

在嵌入式操作系统方面,包含了主流的系统支持,如FreeRTOS、Huawei LiteOS等。基于与华为云的云连接合作,配合Huawei LiteOS,“10分钟就连接到华为云”。这样一来,也就完成了这套开发生态的初步规划。另外再搭配已经在合作的开发者社区,以及联合学校科研机构进行RISC-V的人才持续培养计划(如“兆易创新杯”中国研究生电子设计竞赛),生态的正向循环是可持续的。

基于GD32VF103VB十分钟上华为OceanConnect云方案展示

“我们联合多家厂商,包括做软件、中间件、集成开发环境、调试下载工具、终端解决方案的厂商。”金光一表示,“单靠我们芯片端是远远不够的,还需要上下游来补充,提供开放式的平台,基于MCU有了更多的第三方合作伙伴。我们把开发生态准备就绪,客户直接使用手头的工具,就能开发RISC-V产品了。”“我们也是第一家将RISC-V通用MCU真正落地的,解决从无到有的问题。”

不过毕竟是“通用”MCU产品,针对碎片化问题,比如不同企业可能发展属于自己的扩展指令;以及各芯片企业自己各自维护自己的开发生态,这都会是个耗时耗力以及对RISC-V大生态不利的过程。兆易创新期望通过加入各种RISC-V联盟、组织,比如加入RISC-V基金会的方式,逐步“形成气候,在生态建设过程中有更为规范化的发展。”

何小庆也提到,在发展中要防范碎片化,在政府加强引导先做标准化的前提下,先共同做大蛋糕,在发展之后再考虑差异化——这实际也符合现如今兆易创新先推常规RISC-V通用MCU的策略。与此同时,要让RISC-V真正在商业基础上起飞,仍然需要商业级的工具和软件出现,这可以期待RISC-V也Linux基金会的合作拉动。

兆易创新的MCU“百货公司”战略

到今年7月份,兆易创新MCU出货量正式超过3亿大关——这和早前达到1亿、2亿出货量所需的时间相比是越来越短的。“RISC-V也会拉动我们的出货量,虽然还要看市场的实际表现,但我们认为出货量是可期的。”金光一表示。

兆易创新的MCU产品,加上Arm架构的,入门型到高性能增强型是全范围覆盖的。GD32现有的Cortex-M产品系列就有22款。目前公司的MCU研发中心有4个,市场销售中心5个,覆盖在全国各地。在GD32的规划中,除了产品的进一步成熟度加强(比如M33明年就会加上TrustZone),未来汽车级高可靠性领域也将涉足,MCU产品将用于车身电子和ECU控制,需符合AEC-Q100和ISO26262。

中国工程院院士倪光南与兆易创新执行副总裁、MCU事业部总经理邓禹

但在兆易创新执行副总裁、MCU事业部总经理邓禹看来,这个成就还是不够的。“IHS Markit数据显示,国内Arm Cortex-M MCU市场排名中,兆易创新排第三,市场份额为9.4%。虽然看起来相比2017年是有巨大成长的,但我们跟第一、第二名的差距仍然很大。”“目前我们的MCU业务只是站稳了脚跟,后面还有很长的路要走。”

在谈到兆易创新MCU“生态优势”这个问题的时候,实际我们还可以将层级放得更高一些。中芯国际CEO赵海军在开场致辞中提到:“兆易创新要打造生态,RISC-V就是生态。而NOR Flash就已经进入到生态中。”兆易创新这家公司2005年开始涉足存储器业务,2011年成立MCU事业部,两大业务的发展都相当出色,NOR Flash累计出货量也已经达到100亿颗;2019年兆易创新并购思立微,随之拓展了传感器业务。

存储器业务对MCU本身就有促进作用,加上合肥长鑫DRAM这一类合作,会强化国产MCU的优势。

存储、MCU、传感器的业务线形成之后,围绕GD32 MCU,兆易创新的产品丰富度还要进一步提升。“传感器信号需要送到CPU处理,信号链上的产品我们也在看。今年底,我们会发布集成电源管理、高精度的AD/DA、运放;传感器领域,思立微最早做触摸,后来做指纹,未来我们要持续布局光电传感器”。

此外,融合自有业务,“我们要做加入无线连接功能的MCU,eRF,明年就会发布第一个加入WiFi连接的产品。”“这样一来未来的MCU产品会有三种形态:纯逻辑的,加入了存储的eNVM(早前Flash与MCU进行SiP封装打造的eFlash就获得了不错的市场反响),加入了无线连接的eRF。”

与此同时,“我们跟Arm仍是战略合作伙伴,而且未来Arm也会与兆易创新进行持续的战略合作。”这些将促成兆易创新的“一站式百货公司”规划,“以MCU芯片级解决方案,满足客户设计所需的各类产品”,“给客户多种多样的选择”。这是兆易创新对产品组合的规划。

“用户的任何需求都可以在这里得到满足,目前全球也还没有能做到这个程度的企业。这需要我们长期的努力。”邓禹说。

实则在金光一提到基于RISC-V的GD32V系列产品时,就能够瞥见兆易创新的这套思路:“终端客户怎样实现不同形式、不同应用、不同架构、差异化的产品。差异化有很强的市场需求。我们已经有了Arm架构的产品,RISC-V是对差异化的补充。这是来源于市场需求。我们在业界第一个切入RISC-V赛道,给客户提供差异化产品本身是下定决心的;这次推的是主流均衡性,未来还会有入门计算、高性能计算产品。这就是百货商店的一部分,给客户多种选择。”

x86、Arm、RISC-V三分天下

倪光南在对比x86、Arm和RISC-V时,提到了RISC-V很可能发展成世界主流CPU之一,从而在CPU领域形成Intel、Arm和RISC-V三分天下的格局。这个预判依据已经在前文提到,在IoT乃至AIoT的时代热点下,这三者实际都有自己的市场,且将同步并行发展。

当前在Arm出现,并与x86分一杯羹之时,这“一杯羹”实际上是x86始终都不曾得到的移动市场;且Arm的这种成功也并没有促成它在桌面和服务器市场的实质性发展。RISC-V的出现与当年Arm出现时的局势类似,IoT领域与当年的移动领域又是截然不同的,RISC-V具备在这一领域深耕的所有客观条件,但与此同时,它或许也难以撼动x86、Arm霸占的市场分毫。这也并不影响三分天下的局势形成。

在这样的历史条件下,RISC-V的崛起却为中国半导体行业的发展真正带来了机遇。金光一说:“GD32VF103芯片的研发设计、流片、封装测试,整套流程都是在中国国内完成的,自主可控,可应用于特定垂直市场。”这是个很好的开端。

胡振波将MCU的生态发展切分成了三个阶段:“整个MCU发展历史的第一个阶段,那个时候所有的公司都有独属于自己的架构,当时中国厂商根本就没有机会入场;第二阶段,Arm生态太成功了,把以前每家独立的架构都颠覆了。Arm通过生态影响力,把32位MCU做成了事实标准,统一了生态,扩大了市场。但我们中国还是跟着人家‘吃土’。”

“要是RISC-V没出现,中国可能还在‘吃土’。现在中国赶上了这样一个时代,在完成市场原始积累阶段之后,全面拥抱RISC-V。兆易创新今天就走在了世界的最前面,这是值得钦佩和骄傲的。”

但与此同时,“要做好艰苦斗争的准备。在很长的一段时间里,这都需要一个过程。这个认知过程比我们想象得还要复杂。必须坚持下去,有信心。兆易创新的号召力变得更强了,后面的朋友都会来的。”“兆易创新做出了一颗RISC-V通用芯片,这是万里长征的第一步。”

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