RISC-V助力國產MCU突圍

胡振波 徐來

MCU在汽車、消費電子、工業領域、醫療保健等領域應用廣泛，市場規模巨大，整體需求仍在持續增加。IC Insights預測，從2018年到2023年，MCU銷售額的年復合增長率為3.9%，并在2023年達到213億美元;這期間MCU單位出貨量的年復合增長率達到6.3%，到2023年有望達到382億片。

MCU產業發展呈四個趨勢

隨著AIoT時代的到來，MCU產業發展也呈現出了如下趨勢。

一是32位MCU逐漸成為主流。雖然至今8位MCU在存量市場占有大量份額，但隨著汽車電子、可穿戴設備等需要更加復雜的控制和需要一定運算能力的應用驅動，32位MCU在2018年通用MCU出貨量便已經占據了60%以上，并且這一比例仍在持續增加。

二是應用定義MCU。AIoT的最大特征就是應用場景多，一類場景里又包括傳感器、連接控制、數據處理、智能決策等。每個場景對系統的功能、性能、安全、可靠性、功耗的需求不同，因此對應用于不同場景的MCU提出了差異化需求。另外，AIoT的一個特征就是市場變化快，因此MCU產品隨著市場需求迭代的速度也變得比以往要快。

三是智能化勢不可當。越來越多的基于語音、圖像和視頻的應用如雨后春筍般涌現，例如智能音箱、人臉識別的閘機等，對于這類應用，一線MCU企業推出了一系列兼具高性能和低功耗，并且帶DSP、矢量，或針對特定算法的加速單元的產品。但受到架構、功耗和算力的限制，MCU目前更加側重輕量級智能應用。

四是安全性迫在眉睫。由于人臉、指紋、聲紋等在支付、電子鎖等應用里廣泛使用，以及物聯網連接數量的增多讓用戶的私密數據多了泄露的渠道，因此對數據處理和傳輸安全的要求迫在眉睫，對MCU的安全設計成了剛需。

而目前整個MCU的現狀則是產品同質化嚴重，價格也逐漸走低。由于絕大數32位MCU基于ARM內核，導致了產品定義難以做到差異化，而同質化產品的競爭導致了價格走低，雖然促進了32位MCU的普及，但也給MCU公司對未來產品的規劃、定義和設計提出了更大的挑戰。

為適應各種場景RISC-V應運而生

縱觀MCU的發展歷史，從上世紀70年代MCU初現，到2000年初期，包括In-tel、TI、摩托羅拉、NEC等，各家的MCU產品都具各自處理器指令集架構和微架構，并需要自建軟硬件生態。由于生態建設周期長、投入大，這種資源分散的局面導致該階段MCU的發展非常緩慢。到2004年，ARM Cortex-M系列出現，意法半導體于2007年推出首款基于Cortex-M3的MCU產品系列STM32。得益于相對統一的處理器指令集架構和基于ARM的微架構的實現，各MCU公司的處理器生態建設和維護成本大大降低，可以將更多的資源投入到具體MCU產品相關的應用生態上。2008年，在物聯網和汽車智能化趨勢的驅動下，基于Cortex-M系列的32位MCU得以迅速普及。與此同時也帶來了同質化的問題，各MCU公司基于ARM的公版處理器難以做出有差異化的產品，競爭便主要集中在價格層面。

但隨著AIoT逐漸走向成熟和大規模應用，面對豐富的“碎片化”應用場景，ARM相對封閉的指令集架構和內核研發速度顯然無法跟上時代的需求，于是RISC-V便應運而生了。RISC-V是一種簡單、開放、免費的全新指令集架構，它最大的特點是“開放”，它的開放性允許它可以自由地被用于任何目的，允許任何人設計、制造和銷售基于RISC-V的芯片或軟件，這種開放性，在處理器領域是第一次。另外，RISC-V具有技術上的后發優勢，能夠總結前人的經驗教訓，做到設計上的先進性和相對簡潔。為了適應AIoT新時代的需求，其指令集架構具備模塊化和擴展性特性，方便適應各種應用場景。可以說，RISC-V是順應了歷史發展規律的產物。

隨著2015年RISC-V指令集架構開始由國際基金會維護，整個生態成長迅速，在不到五年時間內，便有了超過350家、遍布28個國家的會員單位，包括西部數據、三星、臺積電、Microchip、NXP、Google等國際大廠。因此，RISC-V也成了名副其實的國際標準指令集。

RISC-V已經具備相對成熟的生態體系

RISC-V經過幾年的快速發展，目前已經具備了比較完善的軟硬件生態體系。隨著越來越多的軟硬件企業和愛好者的加入，它和ARM的生態差距逐漸變得微小。

就硬件生態而言，目前，RISC-V已經具備相對完善的內核可供選擇，包括開源和商用閉源的能夠對標ARM ?Cortex-M到A系列的處理器。除此之外，RISC-V的擴展特性更是可以根據用戶的實際應用在標準的處理器基礎上擴展成為面向所在領域的處理器產品。

對于軟件生態而言，在工具鏈層面，用戶可以根據實際需求選擇基于Eclipse或VSCode的開源免費工具鏈，也可以選擇像IAR、本土的卡姆派樂的商用工具鏈。對于RTOS而言，可有FreeRTOS、RT-Thread、華為的LiteOS、騰訊TencentOS、阿里AliOS和Zephyr等諸多選擇。另外，各家RTOS也提供了豐富的針對物聯網和行業應用的SDK。可以說，軟件配套已經非常完善。

RISC-V在軟硬件生態上的一個挑戰是人的使用習慣。過去很多嵌入式開發人員非常依賴Keil這一單一的IDE，轉到RISC-V的工具鏈上，雖然只需要很短的時間，但依然需要一個適應過程。不過隨著RISC-V在學校和職業教育中的不斷普及，越來越多的人了解并使用RISC-V，這樣開發人員的生態便慢慢建立了起來。相信在不久的將來，這些由于習慣所帶來的挑戰將不復存在。

RISC-V滿足MCU產業變革需求

RISC-V由于其開放性，可以很好地滿足AIoT時代對MCU產業的需求。

一是由于RISC-V指令集架構的開放性，能讓軟硬件更好地進行協同設計，為應用提供最佳的軟硬件系統解決方案。

二是由于其模塊化設計，針對不同AIoT領域的應用，可以選擇通過基礎指令集搭配適用于各類應用場景的擴展指令集，以在滿足功能的前提下實現最佳的能效比。

三是RISC-V天然具備擴展能力，可以方便通過其指令擴展能力和處理器IP公司提供的擴展接口，實現對語音、圖像、加解密等算法的加速，或是通過插入特殊的指令來防止固件被盜版。并且由于其擴展機制在目前開源編譯器里得到天然支持，因此擴展指令集不需要修改編譯器。

四是由于指令集架構相對統一，而軟硬件生態依據該指令集由各家公司或社區來實現，因此整體的生態建設成本被均攤，研發成本得到了降低。而且相對于封閉系統，開放系統的成長速度也隨之提升，以滿足市場日新月異的需求。

五是由于RISC-V被大量用于教育，在不久的將來，將有大量會使用RISC-V的人才走向社會，服務于產業。

RISC-V是國產MCU產業實現突圍的一次機會

由于國際大MCU企業在創新和生態上的持續投入，使得他們贏得先發優勢和生態壁壘，占領了國內72.6%的市場。國內MCU企業與這些國際大MCU企業差距巨大，產業聚集度低，多集中在低端電子產品應用端，在中高端領域缺乏有力的競爭者。假如國內企業依舊在ARM生態中，對國外廠商模仿、追趕，則很難實現突破。打破這種局面的關鍵就是全新的生態以及基于這種生態的創新，因此，選擇RISC-V這樣一種有活力和全新的生態是國產MCU產業實現突圍的一次千載難逢的機會。

中國作為人口大國，在經濟不斷發展的同時，消費逐漸升級，大量物聯網需求應運而生，并形成應用解決方案，這些應用解決方案不止被用于國內，更是輸出到了海外。由于我們具有應用解決方案定義的主導權，因此也就有了MCU選擇的權利，這讓國產MCU具備了成功的要素。

RISC-V由于其開放生態，能夠實現讓國產處理器自主可控的同時，也可實現商業繁榮，彌補了國內處理器產業的短板，讓關鍵領域的MCU實現國產化。

RISC-V作為一種全新且活躍的生態，是國產MCU企業打破國外MCU公司生態壟斷的一次歷史機遇。雖然RISC-V相對于ARM而言生態還需加強，但隨著越來越多的MCU公司參與到RISC-V開放生態的建設中來，RISC-V必將超越并成為未來的主流。

芯來科技是國內聚焦RISC-V處理器研發、生態建設和產業化的公司。針對MCU，芯來科技提供了從超低功耗到高性能的各種選擇。另外，可以根據實際應用選擇安全（Secu-rity）和功能安全（Functional Safety）等特性。