世界苦Arm久矣,不是因为它不够强大,而是开源更具性价比。RISC-V作为x86、Arm后第三大指令集,备受我国半导体厂商的喜爱。尤其是在MCU领域,过去几年出现过很多RISC-V+Arm双核或纯自研RISV-C内核的MCU产品。前几天,Renesas(瑞萨电子)宣布,推出基于内部自研CPU内核构建的通用32位RISC-V微控制器(MCU)——R9A02G021。这意味着,行业的风向开始变了,MCU巨头的战略也开始向RISC-V倾斜。
最早的微控制器(MCU)要溯源到1971年,那时候,世界上没有MCU这种概念,大家只认为,那是只能驱动计算器的芯片。彼时,Boone和TI(德州仪器)工程师Michael Cochran将处理器、RAM、ROM和I/O都在放在一块硅上,做成了计算器的芯片,也就是TMS1802NC。相隔一年,TI发布了TMS0100计算器系列,将TMS1802NC重新命名为TMS0100家族的第一个成员——TMS0102。一经推出,TMS0100就几乎统治整个计算器市场,不过,TI此时才意识到,如果把这种芯片设计得足够通用,岂不是可以为多个市场服务,征服全世界?因此,1974年,TMS1000微控制器系列才是正式面世,采用了当时主流得哈佛架构。而如今,MCU依旧以其“通用性”,服务着各种场景。随后,半导体界掀起4位MCU风潮,那时候,美国国家半导体公司的COP4XX系列、日本电气公司的PD75XX系列、日本东芝公司TMP47XXX系列等都是当时的典范之作。1976年9月,英特尔研制出了MCS-48系列8位MCU,相比上述芯片,它的架构更接近现代的MCU。不久后,便将MCS-48系列升级到MCS-51,也就是日后我们所熟悉的“51单片机”,铸就了经典的“51架构”延续至今。紧接着,Motorola、Zilog、日本电气也跟进M6800系列、Z80系列和μPD78XX系列MCU。1983年,MCU开始步入16位时代,英特尔推出高性能16位MCS-96系列,采用了最新的制造工艺,芯片集成度也刷新了记录,达到12万只晶体管/片。不过,我们都知道,现在的英特尔,并没有MCU业务。那是因为在20世纪80年代中后期,英特尔开始集中精力研发CPU,逐渐放弃MCU生产,并把80C51内核专利或技术转让给飞利浦、日本电气、Atmel、亚德诺、华邦等公司。这不,便开启了80C51百家争鸣的大时代。1990年~2004年,MCU市场开始草长莺飞,百花齐放,一个接一个的自研架构和内核接连浮现。AVR这一8位MCU唯一真神,在1997年由Atrmel研发。紧接着,瑞萨、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430系列等自研架构和内核产品面世。2002年,MIPS又推出M4K内核。2004年,那个“内核”终于来了,Arm推出32位Cortex-M3,这是第一个面向嵌入式微控制器的32位内核。那时候,8位MCU在市场如日中天,飞思卡尔(2015年被恩智浦收购)也推出了32位MCU架构。此时,ST却还没有找到合适的32位架构,而Arm的Cortex-A系列内核在手机领域大获成功,因此与Arm一拍即合。2007年6月,ST向市场推出了32位的STM32系列MCU,这阵风迅速席卷MCU行业,快速取代取代过去的4位、8位、16位MCU。自研内核时代,终于迎来了暂时的终点,直到现在,Cortex-M内核仍然是统治MCU市场的存在。2010年,开源指令集RISC-V在加州大学伯克利分校诞生,横插一道的它,刚开始并没有引起太多人关注。
直到2019年,兆易创新携手芯来科技,推出全球首款基于RISC-V的Bumblebee处理器内核的GD32V系列通用单片机——GD32VF103。此时,行业又掀起了一拨采用RISC-V IP内核的风潮。彼时,大多数公司的战略都是“坚持Arm和RISC-V两种架构并行”。那个时期,出现的典型产品包括搭载芯来科技N100系列的中微半导体ANT32RV56xx,搭载芯来RISC-V处理器N203+Arm Cortex-M3的航顺HK32U1xx9,搭载芯来科技N308内核的中移芯昇(中国移动旗下专业芯片子公司)CM32M4xxR。异军突起的RISC-V虽然免去了指令集授权之苦,但说白了,这时候还是要买别人做好的RISC-V IP。比如说,放在MCU中的典型RISC-V IP包括晶心科技N22/N25F/D25F/N45/D45系列、芯来科技N100/N200/N300/N600/N900系列、赛昉科技E内核系列、平头哥E902系列、中关村芯园 SAR-T6系列。把这些IP放进MCU,还是要给设计IP的公司付钱。专业的IP工作交给专业的IP公司,其实是很好的路。但想把MCU做得更具特色,免去一切授权的烦恼,就要自研RISC-V内核。
面对芯片IP行业日新月异的局势,不少芯片大厂都对新的设计架构跃跃欲试,也就是自己做RISC-V内核。早在2022年,就有消息透露,瑞萨要开始自研RISC-V内核。2023年11月30日,瑞萨电子发布了其专有的32位RISC-V内核,引起了半导体行业关注。2024年3月26日,瑞萨基于内部自研CPU内核构建的通用32位RISC-V微控制器(MCU)——R9A02G021正式面世。在过去,瑞萨推出了采用晶心科技RISC-V内核的产品,如32位语音控制ASSP、电机控制ASSP和64位通用微处理器“RZ/Five”。这一次,瑞萨自研的RISC-V内核,则能够适用于许多不同的应用环境。它可以用作主 CPU 或管理片上子系统,甚至嵌入到专门的ASSP(特定应用标准产品)设备中,简单解释,就是更通用、更灵活。可以说,从授权倒戈自研,这会是趋势,也会是行业走向百花齐放的又一标志。反观国内,一直都颇为注重自研RISC-V内核,想做出差异化的产品。沁恒微电子是国内第一批基于自研RISC-V内核构建芯片、共建生态并实现产业化的芯片公司。青稞处理器是沁恒微电子自研的32位RISC-V微处理器,乐鑫科技成功自研RISC-V处理器,并应用在ESP32-C和ESP32-H系列芯片中,包括ESP32-C2、ESP32-C3、ESP32-C5、ESP32-C6、ESP32-H2。并持续投入RISC-V研发,推出更多搭载RISC-V处理器的产品2023年12月,上海海思披露了公司聚焦行业专用(Application Specific)和嵌入式AI技术(Artificial Intelligence)的A²MCU。其中,Hi3065H是基于海思自研RISC-V内核的高性能实时控制专用MCU, 具有高性能、高集成度、高可靠性、易开发的特点,同时配合海思强大的算法团队和嵌入式AI能力,使得Hi3065H上市后快速获得家电、能源、工业等行业内多个客户的认可和好评。
从数据来看,RISC-V MCU的市场,没有高端RISC-V市场香,比如说高性能计算、汽车、手机、服务器等。RISC-V MCU出货量,在整个RISC-V SoC中一直是量最大的。SHD group的数据显示,2022年,RISC-V SoC的总市场在2022年为5.36亿台,预计在2023年将达到12.6亿台。其中MCU出货量最大,将近占据整个市场的一半,2022年达到3.67亿台,2023年可达6.17亿台,其次是AI加速器和存储控制器。不过,RISC-V MCU整体收入并不及AI加速器(2022年10.7亿美元,2023年26亿美元),2022年为3.6亿美元,到2030年,RISC-V MCU市场可达72亿美元,复合年增长率为42.0%。所以,这几年RISC-V一直在大力向高端市场推进,MCU的量虽大,但单个产品价格还是没有优势。也就是说,自研RISC-V内核还是授权IP,还是要看自己所针对的应用,有没有那么大的市场拓展空间。根据SHD group的分析,目前消费市场是RISC-V MCU最大的市场,其次是网络和计算,而基于RISC-V的MCU预计将在汽车领域得到大量且不断增长的使用。可以预见,想要扩大自己的竞争优势,自研RISC-V内核一定是最终的出路,不过在此之前,也要看市场量级撑不撑得起研发投入。
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自研RISC-V内核,MCU最后的出路?
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