靈動(dòng)微電子：國(guó)產(chǎn)CPU內(nèi)核開(kāi)啟高端MCU征程

日前，靈動(dòng)微電子正式對(duì)外發(fā)布了其高端的MM32F5系列MCU，該產(chǎn)品系列采用了Arm v8-M Mainline架構(gòu)的“星辰”STAR-MC1內(nèi)核，該內(nèi)核是Arm本土團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來(lái)的第一款面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的輕量級(jí)實(shí)時(shí)處理器。而就在一個(gè)月前，曾先后負(fù)責(zé)過(guò)NXP和飛思卡爾處理器和MCU產(chǎn)品線(xiàn)研發(fā)的全球知名半導(dǎo)體MCU領(lǐng)域?qū)＜褿eoff Lees正式加入了靈動(dòng)微電子。

MM32F5系列主打高端工業(yè)控制與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)，這也是靈動(dòng)微電子在高性能產(chǎn)品上的第一步。靈動(dòng)微電子市場(chǎng)總監(jiān)王維表示，在全球高性能MCU市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)市占率一直低于2%，而在應(yīng)用市場(chǎng)，對(duì)高性能MCU的需求，包括智能樓宇、安防和家居在內(nèi)的智能民生工程增長(zhǎng)了15倍，受到疫情影響而帶來(lái)的非接觸式人機(jī)交互需求增加了5倍，而以工業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造為主的國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的需求也增長(zhǎng)了2倍多。

目前，國(guó)產(chǎn)的高性能處理器的市占率已經(jīng)高于國(guó)產(chǎn)高性能MCU，主要原因在于處理器行業(yè)的整個(gè)架構(gòu)和生態(tài)相對(duì)來(lái)說(shuō)完整，而MCU市場(chǎng)從架構(gòu)到玩家都更多。國(guó)內(nèi)MCU企業(yè)對(duì)高性能的產(chǎn)品的支持和整個(gè)布局上相對(duì)來(lái)說(shuō)還不完善。另外，MCU的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，有非常多差異化的生態(tài)的要求，碎片化的生態(tài)加上不同算法的門(mén)檻，這些都是國(guó)產(chǎn)高性能MCU面臨的挑戰(zhàn)。

一邊是高成長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，一邊是低國(guó)產(chǎn)市占率，這也給本土MCU企業(yè)提供了上升空間。經(jīng)過(guò)評(píng)估，靈動(dòng)微電子決定采用Arm v8-M Mainline架構(gòu)的“星辰”STAR-MC1內(nèi)核來(lái)啟動(dòng)高性能MCU產(chǎn)品線(xiàn)。作為Arm中國(guó)100%自研的處理器，“星辰”STAR-MC1內(nèi)核具有高達(dá) 4.02 Coremark/MHz 的能效，主打互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在實(shí)時(shí)控制、數(shù)字信號(hào)處理、安全運(yùn)行、極低功耗、極小面積等方面的應(yīng)用需求。

雖然是100%自研，但“星辰”STAR-MC1內(nèi)核依然是在A(yíng)rm的M-Profile架構(gòu)演進(jìn)路線(xiàn)上開(kāi)發(fā)的。據(jù)安謀科技CPU產(chǎn)品總監(jiān)陳江杉介紹，在第一代Armv6-M架構(gòu)上，開(kāi)發(fā)出了Cortex M0和M0+處理器，第二代Armv7-M架構(gòu)，加入了SIMD/DSP和FPU(SP)（M4和M7支持），開(kāi)發(fā)出了Cortex M3、M4和M7，這也是目前高性能MCU主流的內(nèi)核。而最新第三代的架構(gòu)就是Arm v8-M Mainline。雖然從Cortex M0到M7，Arm已經(jīng)完整的覆蓋了從低到高的應(yīng)用需求，但v8-M Mainline強(qiáng)化了低功耗和安全，把原本用于手機(jī)處理器的Cortex-A中的安全技術(shù)TrustZone下放到M系列，并且在價(jià)格上，v8會(huì)有更多可定制性和靈活性，未來(lái)，v8會(huì)進(jìn)一步增加計(jì)算密度。

在性能和功耗基本保持不變的前提下，v8較v7性能提升了20%。就STAR-MC1內(nèi)核而言，在安全、計(jì)算和靈活性上都進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)。安全方面，采用了TrustZone技術(shù)，并提供更全面的內(nèi)存保護(hù)；計(jì)算方面，更強(qiáng)調(diào)性能與功耗均衡的配置，具有1.50 DMIPS/MHz和4.02 Coremark/MHz的性能；在靈活性上，“星辰”STAR-MC1內(nèi)核具有v8架構(gòu)下的可定制性和延展性，包括定制指令集和協(xié)處理器接口等，這給用戶(hù)提供了面向需求和性?xún)r(jià)比的選擇。例如，得益于M7內(nèi)存子系統(tǒng)的下放，“星辰”STAR-MC1內(nèi)核可更好地滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)和更好的緩存系統(tǒng)的需求，增加整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)吞吐率。

自2018年立項(xiàng)，至今，Arm中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模已接近100，STAR-MC1內(nèi)核已經(jīng)被應(yīng)用于可穿戴、汽車(chē)、高速存儲(chǔ)、北斗、網(wǎng)絡(luò)等芯片，以及手機(jī)傳感控制，在研項(xiàng)目超過(guò)了60個(gè)，截止2021年底，出貨量已超過(guò)一億。陳江杉特別強(qiáng)調(diào)，因?yàn)樵搩?nèi)核是由Arm中國(guó)100%自研的處理器——Arm中國(guó)已通過(guò)內(nèi)部評(píng)審，其涉美IP不足10%——因此不用擔(dān)心后續(xù)供應(yīng)鏈安全問(wèn)題。

這些在研項(xiàng)目就包括了靈動(dòng)微電子的MM32F5。王維表示，之所以選擇STAR-MC1，主要是其性能較Cortex M3M4有很大提升，4.02 Coremark/MHz，與M3/M4 相比，性能提升了20% 。另外，在支持多并發(fā)特性上，擁有L1 I/D Cache，和獨(dú)立的TCM 接口。當(dāng)然，Arm成熟的生態(tài)體系也很重要——它支持KEIL、IAR、GCC、 J-LINK、ULINK2等編譯工具。還有一個(gè)比較重要的是自主可控，除了國(guó)產(chǎn)化的“星辰”STAR-MC1內(nèi)核，MM32F5從晶圓到封測(cè)都是全國(guó)產(chǎn)的合作伙伴，可持續(xù)性發(fā)展得到了充分的保障。

作為靈動(dòng)微電子高端MCU系列的開(kāi)局，MM32F5在內(nèi)核性能和資源配置上都較之前產(chǎn)品做了很大提升。內(nèi)核如前文所述，搭載了“星辰”STAR-MC1內(nèi)核，集成了DSP和FPU，性能達(dá)到4.02 Coremark/MHz；在通信接口上，MM32F5配置了以太網(wǎng)、USB 和雙FlexCAN 接口，以及多達(dá)14組UART、SPI 和I2C；在存儲(chǔ)上，配置了256KB 到2MB 雙分區(qū)Flash，192KB 多分區(qū)RAM，4KB L1 I/D Cache，并且支持QSPI和FSMC外擴(kuò)存儲(chǔ)；MM32F5內(nèi)置高性能模擬和定時(shí)器，包括2組3MSPS 12-bit SAR ADC，支持256 倍硬件過(guò)采樣，以及2組高級(jí)定時(shí)器，支持8路互補(bǔ)PWM輸出。

除上述性能，MM32F5獨(dú)創(chuàng)了一個(gè)外設(shè)互聯(lián)系統(tǒng)MindSwitch，可以支持任意外設(shè)和GPIO間的同步處理和邏輯運(yùn)算內(nèi)置多路組合邏輯處理單元CLU，可以在不需要CPU干預(yù)的情況下完成更多的任務(wù)。

在MM32F5推出之前，靈動(dòng)微電子在去年11月開(kāi)始，幾乎每月推出一款基于M3或M4內(nèi)核的產(chǎn)品，包括由于8英寸產(chǎn)能不足而推出的國(guó)內(nèi)首款12英寸產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的MCU F0140，針對(duì)工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用，升級(jí)了CAN接口，首款國(guó)產(chǎn)雙電機(jī)M0芯片SPIN0280，以期完善產(chǎn)品線(xiàn)的市場(chǎng)覆蓋率。

作為系列，MM32F5規(guī)劃了三個(gè)型號(hào)：MM32F52、MM32F53和MM32F55，主頻分別為120MHz、150MHz和200MHz。王維表示，當(dāng)“星辰”STAR-MC1內(nèi)核主頻達(dá)到200MHz時(shí)，相當(dāng)于250-300MHz M3或M4內(nèi)核MCU，目前在通用MCU市場(chǎng)上，能達(dá)到這一水平的M3或M4內(nèi)核MCU還很少，而這一性能可以支持到例如人臉/物體識(shí)別、視覺(jué)和語(yǔ)音處理的應(yīng)用。

MM32F570適用范圍

而作為Cortex M3或M4內(nèi)核升級(jí)的主力，MM32F52推出了兩個(gè)產(chǎn)品MM32F5270和MM32F5280，并提供Plus-F5270 開(kāi)發(fā)板、MindSDK開(kāi)發(fā)工具。這些產(chǎn)品將用于工業(yè)自動(dòng)化、新能源、智慧電網(wǎng)和樓宇自動(dòng)化。