阿里平頭哥開(kāi)源MCU設(shè)計(jì)平臺(tái) 芯片設(shè)計(jì)該如何尋求客制化與標(biāo)準(zhǔn)化的平衡

隨著IOT/AIOT快速擴(kuò)張版圖，MCU（微控制芯片）逐漸成為市場(chǎng)最緊俏的芯片之一。長(zhǎng)期以來(lái)，Arm憑借Cortex-M架構(gòu)和IP授權(quán)模式，在MCU市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。為了應(yīng)對(duì)AIOT市場(chǎng)對(duì)于多樣化、差異化MCU的需求，Arm推出了客制化指令功能，允許合作伙伴在針對(duì)特定嵌入式與IoT應(yīng)用加入自己的指令。然而，阿里巴巴旗下半導(dǎo)體公司平頭哥于近期推出的MCU平臺(tái)“無(wú)劍100 Open”，向人們展示了MCU設(shè)計(jì)的另一種方式——開(kāi)源。一時(shí)間，關(guān)于開(kāi)源模式與授權(quán)模式、客制化與通用化的探討又變得熱鬧起來(lái)。在AIOT時(shí)代，在標(biāo)準(zhǔn)、全面框架下保留一定客制空間的Arm，與all in 開(kāi)源的平頭哥，誰(shuí)是MCU的正解？

擁抱開(kāi)源的平頭哥

對(duì)于開(kāi)源，阿里巴巴已經(jīng)布局良久。2017年，阿里巴巴開(kāi)源輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式操作系統(tǒng)AliOS Things，將系統(tǒng)能力開(kāi)放給OEM和硬件廠商，繼而與高通、聯(lián)發(fā)科等23家廠商達(dá)成合作，推出內(nèi)嵌AliOS Things的芯片模組產(chǎn)品。2018年，阿里巴巴更進(jìn)一步，收購(gòu)自主嵌入式CPU IP Core公司中天微，隨后發(fā)布了基于RISC-V的第三代C-SKY指令架構(gòu)，以及首個(gè)32位低功耗CK902處理器。

在中天微與阿里巴巴達(dá)摩院芯片團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)上，阿里巴巴成立了平頭哥半導(dǎo)體，意在打造“AIoT時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施提供者”和“普惠性芯片”戰(zhàn)略的重要載體。

目前，平頭哥在AIOT基礎(chǔ)設(shè)施的布局分為三個(gè)層次：玄鐵處理器、無(wú)劍芯片平臺(tái)、Alios與基礎(chǔ)軟件。處理器IP核玄鐵910，基于RISC-V架構(gòu)開(kāi)發(fā)，支持16核，單核性能達(dá)到7.1 Coremark/MHz.眾所周知，RISC-V指令集發(fā)展方式以開(kāi)源為主，預(yù)留了大量編碼空間，開(kāi)發(fā)者可以在基本指令集上進(jìn)一步建構(gòu)符合市場(chǎng)所需的指令集。玄鐵910采用RISC-V架構(gòu)，也反映出阿里巴巴著眼開(kāi)源、普惠的造芯路線。

而近日發(fā)布的“無(wú)劍100”MCU平臺(tái)擁抱開(kāi)源，是對(duì)無(wú)劍芯片平臺(tái)的補(bǔ)充和引申。據(jù)平頭哥副總裁孟建熠介紹，無(wú)劍芯片平臺(tái)致力于將整個(gè)芯片的研發(fā)周期縮短50%，將開(kāi)發(fā)成本降低50%，RISC-V是開(kāi)源芯片的基礎(chǔ)，但僅有RISC-V是不夠的，因此平頭哥推出了開(kāi)源的MCU平臺(tái)。無(wú)劍100 Open包含玄鐵處理器、基礎(chǔ)接口、開(kāi)發(fā)環(huán)境、OS相關(guān)等，面向芯片的開(kāi)發(fā)者、RISC-V基礎(chǔ)軟件生態(tài)和高校。目前無(wú)劍100 Open的基礎(chǔ)硬件和配套軟件代碼已經(jīng)上傳到GitHub社區(qū)。孟建熠表示，后續(xù)平頭哥會(huì)逐步將性能更高、面向AI的平臺(tái)開(kāi)放出來(lái)，將更加優(yōu)質(zhì)的IP整合到開(kāi)源平臺(tái)。

更加靈活的Arm

面對(duì)RISC-V的發(fā)展和AIOT時(shí)代對(duì)芯片架構(gòu)的多元化需求，Arm也沒(méi)有閑著。本月召開(kāi)的Arm TechCon 2019大會(huì)中，Arm首席執(zhí)行官Simon Segars宣布推出Arm嵌入式CPU的客制化指令，讓SoC設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有軟件碎片化風(fēng)險(xiǎn)下，針對(duì)特定嵌入式與IoT應(yīng)用加入自己的指令。2020年上半年，Arm客制化指令將在Arm Cortex-M33 CPU上實(shí)施，并且不會(huì)對(duì)新的或既有授權(quán)廠商收取額外費(fèi)用。

顯然，對(duì)于RISC-V等競(jìng)爭(zhēng)指令集，Arm的應(yīng)對(duì)策略是在標(biāo)準(zhǔn)化、全面化框架下，留出一部分允許用戶引入客制化指令的空間，增加架構(gòu)本身的靈活性。

在10月23日舉辦的Arm年度技術(shù)研討會(huì)上，Arm市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Lan Smythe向《中國(guó)電子報(bào)》等媒體表示，Arm注意到其他競(jìng)爭(zhēng)指令集的存在，Arm的優(yōu)勢(shì)在于提供最全面的產(chǎn)品，在標(biāo)準(zhǔn)化的前提下允許開(kāi)發(fā)人員做一定程度的定制，相信這能滿足客戶的信息化需求。對(duì)于RISC-V能否使用Arm架構(gòu)，Arm ML事業(yè)群商業(yè)與營(yíng)銷(xiāo)副總裁Dennis Laudick現(xiàn)場(chǎng)表示，Arm倡導(dǎo)開(kāi)放的平臺(tái)，客戶可以把NPU放到RISC-V的平臺(tái)上。但從設(shè)計(jì)角度，Arm NPU配合Arm的CPU和軟件工具，才能更好地滿足用戶期望。

開(kāi)源站穩(wěn)腳跟還需要做好兩件事

平頭哥開(kāi)源MCU設(shè)計(jì)平臺(tái)，與Arm推出的客制化指令功能，最本質(zhì)的區(qū)別是什么？賽迪顧問(wèn)集成電路中心高級(jí)分析師陳躍楠向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，Arm一開(kāi)始只做IP授權(quán)，用戶在授權(quán)的IP架構(gòu)上做有限的修改或者不能修改。為了適應(yīng)AIOT等新興技術(shù)的多元化需求，Arm推出了客制化指令功能。相當(dāng)于授權(quán)方規(guī)定大部分的標(biāo)準(zhǔn)和框架，購(gòu)買(mǎi)方在一定空間引入客制化內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)芯片功能和性能的差異化。而開(kāi)源的MCU平臺(tái)，除了具備引擎、指令、接口、開(kāi)發(fā)環(huán)境等，還允許用戶更自由地組合、搭建各種模塊，甚至引入一些平臺(tái)上沒(méi)有的內(nèi)容，相對(duì)Arm而言在連接順序、搭建方式上有著更高的自由度。

集邦咨詢（TrendForce）分析師姚嘉洋也向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，平頭哥的“無(wú)劍100 Open“提供了硬件開(kāi)發(fā)套件與硬件描述語(yǔ)言Verilog，目標(biāo)用戶是芯片開(kāi)發(fā)商、IP開(kāi)發(fā)業(yè)者與學(xué)校單位，Arm的客制化指令集目前只能實(shí)現(xiàn)在Cortex-M33上。由于M33本身就具備TrustZone功能，Arm可基于這樣的開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)客戶的客制化指令心血，同時(shí)通過(guò)M33實(shí)現(xiàn)客制化需求。而平頭哥所推出的無(wú)劍100平臺(tái)，類(lèi)似于對(duì)玄鐵910處理器的開(kāi)源，顯然是將目標(biāo)放在MCU市場(chǎng)。

開(kāi)源意味著靈活、開(kāi)放、互通、門(mén)檻低，但也存在碎片化、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、生態(tài)不完善等待解問(wèn)題。雖然IOT本身也是一個(gè)偏向碎片化的市場(chǎng)，但若開(kāi)發(fā)者通過(guò)開(kāi)源平臺(tái)做出的MCU芯片接口、工具不統(tǒng)一，會(huì)對(duì)芯片的普及、外售和市場(chǎng)適配帶來(lái)困難。對(duì)此，姚嘉洋向記者指出，以平頭哥近期所推出的策略，加上阿里巴巴的生態(tài)系統(tǒng)與Ali OS等現(xiàn)況來(lái)看，平頭哥會(huì)以中國(guó)市場(chǎng)為先。若有平頭哥與阿里巴巴這類(lèi)公司出來(lái)，以玄鐵910與無(wú)劍100平臺(tái)作為開(kāi)源基礎(chǔ)，MCU碎片化的情況或許會(huì)有所改善。

根據(jù)Arm官方披露的數(shù)據(jù)，Arm的低功耗處理器設(shè)計(jì)已應(yīng)用于超過(guò)1500億顆芯片的智能運(yùn)算。相比之下，基于RISC-V的開(kāi)源MCU還有很長(zhǎng)的路要走。

陳躍楠認(rèn)為，RISC-V要真正提升市場(chǎng)份額，要解決兩個(gè)問(wèn)題。一是制定通用的標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)計(jì)難度、功耗等參數(shù)提供參照，保證客戶加入的專(zhuān)利性、客制化內(nèi)容能提升芯片的功能，但不會(huì)降低芯片的性能;二是找到區(qū)別于Arm架構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景。

“目前RISC-V還沒(méi)有找到區(qū)別于Arm架構(gòu)，能一枝獨(dú)秀的應(yīng)用和需求。一旦出現(xiàn)只有RISC-V能做、Arm架構(gòu)不能做的市場(chǎng)需求，RISC-V的市場(chǎng)份額才能快速提升?！标愜S楠說(shuō)。

那么，在MCU市場(chǎng)，芯片設(shè)計(jì)該如何尋求客制化與標(biāo)準(zhǔn)化的平衡？姚嘉洋認(rèn)為，客制化與標(biāo)準(zhǔn)化在MCU市場(chǎng)都有生存空間，許多公司正在同時(shí)壓寶Arm與RISC-V指令集。

“客制化帶來(lái)的，是在某一應(yīng)用或是某一產(chǎn)品上更好的性價(jià)比表現(xiàn)，但開(kāi)發(fā)時(shí)間能否少于標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，RSIC-V陣營(yíng)正致力于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)也可以更靈活地滿足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求。這對(duì)于Arm來(lái)說(shuō)，的確是需要特別注意的地方?！币窝笳f(shuō)。
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