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这款基于KungFu架构指令集的国产32位MCU,价值究竟在哪儿?

新闻
2019/12/30


MCU市场并不存在一个一统的“生态”,这在我们早先针对RISC-V的不少报道中都有所提及。实际上,很多MCU制造商都有属于自己的指令集架构产品,比如瑞萨电子的RL78、RX系列采用的都是“瑞萨内核”;MicroChip的dsPIC33F、TI C2000都属于介于DSP和MCU中间形态的架构(DSC)。

即便这些MCU制造商同时在推Arm Cortex-M系列产品,即便自有架构也并没有实现真正的“大众化”,但在某些细分领域依然能够争得一席之地,如TI C2000在伺服电机与马达控制领域仍有相当市场。

不过有这样一家MCU国产厂商,采用完全自主研发的架构已经长达7年时间:近两日正在进行的ELEXCON 2019深圳国际电子展上,上海芯旺微电子(ChipON)正着力展示自家的32位MCU新品——在更早的8位MCU产品中,芯旺采用的就是自主IP的KungFu8内核;到今年,KungFu32内核的KF32系列MCU已经开始量产。这其中也包括了面向汽车电子市场的车规级MCU产品。

我们前不久拜访位于上海张江的芯旺微电子之时,他们刚刚举行了一场32位MCU出样仪式。芯旺的工程师告诉我们:“现在32位的MCU正式开始交给客户使用了,也有不少客户在排队申请我们的32位芯片。”

当天出样的是KungFu32架构产品中的KF32L530——这是一款面向智能门锁的主控MCU,Flash容量为512KB,集成丰富的外设资源,主频可以运行到120MHz。


自主IP的KungFu架构


KungFu32架构系列产品涵盖了KF32LS系列(单组电源低功耗型)、KF32L系列(低功耗高性能型)、KF32F系列(高可靠高性能),以及KF32A系列(车规级)。


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“我们的32位MCU市场定位主要在工业、汽车和AIoT。”芯旺FAE卢经理介绍说。更具体讲,KF32LS与KF32L专注在AIoT、智能家居、仪表控制、可穿戴设备、语音识别、指纹识别;KF32F则着力应用在电机、伺服、电源、逆变器;KF32A主要应用在汽车BCM(车身控制器)/ECU、T-BOX、门窗控制、空调、照明、逆变器、倒车雷达等。

在我们的采访中,芯旺内部并没有很在意KungFu自研架构;在以往的产品宣传中,芯旺对于自研指令集和架构也比较轻描淡写——按照芯旺工程师所说,芯旺期望依靠MCU产品本身的实际表现来表达实力,而不是依赖“国产”这样一顶帽子。不过我们仍然认为,在如今国际贸易大背景下,KungFu指令集是值得去谈一谈的——它既不是Arm,也不是RISC-V或者基于别家的指令集。

芯旺微电子技术有限公司VP丁丁在ELEXCON 2019展上发表主题演讲时,提及“中国芯片制造为什么这么难”,也说到了芯片研发投入大、周期长、风险高、竞争激烈,“全球芯片制造业核心技术长期被Intel、AMD等巨头控制”,而“中国的高端IC设计技术滞后”。从中国半导体行业协会的数据来看,中国集成电路产品进口额还在逐年上升,2018年已经达到4175.7亿美元,其中处理器及控制器占进口额近一半的市场份额。



芯旺微电子技术有限公司VP丁丁在发表主题演讲


而中美贸易摩擦产生的“不确定性将给集成电路产业带来深远的影响”。应对这种不确定性,如丁丁所说,理应是“注重基础技术的研究和投入、建立安全供应链及开放合作。”其中的基础技术研究投入,在芯旺这里就体现在KungFu自主IP的开发。

虽然我们无法相对全面地去掌握KungFu32架构及指令集的具体情况,不过从芯旺资料及对工程师的采访中,可对KungFu32架构了解一二,这里列出一些我们认为的优势或特色项:KungFu32基于16位/32位混合指令的指令集,采用单周期32X32 MAC单元、单周期16X16的双MAC单元、最多支持8个64位 ACC累加操作、32÷32硬件除法器,支持定点小数MAC操作、32位桶形移位器、DSP运算指令支持音频/视频单指令多数据操作、支持DO循环指令,实现自动循环程序,减少指令开销,提高指令执行效率。

KungFu是芯旺在公司创立之初就坚持的自主指令集, “其实我们不是从去年才开始KungFu32的研发,早在2012年就已经立项了,到2017年才投片。”意料之中,这是个长时间积累的项目,“32位整体架构的研发实则还能追溯到更早。刚开始,我们一直在做8位MCU,中间也遇到了各种困难,针对8位MCU也在持续改进和升级。32位架构MCU的很多技术,都是在8位机上积累起来的。”


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ELEXCON 2019展,上海芯旺微电子展位


“从第一颗32位MCU回到公司,我们来回做改版、测试验证,到今年我们现在才敢说,是实现了真正意义上的量产。”而对于KungFu的坚持,和芯旺创始团队对于技术的坚持和热爱密不可分。

自研架构就市场层面的价值,在我们看来还至少包含了下面这些:1.国内某些行业,如电力领域有国产化率的基本目标,这对国产自研架构来说是相当重要的优势;2.产品方向更为清晰的目标定位,尤其在Arm平台MCU产品竞争激烈的情况下,自研架构将有更好的行业与客户指向性;3.更便于走差异化路线,通过在性能、功能方面针对客户需求的考察,可弥补平台本身可能存在的建构力度不足。


KungFu32带来了什么?


国外采用自研架构的MCU厂商并不少见,在有技术实力的情况下就可以考虑去做。“我们期望把KungFu这个平台打造成和Arm那样的通用平台。”不过即便搞定了自研指令集与架构,真正能够代表MCU产品成功与否的,仍是它能否带来足够的竞争优势,以及吸引了多少开发者?这是市场真正关注的问题。

芯旺针对这一波KungFu32 MCU产品的宣传词在“高可靠、高性能、低功耗”,乍看这是比较常规的宣传用语。在具体解读中,却的确能够找出有关这三者表达的实质。

1.“高可靠“还是比较易于理解的,KF32A系列可通过AEC-Q100认证,可承受8KV ESD和4.2KV EFT,车规级Grade 1温度等级。更多相对常规的可靠性属性还包括Flash&RAM支持ECC校验;双看门狗设计;以及内外时钟切换与时钟故障监测。

这里更多可以谈的实际上是高性能和低功耗,即便在很多厂商那里它更像是个口号。


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KF32A系列产品性能图


2.在全系KF32产品中,“高性能”主要表现在最高主频120MHz,以及150DMIPS(除了KF32LS超低功耗系列主频为48MHz,KF32A/F/L三个系列性能最高的产品均为120MHz主频)。与Arm生态相较,120MHz主频更像是偏向Cortex-M4架构定位(M3多见72MHz、48MHz主频),典型如瑞萨RA系列、恩智浦S32K系列。换算最高频率下,KF32系列MCU的整数计算能力效率约在1.25DMIPS/MHz,这个数字也与Cortex-M4架构预设的效能数字相当,与国外主流MCU产品处在同一水平线。

以KF32L530这款主要面向智能门锁应用的MCU为例,较高的频率是支持部分指纹识别算法的基础。在芯旺眼中,以更为自研架构的方式推出产品,在频率设定上会更加具有自主性——KungFu32也是推高频率与性能的基本保证。

“明年我们预备量产的产品,会在KungFu架构的基础上再加一颗DSP核,这样一来就会比传统的Cortex-M4芯片性能强很多,主频可以跑到200MHz以上,在变频、伺服控制这个领域会有更大的优势。”这可能是个更值得期待的产品。


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KF32L/LS系列产品性能图


3.除了高性能,另一方面就是“低功耗”。这一点在KF32L/LS两个系列中可发现线索:动态功耗60μA/MHz,Shutdown功耗0.2μA,Shutdown+RTC(实时时钟,主体包括时钟日历功能)功耗0.5μA。

这三个数字在低功耗MCU领域大致是什么量级呢?国内另有厂商在推的针对智能电表、IoT相关仪表、智能家居的低功耗MCU,睡眠模式下(不带LCD显示)工作电流3.5μA,RTC备份模式(RTC走时+备份寄存器保持)0.9μA,其典型运行功耗在150μA/MHz。这类低功耗产品在国内还是比较常见的,与芯旺的KF32L/LS系列MCU在“低功耗”表现量级上还是有差距的。

与国外在超低功耗领域做到相对顶级的产品(典型如Silicon Labs的EFM32 Tiny Gecko 11,37μA/MHz,RTCC&RAM保持的睡眠电流1.3μA)相较,KF32L/LS的功耗数值或略有不及,但在国内已经相当出众。而且KF32L仍有530这种达到120MHz主频、兼顾了高性能与高可靠性的产品,而不只是低功耗。


KF32A资源表.png


KF32A系列MCU特性汇总,不同系列的配置略有差异


除了上述三个特性之外,还有一些特性是值得一提的。例如在KF32系列MCU产品中,标配2个CFGL(可编程逻辑门电路,小型FPGA),可与任何外设资源互通,实现比软件层更快的操作;更多外设,除了包括SPI、I2C等常规功能外设,针对某些系列产品会有另外一些特殊外设,包括低功耗UART、低功耗CAN、低功耗Touch等。

实际在涉及到自研架构的问题时,KF32系列MCU的开发生态是开发者真正关心的问题。这是芯旺内部目前正在努力完善的组成部分,IDE、调试器、C编译器等已经相对完整,芯旺的工程师补充说:“我们正努力降低开发者的学习成本,包括函数库我们也已经完全写好了。我们现在的工作主要是对开发生态的进一步完善,包括基于库的样例程序、应用笔记,系统移植是我们接下来的工作。”


汽车+工业=MCU应用半壁江山


早前我们观察IC Insights截至2019年8月份的统计数据,2019年上半年MCU市场实则有受到汽车行业销售额的整体下滑,以及中美贸易摩擦不确定性的影响,MCU整体市场发生小幅滑坡。不过到2019年年中再度呈现出趋稳态势;2020年则逐步回暖,明年预计全年销售额同比增长3.2%,达到171亿美元,MCU出货量增长超7%达到289亿片。更新后的预测为,2018-2023年,MCU行业市场价值复合年增长率为3.9%,出货量复合年增长率6.3%。


MCU市场份额.png


芯旺微电子丁丁在展会演讲中也援引了另外一份数据,虽然基数略有差异,但整体趋势基本类似。他特别提到,汽车电子与工控/医疗联合拿下MCU市场价值的大约58%。这是个巨大的市场,尤其在智能网联车、工业4.0尚未全面铺开的时局下。

这也是芯旺32位MCU主体着力于汽车、工业领域(和IoT)的原因。且针对两者的市场开发,是8位MCU就已经在不断努力的方向。就我们所知,虽然无法透露芯旺具体的客户信息,但其车规级MCU产品的确已经拿下了大牌整车厂的订单,预计明年正式量产时会有进一步的消息。32位车规级MCU也正在步入销售的良性轨道。这对提振自主研发指令集与微架构IP的信心而言,都是极具价值的,无论对芯旺自身,还是中国集成电路行业的发展。



来源:电子工程专辑


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