自研RISC-V内核，MCU最后的出路？
2024-04-01
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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