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国产RISC-V MCU,对标国际大厂Arm MCU竟然不输?

2022年下半年,随着个人电脑和智能手机需求陷入低谷,此前新冠疫情带来消费电子热潮的激流勇退,全球半导体产业迎来了又一个下行周期。芯片厂商库存积压的情况越来越严重,存储芯片、MCU等最常用的器件类型一改过去两年的状态,纷纷降价求售。

受影响最大的芯片产品类型之一,无疑是消费类MCU。重重压力之下,曾经涨价几十倍的MCU,报价雪崩式下跌。

不过,并不是所有MCU的价格都在雪崩。相比消费市场需求疲软,以汽车和工控为代表的高端应用场景需求在2022年持续提升,尤其是在汽车电气化、智能化及互联化的显著发展趋势下,车用MCU产品景气度依旧较高。

全球MCU下游应用来看,汽车占39%,工控占27%,消费占18%。而国产MCU的下游应用中,消费位居名列前茅,占比达到27%,其次才是汽车和工控。尤其是车规MCU市场的国产化率仅在2%左右,差距很大,想象空间也很大。

当前,已经有很多原先做消费电子市场起家的国产MCU厂商开始向汽车和工业等蓝海和增量市场转型。然而对可靠性的极度要求,使得MCU车规认证标准严苛、条目繁多、流程漫长,加上芯片设计、装车测试等环节,企业需要在无业绩的情况下投入短则三年长则五年,这些高企的门槛令大部分观望者望而却步。

不过一家成立于2020年的国产MCU厂商——先楫半导体,在2022年9月就宣布其高性能MCU 产品 HPM6700/6400 系列芯片完成 AEC-Q100 Grade 1车规级可靠性认证,拿到了进入汽车芯片市场的通行证。同年5月他们还推出了HPM6300系列,两年推出三个系列新品,速度之快让人不禁对这家公司产生了浓厚的兴趣。

2月17日,先楫半导体又发布了全新HPM6200系列MCU,《电子工程专辑》在发布会之际采访了先楫半导体CEO 曾劲涛先生以及执行副总裁陈丹(Danny Chen)女士,了解了这家“异军突起”国产MCU厂家在技术上的优势、目标市场以及生态发展的策略。

据曾劲涛介绍,此前已量产的HPM6700/6400/6300系列上市以来,得到了市场和客户的高度认可。而HPM6200并不是前三个系列的简化版,而是针对新能源、储能、高性能控制等应用,从IP设计、架构到软件均经过优化,直接挑战市场上具有统治地位竞品的一款新品。

半导体CEO 曾劲涛

国外MCU大厂在新能源、储能等领域经过多年的积累,在软硬件领域都筑起了很高的壁垒。国产MCU要拿下这个市场必须深度理解应用,从芯片性能到整体方案,全面替代国外产品,才有可能真正解决卡脖子的问题。

“我们推出6200系列的目的之一,是希望能在这些真正卡脖子的应用上有所突破,实现替换一些国外公司的产品。”他说到,“因此我们将它定位‘为精准控制而生’,并期待早日与各领域客户和合作伙伴一起开发迭代出更适合中国应用的方案。”

据介绍,全新的HPM6200系列共有12产品型号,包括单核和双核产品,提供144 LQFP 及 117 BGA两种封装 (与先楫已量产的HPM6300 系列管脚完全兼容),有内置闪存(4MB)和无内置闪存选项。HPM6200 全线产品通过AEC-Q100 认证,工作温度范围在-40-125C。更多的产品信息如下:

● RISC-V 双核支持双精度浮点运算及强大的 DSP 扩展,主频达到600 MHz,性能达到6780 CoreMark和3420 DMIPS,可在1us内完成基于矢量控制的电流控制环路运算。

● 32KB 高速缓存 (I/D Cache) 和双核共高达 512KB的零等待指令和数据本地存储器 (ILM / DLM),加上256KB 通用 SRAM,极大避免了低速外部存储器引发的性能损失。

● 4 组8通道增强型 PWM 控制器,其中 2 组高分辨率PWM调制精度高达100ps,提升了系统控制精度,并可实现单芯片控制多轴电机或者单芯片实现复杂拓扑的数字电源。

● 2 个可编程逻辑阵列 PLA,灵活实现组合逻辑和时序逻辑器件互联,在芯片内实现用户独有的功能电路设计。

● 3 个 2MSPS 16 位高精度 ADC,配置为 12 位精度时转换率可达 4MSPS,多达 24 个模拟输入通道; 4 个模拟比较器和 2 个 1MSPS 12 位 DAC。

● Σ∆数字滤波 SDM,包含 SINC 数字滤波器,可外接4路Σ∆调制器,实现带隔离的高精度电流和电压信号采集。

● 多种通讯接口: 1 个内置 PHY 的高速 USB,多达 4路 CAN-FD, 4 路 LIN 及丰富的 UART、 SPI、I2C 等。

曾劲涛还透露,先楫半导体目前还在走国际标准ISO 9000的认证流程,启动了ISO 26262认证,开始进军车规市场。预计Q2会推出带ISO 26262车规功能安全(ASIL-B/D)的汽车MCU产品

谈到HPM6200与之前几代产品的定位区别,陈丹表示,先楫半导体目前的四大系列MCU面对的特色、目标市场都不一样。

半导体销售副总裁陈丹 (Danny Chen)

HPM6700/6400系列不仅拥有816MHz的高主频,还有LCD驱动、2D图形加速、JPEG解码、音频输入等多媒体外设,具备17个串口、双千兆以太网等通讯外设。4组电机控制模块,能输出32路PWM输出,连接4个编码器,可实现单芯片驱动4个电机。

“所以HPM6700/6400可以实现LCD显示、音频信号处理、数据转发透传、电机控制等功能,是面向物联网、HMI(人机界面)、智能楼宇、智能硬件等市场的。”陈丹说到,“HPM6700/6400一经推出就获得了无人机、数字音频、边缘计算、工业网关等客户的好评,很多客户已经导入设计,有些快的已经实现产品量产,比如工业串口服务器、电力行业的DTU等。”

对标方面,HPM6700/6400的直接竞争对手是国际品牌的高性能MCU,甚至MPU处理器。

HPM6300的主频达到648MHz, 并具有FFA协处理器,能实现FFT/FIR快速计算,具备3个16位的ADC、10/100M以太网等,适合工业自动化、电网等行业应用,如工业自动化领域的伺服驱动器、PLC、工业控制器,电网的DTU、断路器等产品。

陈丹表示,HPM6300也是一款高性价比的产品,“其高实时性、互联性、16位ADC的特性,一经推出就获得了自动化、电网、新能源客户的认可。目前已在行业头部客户中导入产品设计,在FFT、AI推理性能上超越了传统的DSP。”

在工业领域,电机驱动是整个自动化的基础应用,如用于CNC机床、机器人的伺服驱动器,用于新能源汽车的主驱、压缩机驱动等。由于这些行业本身的发展和需求增加,对MCU提出了更高的要求,如高算力、高实时性、16位ADC、Ʃ-Δ滤波、单芯片多轴控制等。

“HPM6200可以说是为工业电机驱动定义的,上述需求都能在HPM6200上得到满足。”陈丹说到,“尤其我们采用单双核可选、300/600MHz主频可选,这样能满足高、中、低市场客户的需求,做到更高的性价比。”

储能市场则是近两年兴起的一个新方向,在消费电子行情走低的趋势下,数字化电网、数字化能源仍然维持着很高的热度。无论是储能、光伏逆变还是车载OBC、数字电源应用对MCU的实时性有很大的要求,不仅需要高主频,还需要强大的模拟能力,如高速高精度ADC、高性能PWM、比较器等。

陈丹表示,储能和数字电源同样是先楫半导体最为聚焦的市场之一,HPM6200 100ps的高分辨率PWM、16bit ADC以及可编程逻辑阵列PLA,可以为新型的电源系统建设带来诸多可能。其中,100ps高精度PWM可以提高电源变换器的效率、功率密度及性价比;可单芯片实现多种电源拓扑和单芯片实现多轴电机控制;16位ADC可提高电流、电压等信号的采样精度;PLA可实现丰富、多逻辑的保护,并能独立于CPU运行,大大提高了产品的稳定性。

目前针对上述领域的高端MCU芯片一直被国外品牌所垄断,如国际品牌T公司的C2000、国际品牌S公司的G4系列、国际品牌M公司 的dsPIC33系列等。而且这类MCU既涉及到传统的电机电源等工控应用,也涉及到新兴的机器人、新能源及汽车等应用,对中国的工业和经济发展有着实实在在的“卡脖子”威胁。

所以从公司各系列产品的特点和目标市场布局,曾劲涛认为,先楫不是在做减法,而是根据对行业的理解、市场的定位进行了产品的差异化。而能做到这一点的前提是强大的设计能力和市场能力。

作为全球名列前茅家利用常规的40纳米工艺将MCU主频做到1GHz的厂家,先楫此前在HPM64G0上刷新了自己保持的通用MCU性能纪录,让产品实现了兼具MPU的高算力及MCU的高实时性。而同期能做到1GHz的竞品都采用28纳米以下工艺,先楫在全球范围内高性能MCU的研发实力上可见一斑。

曾劲涛还列举了对标友商产品时,先楫半导体的优势:

谈到在芯片在内部配置了各种缓存和大内存的原因,曾劲涛认为这是高性能MCU设计的趋势,目前ST、NXP和TI等公司都在这样做。这样设计的好处是可以打破“内存墙”的限制,还能让客户根据实际应用,将实时性要求高的代码复制进内部SRAM或者ILM中运行,访问速度较高可以达到800MHz。这样的设计还可以让客户自由选择外置Flash的容量、品牌等,提高设计的扩展性和兼容性,并可达到更高性价比的目的。

据介绍,先楫半导体HPM6200系列对标的国际品牌T公司 的C2000、M公司 dsPIC33以及NXP的一款产品。这三家的做法是在MCU上加一个DSP,属于混合型的市场,其中C2000占据了该市场90%以上的份额,市场壁垒较高。敢于叫板垄断市场的巨头,也体现了先楫在设计能力上的自信。

尤其针对竞品的DSP功能来说,先楫MCU内核采用的是RISC-V,其中包括了DSP的一些指令集。虽然Arm M7内核拥有很强的DSP,但从先楫半导体目前采用的DSP参数上看,比M7甚至还要强50%。

“我们(内核)本身就带了一个很强的DSP,还做了一些加速。”曾劲涛说到,“国产替代不是一蹴而就的,HPM6200只是开始,未来需要推出更多的系列和芯片型号,用上几年才能实现全面替代。当然我们现在的目标是先替代一两款最流行的芯片。”

无论是Arm MCU还是RISC-V MCU,都需要有一个完整的生态, 以便于开发者设计产品。对于高性能比较复杂的MCU,生态更加重要。曾劲涛表示,“从公司成立伊始,我们就意识到现在的MCU竞争其实是生态的竞争,所以我们将自我生态建设放在很高的优先级。”

据介绍,HPM6200 沿用并扩展了先楫半导体已有的生态系统,包括全免费的商用集成开发环境Segger Embedded Studio,以及基于BSD许可证的SDK。其中包含了底层驱动、中间件和RTOS。例如主流开源项目lwIP、TinyUSB、CherryUSB、 FreeRTOS、tensorflow lite for MCU以及完全自主研发的高性能电机控制库等。以上所有官方软件产品都将开源。

在操作系统方面,先楫半导体适配了FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr、Open Harmony等流行的系统,方便工程师二次开发。

他表示,先楫半导体是名列前茅家买断SEGGER商用IDE的厂商,在软件开发上,走的是正规可靠这条路,从IDE到SDK全部都是正版的软件,“用户不用像以前那样,四处寻找开源或盗版软件,就能实现一站式开发。”

硬件方面,HPM6200 提供一款性价比极高的EVK,带板载调试接口,用户可直接调试。支持ART-PI接口及先楫电机通用接口,以方便扩展应用和移植方案,零售价 298 人民币。

HPM6200 开发板(图自:先楫半导体)

除了自己的开发板外,先楫半导体还与市面上主流的开发板公司立功科技、野火等展开合作,推出基于先楫芯片的开发板。

“我可以很自信地说,先楫半导体现在打造出来的生态,从软件、系统硬件开发系统,到支持软件和应用,是国内MCU生态中,尤其在RISC-V MCU中是较全面的公司之一。”曾劲涛说到,HPM6200延续了HPM6700/6400/6300的生态,体现了先楫MCU生态的扩展性和延续性。

目前HPM6200系列产品现已开放接受订单,样片和开发板即刻开始供货。

文章来自:https://www.eet-china.com/