阿里平头哥开源MCU设计平台 芯片设计该如何寻求客制化与标准化的平衡

随着IOT/AIOT快速扩张版图，MCU（微控制芯片）逐渐成为市场最紧俏的芯片之一。长期以来，Arm凭借Cortex-M架构和IP授权模式，在MCU市场占据主导地位。为了应对AIOT市场对于多样化、差异化MCU的需求，Arm推出了客制化指令功能，允许合作伙伴在针对特定嵌入式与IoT应用加入自己的指令。然而，阿里巴巴旗下半导体公司平头哥于近期推出的MCU平台“无剑100 Open”，向人们展示了MCU设计的另一种方式——开源。一时间，关于开源模式与授权模式、客制化与通用化的探讨又变得热闹起来。在AIOT时代，在标准、全面框架下保留一定客制空间的Arm，与all in 开源的平头哥，谁是MCU的正解？

拥抱开源的平头哥

对于开源，阿里巴巴已经布局良久。2017年，阿里巴巴开源轻量级物联网嵌入式操作系统AliOS Things，将系统能力开放给OEM和硬件厂商，继而与高通、联发科等23家厂商达成合作，推出内嵌AliOS Things的芯片模组产品。2018年，阿里巴巴更进一步，收购自主嵌入式CPU IP Core公司中天微，随后发布了基于RISC-V的第三代C-SKY指令架构，以及首个32位低功耗CK902处理器。

在中天微与阿里巴巴达摩院芯片团队的基础上，阿里巴巴成立了平头哥半导体，意在打造“AIoT时代的基础设施提供者”和“普惠性芯片”战略的重要载体。

目前，平头哥在AIOT基础设施的布局分为三个层次：玄铁处理器、无剑芯片平台、Alios与基础软件。处理器IP核玄铁910，基于RISC-V架构开发，支持16核，单核性能达到7.1 Coremark/MHz.众所周知，RISC-V指令集发展方式以开源为主，预留了大量编码空间，开发者可以在基本指令集上进一步建构符合市场所需的指令集。玄铁910采用RISC-V架构，也反映出阿里巴巴着眼开源、普惠的造芯路线。

而近日发布的“无剑100”MCU平台拥抱开源，是对无剑芯片平台的补充和引申。据平头哥副总裁孟建熠介绍，无剑芯片平台致力于将整个芯片的研发周期缩短50%，将开发成本降低50%，RISC-V是开源芯片的基础，但仅有RISC-V是不够的，因此平头哥推出了开源的MCU平台。无剑100 Open包含玄铁处理器、基础接口、开发环境、OS相关等，面向芯片的开发者、RISC-V基础软件生态和高校。目前无剑100 Open的基础硬件和配套软件代码已经上传到GitHub社区。孟建熠表示，后续平头哥会逐步将性能更高、面向AI的平台开放出来，将更加优质的IP整合到开源平台。

更加灵活的Arm

面对RISC-V的发展和AIOT时代对芯片架构的多元化需求，Arm也没有闲着。本月召开的Arm TechCon 2019大会中，Arm首席执行官Simon Segars宣布推出Arm嵌入式CPU的客制化指令，让SoC设计人员在没有软件碎片化风险下，针对特定嵌入式与IoT应用加入自己的指令。2020年上半年，Arm客制化指令将在Arm Cortex-M33 CPU上实施，并且不会对新的或既有授权厂商收取额外费用。

显然，对于RISC-V等竞争指令集，Arm的应对策略是在标准化、全面化框架下，留出一部分允许用户引入客制化指令的空间，增加架构本身的灵活性。

在10月23日举办的Arm年度技术研讨会上，Arm市场营销副总裁Lan Smythe向《中国电子报》等媒体表示，Arm注意到其他竞争指令集的存在，Arm的优势在于提供最全面的产品，在标准化的前提下允许开发人员做一定程度的定制，相信这能满足客户的信息化需求。对于RISC-V能否使用Arm架构，Arm ML事业群商业与营销副总裁Dennis Laudick现场表示，Arm倡导开放的平台，客户可以把NPU放到RISC-V的平台上。但从设计角度，Arm NPU配合Arm的CPU和软件工具，才能更好地满足用户期望。

开源站稳脚跟还需要做好两件事

平头哥开源MCU设计平台，与Arm推出的客制化指令功能，最本质的区别是什么？赛迪顾问集成电路中心高级分析师陈跃楠向《中国电子报》记者表示，Arm一开始只做IP授权，用户在授权的IP架构上做有限的修改或者不能修改。为了适应AIOT等新兴技术的多元化需求，Arm推出了客制化指令功能。相当于授权方规定大部分的标准和框架，购买方在一定空间引入客制化内容，实现芯片功能和性能的差异化。而开源的MCU平台，除了具备引擎、指令、接口、开发环境等，还允许用户更自由地组合、搭建各种模块，甚至引入一些平台上没有的内容，相对Arm而言在连接顺序、搭建方式上有着更高的自由度。

集邦咨询（TrendForce）分析师姚嘉洋也向《中国电子报》记者表示，平头哥的“无剑100 Open“提供了硬件开发套件与硬件描述语言Verilog，目标用户是芯片开发商、IP开发业者与学校单位，Arm的客制化指令集目前只能实现在Cortex-M33上。由于M33本身就具备TrustZone功能，Arm可基于这样的开发环境保护客户的客制化指令心血，同时通过M33实现客制化需求。而平头哥所推出的无剑100平台，类似于对玄铁910处理器的开源，显然是将目标放在MCU市场。

开源意味着灵活、开放、互通、门槛低，但也存在碎片化、标准不统一、生态不完善等待解问题。虽然IOT本身也是一个偏向碎片化的市场，但若开发者通过开源平台做出的MCU芯片接口、工具不统一，会对芯片的普及、外售和市场适配带来困难。对此，姚嘉洋向记者指出，以平头哥近期所推出的策略，加上阿里巴巴的生态系统与Ali OS等现况来看，平头哥会以中国市场为先。若有平头哥与阿里巴巴这类公司出来，以玄铁910与无剑100平台作为开源基础，MCU碎片化的情况或许会有所改善。

根据Arm官方披露的数据，Arm的低功耗处理器设计已应用于超过1500亿颗芯片的智能运算。相比之下，基于RISC-V的开源MCU还有很长的路要走。

陈跃楠认为，RISC-V要真正提升市场份额，要解决两个问题。一是制定通用的标准，为设计难度、功耗等参数提供参照，保证客户加入的专利性、客制化内容能提升芯片的功能，但不会降低芯片的性能;二是找到区别于Arm架构的应用场景。

“目前RISC-V还没有找到区别于Arm架构，能一枝独秀的应用和需求。一旦出现只有RISC-V能做、Arm架构不能做的市场需求，RISC-V的市场份额才能快速提升。”陈跃楠说。

那么，在MCU市场，芯片设计该如何寻求客制化与标准化的平衡？姚嘉洋认为，客制化与标准化在MCU市场都有生存空间，许多公司正在同时压宝Arm与RISC-V指令集。

“客制化带来的，是在某一应用或是某一产品上更好的性价比表现，但开发时间能否少于标准化平台会是一个挑战。目前，RSIC-V阵营正致力于缩短开发时间，同时也可以更灵活地满足系统开发需求。这对于Arm来说，的确是需要特别注意的地方。”姚嘉洋说。
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