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单片机的困境

微控制器厂商正在打破束缚他们多年的窠臼。新的内存类型和RISC-V会导致下一轮的改变吗?

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不起眼的微控制器正受到来自各个方面的挤压。虽然大多数半导体行业都能够利用摩尔定律,但由于闪存的规模不能超过40nm,单片机市场已经摇摇晃晃。

与此同时,语音激活和更丰富的传感器网络等新功能需要推断引擎以集成某些市场。在其他方面,可靠性,安全性和/或安全性正在增加这些设备所需的复杂程度。结果,MCU供应商正在重新考虑这些设备的样子,消除许多长期假设。

mcu范围大。“嵌入式应用所需的技术在不断发展,整个MCU市场有数千种选择,”英特尔汽车和物联网业务线高级总监托马斯•恩瑟盖克斯(Thomas Ensergueix)表示手臂。“从简单、低成本、深度嵌入式传感器到运行操作系统的高度复杂设备,我们的合作伙伴能够提供从超低功耗、能量收集设备到功能安全的人工智能机器的一切。我们的目标是,以最低的成本、最低的风险和最快的上市时间,将创意转化为硅。”

低端对MCU很重要。“我们的大多数客户仍然存在于8位微控制器上,”知识产权董事总经理法拉德Zarrinfar说门托,西门子的一家企业。“8051/2仍然是非常受欢迎的核心。这些人非常关注低功耗,比如蓝牙低功耗类型的应用。”

另一端,该范围正在扩展。“今天的应用需要灵活的加工解决方案,以便在处理性能,功耗,内存集成,内容和可编程阵列的整合,潜在的半导体技术等方面的最佳权衡,”设计方法技术部门Roland Jancke表示:“弗劳恩霍夫IIS工程自适应系统分部。“CPU和MCU等传统概念之间的现有界限正在软化。例如,NXP将其称为‘可伸缩的处理连续体’,并正在开发所谓的mcu和应用处理器之间的交叉处理器。”


图1:不再那么简单了。Arm最新的MCU,可以与NPU配对,提高480X的性能。

嵌入式flash的道路结束了
Flash拖了mcu的后腿。“闪存在40nm以下的性能表现很好,”麻省理工学院的技术总监巴德·佩德森说Adesto Technologies。“在40nm的波长下,细胞变得非常小,所以它们保持正确值的机会就变小了。当你将40nm的嵌入式闪存与28nm的闪存进行比较时,闪存电池并没有真正缩小。逻辑的其他部分变小了,但flash并没有缩小那么多,这意味着嵌入式flash变得更加昂贵。”

其他人也同意。“目前所使用的浮栅闪光灯还没有准备好超过40nm,所以替代技术显然是未来的发展方向。Ron Lowman,战略营销经理Synopsys对此。“MCU供应商看到了未来一两年的路线图,可能会导致MRAM和ReRAM等替代技术的采用。在此之前,他们希望确保这项技术是可靠的。”

在这方面取得了进展。“我们与生态系统密切合作,以实现快速的原型设计和实施,”ARM的塞尔加尔说。“进度的一个例子是工作三星正在与第一个商用的嵌入式MRAM(EMRAM)编译器为针对三星的28nm FDS过程进行。这是硅化的。“

另一个候选人是电阻式ram。“电阻RAM将来有很大的潜力,”Adesto的Pedersen说。“但是,它不是嵌入式闪光的直接竞争对手。reram与闪光灯有相同的缩小局限性。由于电阻RAM单元基本上是原子串,因此存储器单元本身实际上实际上表现得更好。其余的细胞是浪费的空间。浪费的空间可以贡献噪音,所以你将越多越好,它得到的越好。“

其他内存类型也在考虑之中。"一次性及多次可编程(OTP和MTP)存储器对于安全应用或校准应用来说是很好的,”Synopsys的Lowman补充说。你甚至可以考虑使用它来编写成熟的代码。例如,Dialog将蓝牙堆栈放到了他们的OTP中,而不是使用嵌入式flash。”

去外部
许多MCU供应商正在研究移动内存。“嵌入式闪光灯被外部串行外设接口(SPI)闪烁挤压,”Limman说。“这会影响使用嵌入式闪存的时间,地点以及如何使用的。您可以使用单个数据速率,或者现在您有双重和Quad和八进制连接。这是一些想要大量嵌入式闪光的应用程序的可行选择 - 特别是当您超过1MB时。“

将内存放在单独的芯片中可能会让您认为这会慢。然而,这不一定是这种情况。“JEDEC规范一直到达200MHz,这意味着您从内存到处理器的带宽为400MB / s,”Pedersen说。“考虑两年前推出的NXP的RT1050系列。拥有皮质M7核心和包括厨房水槽的一切,因为它们只有芯片上的SRAM,没有闪存 - 模具是微小的,设备是低成本,低功耗,它可以非常快速运行。“

Pedersen提供了一个性能比较。“如果你从闪存转换到SRAM并在那里执行表单,该设备可以在600MHz下运行,他们可以实现3000 coremark。与NXP使用嵌入式flash的竞争产品相比。没有一个能运行超过400MHz,这意味着大约2000 coremark。如果我们使用运行在600MHz的NXP设备并使用八进制内存接口,我们将得到大约2000 coremark。所以你有一个小的,低成本的微控制器,和一个巨大的低成本的外部存储设备,你有相同的性能作为嵌入式闪存设备。唯一的区别是,双芯片解决方案消耗更少的能源,成本更低,而且你可以拥有更大的内存。”

释放新节点
摆脱节点限制带来了其他可能性。Lowman说:“40nm是他们中许多人的工艺节点选择。“从长远来看,22nm或其他技术显然处于有利地位。关键挑战之一是采用芯片所需的神经处理能力。你如何构建围绕着它的记忆呢?这是神经处理适应他们试图做的事情的最大挑战之一。”

MCU厂商也开始转向更精细的几何图形。彼得森说:“现在出现的设备是在一个不同的节点上。”“NXP 1170是一款1GHz的设备。我们可以假设它在40nm以下。对于MCU供应商来说,选择进入哪个节点取决于成本和性能。你会发现,这个设备的衬垫是有限的,没有必要进一步缩小。皮质M7即使在40nm的波长下也很小。通过进一步缩小,他们必须添加更多的功能,所以他们添加了更多的SRAM和更多的I/O功能,只是为了填充结构。”

节点迁移并非对所有设备都有意义。Pedersen补充说:“更高的节点将继续存在,因为你有10亿个设备,只需要一个小的8位微控制器来打开开关或运行一个小电机。”“它们永远不会进入更深的节点,因为那将是过度杀伤。因此,对于最大的cpu来说,从最深的节点到7nm或5nm的光谱都可以看到,对于某些特定的应用来说,这是合适的工具,甚至可以达到350或500 nm。”

更新的包装技术也可能加入进来。”的概念chiplets也瞄准了这一趋势,”弗劳恩霍夫的詹克说。“它将使微型硅部件以最适合的技术实现,并与其他部件紧密集成在一个封装中。当然,EDA工具需要考虑到这一点,并允许超越单个硅区域的范围进行设计,甚至可以在封装中的interposer上放置多个芯片。”

增加复杂性
如今,对mcu的很多新功能都有需求。“我看了很多设计,我看到越来越多的mcu包含网络访问控制器(NAC),”门拓的扎林法尔说。“这是一种网络解决方案,规定了设备在首次尝试访问网络时如何安全连接。我经常看到散列电路或AES加密块。安全是一个非常广泛的问题,可能涉及指纹识别,或供应链中确保芯片不会卖给错误的人的事情。”

使用外部内存可能会降低设备的安全性。Pedersen说:“解决方案可以在内存接口上添加加密。”“芯片上有一个AES块。加上这一点并不花多少钱。现在,大多数客户甚至懒得使用高速八进制DDR内存,他们只使用标准的四元SPI,因为他们不需要芯片的性能。他们使用它只是因为它是一个低成本的好解决方案。他们可能以较低的速度运行,使用较慢的内存,这就足够了。”

这是许多mcu的标志。Arm的Ensergueix表示:“虽然大多数设备可能都需要一个核心功能——安全、连接、CPU——但许多设备将通过定制加速器和应用专用传感器 和执行器来区分。”“这需要一系列的解决方案,提供一个预先验证的、安全的子系统,我们的合作伙伴可以通过他们自己的差异化IP对其进行扩充。”

其中一个进展迅速的领域涉及到神经处理器。“机器学习(ML)在行业中的影响是巨大的,”Ensergueix补充道。“神经网络算法有望在多种设备上运行,从高性能云服务器到低功耗设备。根据应用的类型,ML算法将运行在CPU、GPU或NPU上,软件框架通过提取设备上可用的不同类型加速器之间的差异,极大地简化了机器学习的部署。”

软件堆栈可以使MCU供应商区分。洛曼解释说:“神经算法可以被压缩和压缩,算法的类型有很多种。“我发现,在标准cnn或rnn之外,越来越多的人开始采用具有更多稀疏性或变换的算法,比如峰值cnn。他们可以利用更小的记忆。工具帮助客户对这些算法进行建模,以便他们能够理解并找到在给定电力预算的情况下工作得最好的架构。这真的是一个令人兴奋的时刻,因为有如此多的活动部件,你真的需要一些创新的工程师来找出最优路径。”

降低成本
mcu总是对成本敏感。扎林法说:“定制设计听起来不错,因为它能让你将算法与可能的最佳解决方案相匹配。”“如果存在数据密集型方面,这些可以映射到数据路径架构,以提供加速。然而,说起来容易做起来难,很多人在这样做的时候会遇到问题。错误是要付出代价的,这就是为什么他们使用可用的mcu。”

总体拥有成本很重要。“几年前,物联网是最热门的话题,所以连接的一切,”洛曼说。“但它真的没有向最终用户提供足够的价值。今天,有许多产品的想法,趋势是提供更多价值。设备需要自己做更多的事情,而不仅仅是提供连接捕获一些数据。它实际上是用数据做点什么。在硬件中提供一些自定义加速度的能力使它们能够确保功耗,处理器可以提供的值与其他人提供的东西相比,处理器提供的良好或竞争力。所以我们确实看到了很多AI加速器,MCU将继续坚持下去。“

处理器迁移
在SoC空间内,RISC-V常常在谈话中弹出。“RISC-V有了好的渗透,特别是对于SOC GUYS,”Pedersen说。“risc-v只是因为它允许更多的自定义而来成为一个更受欢迎的核心,而不是手臂一直允许到现在。我认为,针对特定市场的SoC供应商将采用risc-v比通用微控制器供应商更快。当您拥有从大学出来的下一代工程师时,这可能会发生变化。每个大学都在使用RISC-V作为教学工具,因为有些东西可以更有趣,他们可以修改而不是石头上的块。“

当然,ARM不舒服。“ARM最近添加了CORTEX-M CPU架构的ARM自定义说明,”塞塞加尔斯说。“这进一步使我们的合作伙伴能够迅速区分。”

但这不是一条适合所有人的道路。“开源IP,特别是RISC-V处理器,提供了优势,同时使硬件和软件的创新和差异化,”Tom Anderson说OneSpin在技​​术营销团队。“RISC-V允许添加用户定义的指令,并且其他形式的IP可能会在提供自定义选项时进行操作。然而,risc-v核心的各种来源以及修改它们的能力需要强大的验证过程。用户必须确保核心符合RISC-V规范,任何用户扩展都正常工作,并且不会破坏合规性,并且核心的微架构也完全验证。

最后,它可能取决于工具链的质量。“RISC-V是一个迷人的介绍,”洛曼说。“我们有支持添加自定义指令的ARC处理器,它们都试图复制ARC提供的功能。很多公司正在远离专有处理器,他们看到了RISC-V,然后意识到他们不再有一个处理器团队来支持它。所以这需要一个好的工具链。我们有一个ASIP设计器工具,它有一个支持RISC-V的预配置框架。它吐出自己的编译器和工具链。”

结论
当行业遇到障碍时,它会找到创新的方法来应对这种情况。有时,经过一段时间的过渡,新的方向可能比之前的轨迹要好得多。flash的局限性使单片机市场的许多方面被重新考虑。因此,设备已经以更高的功能和性能,更低的成本和功率进入市场。

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2的评论

Enzo Donzze. 说:

我喜欢读这个故事。只是想补充一点,意法半导体正在为他们的汽车微控制器提议嵌入式PCM。

说:

嗯。因此,RISC-V类似于指令集设计的c++,给了人们足够的自由,但非常灵活,而ARM类似于坚实的C,但有一点约束。有趣的普通的老C语言最近正在软件世界中复兴,验证/调试是这样一个主要的成本这些天,多晶硅价格可能不那么担心。

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