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全球MCU、DSP与FPGA最新技术趋势分析

据Semico Reserch资深分析师Tony Massimini介绍,2010年,微逻辑组件(微处理器、微控制器和DSP)的销售额劲升了24.9%。但这是因为相比于2009年的灾难性的衰退所致。在相对稳定的销售环境下,预计2011年有望再成长12%。

    出货量方面,微逻辑组件2010年将增长36.3%,而2009年下降了10.4%。微逻辑营业额由微处理器和计算市场主导,数量上来看,主要来自MCU。2010年,MCU营业额增长了32%左右,数量增长40%左右。增长涵盖所有微控制器部分—8、16和32位。这比一年前所预测的增长更快,这是由于一些领域的复苏和增长,例如汽车方面有新增长,工业控制也在持续增长,虽然2009年工业控制也下降了,但是不像其他市场那么糟糕。

    工业MCU厂商重视连接性和外围的开发。连接性包括USB、RFID、低功耗RF、ZigBee,用于控制和自动化。绿色和节能是最大增长的市场,智能电表和智能电网正受到更多的重视。更多家电的高效电机控制、工厂控制等,需要特殊的低功耗制程。

    16位供应商提供比8位更高的处理速度。很多16位MCU供应商也销售8~32位MCU。2010年8位MCU价格85美分左右;32位MCU 的平均价格是3~23美元,此价格之所以差别很大,是由于封装、性能及内存的配置不同。 MCU厂商正提供更高的存储器密度、更好的外围以减少外部材料、传感器等。

    据iSuppli统计,由原瑞萨科技/NEC电子合并后的瑞萨电子是最大的嵌入式系统公司。TI是第二大嵌入式系统公司,TI主要得益于DSP、MCU和MPU三大业务。

    在中国市场,MCU保持高于全球平均速度增长。尤其本地参与设计正引导着世界范围内新一轮的复苏和增长,同时中国本地设计增长的速度比整个MCU系统快。但“中国本地参与设计比例”变化曲线在2010年到2012年间为何会呈下降趋势?瑞萨电子大中国区MCU产品中心总监邱荣丰分析认为,在整个世界经济中,中国已经占有很大的比重,开始时中国基本上是全球最大的工厂,出口基本上是最大的因素,使中国市场做得很好。但是从2008年到2009年开始,中国基本上是转向国内的需求,高速的发展都是在国内,所以可以看到增长率最大的2010年,中国有一系列活动,如家电下乡、智能电网/ 电表兴起等;但是正常来看,除了中国市场内部消化的要求,也希望国外出口量会慢慢增长;不过按照这个想法,这两年不太可能一下打入美欧日等市场。

    在嵌入式软件行业,由于嵌入式产品在最近几年正在不断渗透到各个行业,小到手机、iPad,大到基站、航天卫星等。而嵌入式软件在其中扮演着越来越重要的角色,已经成为各个厂商区别于其它厂商最重要的砝码。据不完全估计,2011年中国嵌入式软件市场规模将达到4600亿左右。而多核化和平台化将成为新的嵌入式软件发展的新趋势。

    软件和系统架构成芯片厂商的投资重点

    近几年,MCU厂商提供更多、更丰富的工具和软件开发环境,来易于使用、节约时间。未来,系统设计者将有更多的应用选择:功能、价格、低功耗和更多的开发工具。

    尽管MCU集成了更丰富的外围,制程技术在不断演进。但相比之下,硬件的成本不太容易上升。NXP副总裁兼全球微控制器产品线总经理Geo Lees称,该公司不打算在硬件方面再过多地产生成本,其开发重心将更多地转到软件方面。

    飞思卡尔(Freescale)工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛也认为软件在整个开发成本中正在占据更大的比例。曾劲涛以该公司战略为例,称飞思卡尔是最早为客户提供一套完整的软件支持工具的先行者。其软件产品包括免费的8位的Codewarrier工具和为32位MCU服务的实时操作系统MQX,同时还提供了许多其他软件,使客户能够轻松地使用飞思卡尔MCU开始进行设计ADI DSP亚洲区业务经理陆磊称,该公司的软件战略是为客户提供免费的经过优化测试的高性能软件库,可以简化客户的开发和缩短客户产品开发时间。同时,ADI公司为客户提供开源的Linux系统和驱动。

    Silicon Labs公司MCU市场总监Mike Salas分析了为何软件成为MCU厂商关注的方向。他指出,随着微控制器(MCU)在其数字内核基础上的不断发展,通过集成更多复杂的外围设备(例如加密/解密模块、音频/视频编码和解码器,以及需要完整协议栈的无线通讯接口)MCU功能正在逐渐扩展。所有这些片上系统功能的交互平衡也需要同样复杂的固件。开发和测试固件的时间和成本正在成为影响新产品上市的限制因素。为了帮助缩短上市时间,Silicon Labs为其混合信号MCU提供了多种固件。这包括从简单外设(例如ADC)到完整应用级参考设计(例如Wireless M-Bus套件)所需要的一切。因为Silicon Labs MCU产品的许多目标应用需要与计算机或应用处理器进行通信,因此该公司根据需要提供了通信函数库和驱动程序。所有这些代码使得嵌入式设计人员能够专注于产品开发,而不是复杂的MCU或软件协议。

    为了加大软件实力,MCU设计团队中需要一批应用软件人才。上海普芯达电子有限公司总经理赵依军称,普芯达不仅有一支长期致力于应用开发的工程师队伍,还拥有经验丰富的芯片设计团队,这样的组合使普芯达能在芯片设计的一开始就充分考虑应用软件设计的需求,能在芯片设计的整个过程中将硬件功能、性能与软件设计需求紧密地结合。在应用开发过程中,工程师们也能和设计团队密切配合,保证软件有效可靠。

    系统架构师如何定位精准

    为了做好应用,有些芯片厂商的总设计师甚至不是芯片设计出身,而是系统应用出身。TI多核 DSP业务部全球业务经理Ramesh Kumar在介绍该公司的新一代高性能DSP——TMS320C66x时,透露了该公司如何做到对产品进行高精度定位的方法。例如高精度的关键任务应用——无线基站、医疗等。在TI DSP的研发过程中,在软件上投入一定比重。这种考量来自于:由于你要构建一个非常好的多核系统或片上系统(SoC),因此你需要非常好的系统级考虑。在TI的DSP团队里,有相当多人都来自于系统厂商,比如爱立信、诺西,甚至聘请曾在摩托罗拉等通信厂商工作过的资深人才来做TI的CTO(首席技术官)或首席架构师。不是因为他们的芯片设计能力有多强,而是对整个系统架构所需要的关键元素做得非常非常精准。这样TI就可以把网络处理器和传输的协处理器固定在里面。这都归功于从通信系统企业过来的系统专家,把他们的挑战和需要的关键元素,以及以往没有提供过的功能在TI的组织架构里提供出来。尽管这些通信系统人才可能并不会开发出整套软件,但能使TI能更多地开发相应的核心软件,把多核系统、多核DSP系统的架构搭起来,做成一个具有强大竞争力的系统产品。

    在WiMAX应用方面,TI甚至在北美把某家系统厂商整个WiMAX研发团队连锅端,不在于TI要自己开发什么WiMAX产品,关键是要对系统的理解和见解,把传统理解和新需求全都融入到我们多核DSP的开发里。

    医疗领域也是如此,TI有曾在超声或数字X光厂商工作过的人才做TI的系统架构专家,因为TI需要非常专注地理解这些应用领域架构怎么做的,这样就可以开发出相应的内容和核心的IP库,来为客户开发或我们后续优化能提供非常有用的部分。

    可见,MCU和DSP厂商不仅关注芯片架构,而且正在软件和架构系统方面进行,来提高产品的易用性。

    MCU、DSP与FPGA互相渗透,日趋融合

    MCU有8、16、32位之分,也有ARM与非ARM之别;目前部分厂商采用了ARM Cortex-M4核,希望进军DSP领域;DSP老大——TI把自己的C2000 DSP系列划为了MCU业务组;同时,FPGA厂商也试图深入传统的DSP和嵌入式处理器领域;有些MCU厂商称其芯片可替代FPGA、DSP??嵌入式处理器的应用领域之间互相渗透,芯片功能越来越融合,因此界限越来越模糊。那么他们各自的显著特点是什么呢?

    TI半导体事业部MCU业务组现在不仅负责其经典的16位MCU——MSP430,还有两年前收购Luminary的基于ARM Cortex-M3的32位处理器,更把其低端DSP——C2000 DSP系列也划拨进来[4]。那么当向客户推荐方案时,如何协调其产品线关系?TI MCU业务拓展经理吴健鸿称,“向客户介绍产品时,我们一定会推荐最合适的产品。”在Cortex-M3等MCU和C2000里面有一些软件库会共享。这样,如果客户的一些产品用的是C2000,另一些产品可能用到Cortex-M3 MCU,是可以同时采用TI的软件库的。笔者推测,由于TI有强大的DSP功能,因此TI并没有采用具有DSP功能的ARM Cortex-M4的授权,而着力发展ARM Cortex-M3,进军传统32位处理市场;而MSP430系列主攻传统的8位8051市场。

    NXP、Freescale等采用了ARM Cortex-M4的授权。其中NXP也采用了ARM Cortex-M3的授权。如何区分M3和M4?NXP的Geoff以去年底推出的LPC4000系列为例,指出Cortex-M4的特点是DSP处理能力非常强大,因为M4有很多免费DSP库的资源供用户使用。

    另外,Geo还介绍了M4与ARM9核相比的优势:该公司在与电视和机顶盒客户的探讨中,发现对于高性能核而言,它们主要是通过硬件来实现,这就出现了功耗问题,如果MCU一直是高速运行没问题;但在低速时,ARM9的低功耗效果不如M4强。所以在一些高性能应用上,可以把M3、M4用到片上实现高性能MCU方面功能。

    飞思卡尔去年6月宣布与ARM合作,推出了基于ARM Cortex-M4的Kinetis系列。尽管飞思卡尔拥有自己独特而丰富的架构,如S08、ColdFire/ColdFire+、Power架构等,但飞思卡尔认为ARM MCU的最大特

    Altera高端FPGA产品部产品市场高级总监David Greenfield点是上手快,希望Kinetis延伸到那些喜欢用ARM架构的客户上[5]。M4不仅与M3兼容,还具有DSP的功能,为将来DSP应用打下了伏笔。

    MCU与FPGA

    STM(意法半导体) [7]和NXP等MCU公司近期提到其部分基于M3/M4 架构的MCU可以替代FPGA功能;而FPGA企业如Altera、Xilinx和Microsemi(2010年10月Microsemi收购了 FPGA公司Actel)也力图延伸入嵌入式领域。那么,二者的相互关系是什么?NXP的Geoff说,事实上MCU的目标并不是完全替代FPGA,例如当3000门以下比较简单的应用时,MCU可以实现类似于FPGA功能的应用。

    而FPGA公司也承认,逻辑门数要求更高的嵌入式应用是FPGA定位的主战场。

    DSP与FPGA

    笔者最近追踪2010年“全国大学生电子设计竞赛信息安全技术专题邀请赛”时,发现一个有趣的现象,在由TI和Xilinx等赞助的这项大赛中,一等奖中既有采用TI DSP、也有采用Xilinx FPGA实现手背静脉身份认证的作品;整个获奖作品中,网络通信方案中都有两家公司的身影。

    实际上,近几年,FPGA也把部分重点定位在DSP的传统领地,并且28nm等先进制程呼之欲出,DSP的主流制程还是40nm左右。FPGA厂商声称,随着FPGA的成本和功耗的持续降低,FPGA会在DSP固有的应用领域愈发显出优势。

    但TI等DSP公司也在强化其DSP的优势。不久前,TI多核 DSP业务部全球业务经理Ramesh Kumar向我们介绍了去年底推出的基于KeyStone多内核构架的C667x。称通过增加多内核导航器以及协处理器,可最大限度提高片上数据流的吞吐量。现在每个单核可以达到40个GMACs的层加能力,每个内核也可以达到20GLOP运算能力。

    Ramesh称,DSP技术本身有诸多好处,包括很高的处理性能,并且在低功耗方面,考虑到动态电源监测、动态电源管理。因此通过667x系列,TI非常有信心与DSP对手、其他处理器架构或FPGA竞争。例如,FPGA本身是通用型阵列,其所做的所谓浮点是在阵列里嵌入DSP一个小的IP单元,绝对不是能真正自由地处理浮点运算的处理器架构,可能只有18×18的一个乘加(MAC)能力,现在相对一半都不到。因此,TI并不认为FPGA公司所宣称的浮点工艺非常领先,并且DSP在功耗、成本上拥有优势。例如,市面上与TMS320C667x性能相当的FPGA通常几百美元一块;在功耗方面,TI只要10W左右,而同样性能的FPGA通常要20~40W。

    笔者注意到一个细节,Ramesh多次提到C667x高精度地定位于关键任务应用,包括无线基站、测试、医疗影像、智能电网或高性能处理等。这些领域通常有DSP,也有FPGA的解决方案。“但关键应用往往由DSP组成。”Ramesh称。事实上,在很多领域,出现了DSP+FPGA或嵌入式处理器+FPGA的搭配,在通信基站领域,有TI+Xilinx组合;高性能计算领域,也出现了Intel+Altera搭档等。

    DSP通常归为ASSP(专用标准产品),而FPGA属于PLD(可编程逻辑器件)类。从字面上就可以看出FPGA服务更广阔的领域,DSP相对来说在一些利基(niche)的专用领域拥有无可替代的优势。在一些长尾领域,FPGA和DSP就要认真较量了。