Arm：引領(lǐng)AIoT與車(chē)用MCU的未來(lái)

在32位MCU市場(chǎng)競爭中，基于Arm內核的MCU逐漸成為主流，目前大部分MCU 廠(chǎng)商的新產(chǎn)品均以Arm內核為基礎，那么站在內核提供商角度，Arm怎么看待未來(lái)MCU的技術(shù)發(fā)展趨勢呢，我們特別采訪(fǎng)了兩位Arm專(zhuān)家來(lái)暢談Arm在通用MCU和汽車(chē)MCU領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展動(dòng)向。生態(tài)是Arm核MCU越來(lái)越流行的重要因素，關(guān)于未來(lái)如何構建更具張力的MCU生態(tài)系統，Arm物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展副總裁馬健表示，隨著(zhù) Arm核在 32位MCU市場(chǎng)的占有率不斷增加，Arm在 MCU生態(tài)系統建設方面的重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

平臺的互操作性和標準化：自15年多前初步建立以來(lái)，CMSIS（通用微控制器軟件接口標準）已發(fā)展成為一套API、軟件組件、工具和工作流程。CMSIS 幫助所有使用Arm Cortex-M嵌入式開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)化軟件復用，加速項目構建和調試，從而縮短新應用程序上市的時(shí)間。

CMSIS支持超過(guò)45家芯片伙伴的10,000種獨特設備，超過(guò) 80家CMSIS-Pack供應商的 1,100種不同包，以及500種開(kāi)發(fā)板。而日前新發(fā)布的CMSIS v6版本更是增強了編譯器、軟件包和文檔的支持。

開(kāi)發(fā)者資源和支持：Arm提供了豐富的開(kāi)發(fā)資源，包括詳細的文檔、學(xué)習指南和教程，幫助新用戶(hù)快速上手。通過(guò)Arm的開(kāi)發(fā)者網(wǎng)站，用戶(hù)可以輕松訪(fǎng)問(wèn)這些資源。

合作伙伴生態(tài)：Arm與廣泛的硬件供應商、軟件供應商、系統集成商和教育機構合作，建立了一個(gè)強大的生態(tài)系統。這確保了Arm MCU的用戶(hù)可以獲得廣泛的資源支持和服務(wù)。

開(kāi)發(fā)和調試工具：Arm提供了包括Keil MDK和Arm Development Studio在內的一系列工具，通過(guò)代碼開(kāi)發(fā)、性能優(yōu)化和故障調試等功能，降低了開(kāi)發(fā)的復雜性。

社區支持和協(xié)作：Arm鼓勵開(kāi)發(fā)者之間的交流和協(xié)作，支持如Arm Community和論壇這樣的平臺，使開(kāi)發(fā)者可以分享知識、經(jīng)驗和最佳實(shí)踐。

易用性和可訪(fǎng)問(wèn)性：Arm通過(guò)提供易于使用的 IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）和 SDK （軟件開(kāi)發(fā)工具包），以及與Arduino和樹(shù)莓派等流行的教育和制作平臺的兼容性，進(jìn)一步降低了入門(mén)難度。

技術(shù)前沿的投資：Arm不斷投資于研究和開(kāi)發(fā)，以確保其MCU產(chǎn)品能夠支持最新的技術(shù)，包括 AI、機器學(xué)習、數字信號處理以及安全。

物聯(lián)網(wǎng)是MCU重要的應用場(chǎng)景之一，馬健介紹，隨著(zhù)人工智能的快速發(fā)展、云原生DevOps開(kāi)發(fā)方式在數據中心之外的迅速擴展、以及越來(lái)越多大規模的設備和計算的部署，這說(shuō)明了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來(lái)到了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)——支持和管理潛在巨大規模的物聯(lián)網(wǎng)部署所需的必要技術(shù)已經(jīng)達到了成熟的臨界點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)規模的擴大和加速正在發(fā)生，它將驅動(dòng)一個(gè)全新的經(jīng)濟。而Arm廣大且深厚的生態(tài)系統正在支持這項發(fā)展。Arm的生態(tài)系統為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)體驗一致和無(wú)縫開(kāi)發(fā)的基石——標準化，讓他們得以把時(shí)間花在創(chuàng )新上，而不是整合或解決不兼容的問(wèn)題。而標準化必須涵蓋物聯(lián)網(wǎng)功能的基本要素，其中“安全”便是重中之重。

Arm從技術(shù)架構、行業(yè)認證標準、軟件生態(tài)賦能等方面，攜手生態(tài)伙伴為 MCU 生態(tài)帶來(lái)更加一致的安全性。在認證標準方面，Arm持續推動(dòng)安全性最佳實(shí)踐的共同標準，如PSA Certified 與PARSEC 等。由 Arm 等公司牽頭構建的PSA Certified 是一個(gè)全球項目，并積極地將安全最佳實(shí)踐大規模地應用于設備。得益于安全框架和認證計劃，PSA Certified為原本非常分散的市場(chǎng)帶來(lái)了針對物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案的整合。PSA Certified對安全的信任根 (RoT) 的含義進(jìn)行了標準化，目前已有近200個(gè)產(chǎn)品均采用了獲取認證，為全球物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)化了建立在 RoT 基礎上的物聯(lián)網(wǎng)安全開(kāi)發(fā)。

在 IP實(shí)踐方面，Arm TrustZone在Cortex-M上的采用，可以保護敏感程序代碼和數據在CPU中的硬件強制隔離。作為建立PSA-RoT的起點(diǎn)之一，它可在同一芯片內提供安全（可信）和非安全（不可信）區域。

TrustZone在2016年被添加到Cortex-M系列中，成為在簡(jiǎn)單、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端以及更復雜的設備中實(shí)現隔離的可行選擇。Arm Cortex-M85與Cortex-M52均搭載 TrustZone技術(shù)，增強安全性。此外，它還包括了指針認證和分支目標識別 (Pointer Authentication and Branch Target Identification, PACBTI)，這一全新架構功能具備增強的軟件攻擊威脅緩解能力，有助于實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)部署的安全基線(xiàn)PSA Certified Level 2。

在軟件賦能方面，Arm在提供卓越的硬件安全功能的同時(shí)，也為一些關(guān)鍵的開(kāi)源軟件項目做出了貢獻，為安全工具和軟件提供原生支持，例如Arm的功能安全運行時(shí)系統 (FuSa RTS)、軟件測試庫和Arm嵌入式編譯器，從而確保軟件開(kāi)發(fā)者能夠輕松且一致地訪(fǎng)問(wèn)和集成PSA Certified規定的關(guān)鍵基礎安全功能，這些功能也充分利用了TrustZone等類(lèi)似功能。

特別是隨著(zhù)整個(gè)應用對算力需求的不斷提升，MCU內核在各個(gè)技術(shù)方向都面臨越來(lái)越高的需求。馬健表示，對比早期基于A(yíng)rmv6/7-M架構的Cortex-M內核，Cortex-M23/ M33/ M55/ M52/ M85這一系列基于A(yíng)rmv8-M架構的嵌入式處理器內核帶來(lái)了以下主要優(yōu)勢和架構上的提升。新一代的Armv8-M架構，提供了改進(jìn)的執行效率和更好的異常處理，對于提高系統響應速度和可靠性至關(guān)重要?；贏(yíng)rmv8-M架構的新內核提供了Arm TrustZone技術(shù)，這允許設備在物理硬件級別上隔離安全和非安全代碼和數據。這對于需要嚴格安全措施的應用至關(guān)重要，如物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設備。新一代Arm Cortex-M內核的設計更加模塊化，能夠適應更廣泛的應用需求，并允許更靈活的配置，以適應不同的性能和功耗要求。這些新內核通常集成了更多的功能，如更好的定時(shí)器、串行通信接口和更高級的調試功能，這簡(jiǎn)化了系統設計，并可能降低整體系統成本。這些架構與內核微架構與設計上的提升對于MCU生態(tài)系統的影響主要包括：增強的安全性能、邊緣計算的大力推動(dòng)、更廣泛的應用范圍，以及更敏捷快速的芯片及軟硬件開(kāi)發(fā)。通過(guò)這些提升，Arm新一代內核正在推動(dòng)MCU市場(chǎng)朝著(zhù)更強的智能、更高的性能、更低的功耗和更可靠的安全性方向發(fā)展。

AI應用越來(lái)越普及，邊緣側AI 的應用成為未來(lái)高端MCU研發(fā)必須具備的能力。馬健介紹，Arm擁有種類(lèi)豐富的邊緣 AI產(chǎn)品組合。Cortex-M52、Cortex-M55和Cortex-M85內核不僅提升了標量計算的性能，更是加入了Arm Helium技術(shù)。Helium 是一種專(zhuān)為機器學(xué)習和數字信號處理優(yōu)化的M-系列向量處理擴展，可提高M(jìn)CU對AI/ML負載的處理效率，同時(shí)降低了能耗, 這使得它們可以支持更智能的應用和服務(wù)，從而滿(mǎn)足AI時(shí)代人們對物聯(lián)網(wǎng)日漸增長(cháng)的需求。這些產(chǎn)品在與可增加150條新標量和矢量指令的 Arm Helium搭配使用時(shí)，其AI性能將得到大幅提升，并可為低功耗嵌入式設備的數字信號處理(DSP)和機器學(xué)習(ML)應用帶來(lái)顯著(zhù)的性能提升。

在A(yíng)I的科技熱潮下，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也迎來(lái)“萬(wàn)物皆智能”的需求，真正落實(shí) AIoT 的場(chǎng)景。在這個(gè)背景下，市場(chǎng)期望能以最低的成本將機器學(xué)習功能部署到更小、對成本更敏感且通常由電池供電的嵌入式設備中，而作為驅動(dòng)此類(lèi)設備的MCU便被賦予實(shí)現AI的能力。由于未來(lái)的MCU呈現出明顯的范連接與智能等趨勢，安全也就變的愈發(fā)重要。 Arm在以下方面持續投資，增強各種應用對AI MCU的需求。

Arm憑借搭配Arm Helium技術(shù)的Cortex-M55、Cortex-M85以及新推出的Cortex-M52，顯著(zhù)增強了嵌入式CPU處理器對數字信號處理（DSP）和機器學(xué)習（ML）的支持。這些處理器專(zhuān)為低成本和能效而設計，適用于運行簡(jiǎn)單的機器學(xué)習模型。Arm為這些MCU提供了專(zhuān)門(mén)的軟件庫，如CMSIS-NN（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )庫），這是一套為Arm Cortex-M系列處理器優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )函數集合，專(zhuān)門(mén)用于加速機器學(xué)習應用。

Arm推出了專(zhuān)為機器學(xué)習推理而設計的微型NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理單元），如Ethos-U55和Ethos-U65，這些專(zhuān)用的NPU能夠為Cortex-M和Cortex-A系列處理器提供進(jìn)一步的AI加速。

安全性和隱私：安全性是Arm重點(diǎn)關(guān)注的功能之一，特別是在處理敏感的AI數據時(shí)。Arm TrustZone技術(shù)為AI應用提供了一個(gè)安全的執行環(huán)境，確保數據和模型的保護。

這些Arm軟硬件產(chǎn)品與技術(shù)為合作伙伴提供所需的安全高效的AI計算性能，從而滿(mǎn)足AI時(shí)代人們對物聯(lián)網(wǎng)日漸增長(cháng)的需求。

除了AI應用之外，汽車(chē)電子是MCU另一個(gè)重要的應用市場(chǎng)，Arm汽車(chē)事業(yè)部亞太區高級市場(chǎng)總監鄧志偉介紹，面對汽車(chē)市場(chǎng)的需求，Arm提供了一系列創(chuàng )新舉措和技術(shù)，以滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)日益增長(cháng)的需求。首先，隨著(zhù)汽車(chē)電氣/ 電子架構的轉變，包括ECU的合并和區域控制器的出現，以及對安全性、功能安全和實(shí)時(shí)性的需求增加，Arm提早布局針對性地推出了一系列解決方案。

Arm的汽車(chē)微控制器（MCU）解決方案涵蓋了從低功耗到高性能的完整產(chǎn)品組合，以應對不同應用場(chǎng)景的需求。這些MCU基于最新的CPU架構， 如Armv8-M、Armv8.1-M 和Armv8-R，具有更高的性能和更低的功耗，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)系統對實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性的苛刻要求。這些產(chǎn)品的推出，有力地支持了汽車(chē)電氣/ 電子架構的演進(jìn)和汽車(chē)行業(yè)的數字化轉型。

同時(shí)，Arm在技術(shù)創(chuàng )新方面也取得了重要進(jìn)展。例如，通過(guò)Helium矢量擴展技術(shù)，Arm為Cortex-M85系列MCU帶來(lái)了機器學(xué)習能力，使MCU 能夠更好地處理復雜的數據和決策，并且在實(shí)時(shí)和安全的條件下運行。這項創(chuàng )新為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了更多的可能性，使得汽車(chē)系統能夠更智能化、更高效地運行。

Arm還在汽車(chē)電氣/ 電子架構的演進(jìn)方面提供支持。其中，Cortex-R52+處理器是Arm在汽車(chē)領(lǐng)域的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，具有高度可靠的性能和實(shí)時(shí)特性。它配備了Arm的虛擬化技術(shù)，使得不同的應用程序可以在同一硬件平臺上運行。這項技術(shù)的引入，使得汽車(chē)系統更加靈活且可管理。通過(guò)虛擬化，車(chē)廠(chǎng)可以將多個(gè)ECU合并為一個(gè)，或者將多個(gè)區域控制器集成到同一硬件平臺上，以降低系統的復雜性，從而提高系統的效率和可移植性。Cortex-R52+處理器還支持多核技術(shù)，可以同時(shí)運行多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，并提供硬件支持來(lái)保證任務(wù)的安全性和可靠性。這使得汽車(chē)系統能夠更好地應對復雜的實(shí)時(shí)需求，如ADAS（高級駕駛輔助系統）和自動(dòng)駕駛技術(shù)中的功能安全島。

在安全性方面，Arm一直致力于為汽車(chē)行業(yè)提供全面的安全解決方案。通過(guò)PSA Certified認證和ISO21434標準，Arm為汽車(chē)系統提供了全面的安全保護，確保汽車(chē)系統免受安全威脅。此外，Arm還提供了功能安全支持，符合ISO26262標準，確保汽車(chē)系統在發(fā)生故障時(shí)仍能夠安全運行。這些安全解決方案的推出，為車(chē)廠(chǎng)提供了可靠的安全保障，幫助他們應對不斷增長(cháng)的安全挑戰。

最后，Arm還開(kāi)發(fā)了專(zhuān)為汽車(chē)行業(yè)定制的MCU混合原型板，為ECU和區域控制器的快速原型開(kāi)發(fā)帶來(lái)更高的便利性。這些原型板具有高度靈活性和可擴展性，使開(kāi)發(fā)人員能夠更好地分析工作負載并開(kāi)發(fā)應用程序。

與此同時(shí)，這些原型板還帶有預建的AUTOSAR，也能夠藉由軟件遷移指南輕松適應處理器架構的變化，并受到完善的軟件生態(tài)系統支持，加速了汽車(chē)市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期與大幅降低物料成本。

綜上所述，Arm通過(guò)持續的技術(shù)創(chuàng )新和解決方案的推出，為汽車(chē)行業(yè)提供了全面的MCU解決方案，滿(mǎn)足了市場(chǎng)的不斷變化和增長(cháng)的需求。Arm將繼續與客戶(hù)合作，推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的創(chuàng )新發(fā)展，共同應對未來(lái)的挑戰和機遇。

（本文來(lái)源于《EEPW》2023.03）