Arm：引領AIoT與車用MCU的未來

在32位MCU市場競爭中，基于Arm內核的MCU逐漸成為主流，目前大部分MCU 廠商的新產品均以Arm內核為基礎，那么站在內核提供商角度，Arm怎么看待未來MCU的技術發(fā)展趨勢呢，我們特別采訪了兩位Arm專家來暢談Arm在通用MCU和汽車MCU領域的未來發(fā)展動向。生態(tài)是Arm核MCU越來越流行的重要因素，關于未來如何構建更具張力的MCU生態(tài)系統(tǒng)，Arm物聯(lián)網事業(yè)部業(yè)務拓展副總裁馬健表示，隨著 Arm核在 32位MCU市場的占有率不斷增加，Arm在 MCU生態(tài)系統(tǒng)建設方面的重點主要集中在以下幾個方面。

平臺的互操作性和標準化：自15年多前初步建立以來，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嵌入式開發(fā)者簡化軟件復用，加速項目構建和調試，從而縮短新應用程序上市的時間。

CMSIS支持超過45家芯片伙伴的10,000種獨特設備，超過 80家CMSIS-Pack供應商的 1,100種不同包，以及500種開發(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。

開發(fā)者資源和支持：Arm提供了豐富的開發(fā)資源，包括詳細的文檔、學習指南和教程，幫助新用戶快速上手。通過Arm的開發(fā)者網站，用戶可以輕松訪問這些資源。

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

開發(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，通過代碼開發(fā)、性能優(yōu)化和故障調試等功能，降低了開發(fā)的復雜性。

社區(qū)支持和協(xié)作：Arm鼓勵開發(fā)者之間的交流和協(xié)作，支持如Arm Community和論壇這樣的平臺，使開發(fā)者可以分享知識、經驗和最佳實踐。

易用性和可訪問性：Arm通過提供易于使用的 IDE（集成開發(fā)環(huán)境）和 SDK （軟件開發(fā)工具包），以及與Arduino和樹莓派等流行的教育和制作平臺的兼容性，進一步降低了入門難度。

技術前沿的投資：Arm不斷投資于研究和開發(fā)，以確保其MCU產品能夠支持最新的技術，包括 AI、機器學習、數(shù)字信號處理以及安全。

物聯(lián)網是MCU重要的應用場景之一，馬健介紹，隨著人工智能的快速發(fā)展、云原生DevOps開發(fā)方式在數(shù)據(jù)中心之外的迅速擴展、以及越來越多大規(guī)模的設備和計算的部署，這說明了物聯(lián)網行業(yè)來到了一個明顯的拐點——支持和管理潛在巨大規(guī)模的物聯(lián)網部署所需的必要技術已經達到了成熟的臨界點。物聯(lián)網規(guī)模的擴大和加速正在發(fā)生，它將驅動一個全新的經濟。而Arm廣大且深厚的生態(tài)系統(tǒng)正在支持這項發(fā)展。Arm的生態(tài)系統(tǒng)為開發(fā)者提供了一個體驗一致和無縫開發(fā)的基石——標準化，讓他們得以把時間花在創(chuàng)新上，而不是整合或解決不兼容的問題。而標準化必須涵蓋物聯(lián)網功能的基本要素，其中“安全”便是重中之重。

Arm從技術架構、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)帶來更加一致的安全性。在認證標準方面，Arm持續(xù)推動安全性最佳實踐的共同標準，如PSA Certified 與PARSEC 等。由 Arm 等公司牽頭構建的PSA Certified 是一個全球項目，并積極地將安全最佳實踐大規(guī)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帶來了針對物聯(lián)網安全解決方案的整合。PSA Certified對安全的信任根 (RoT) 的含義進行了標準化，目前已有近200個產品均采用了獲取認證，為全球物聯(lián)網開發(fā)者簡化了建立在 RoT 基礎上的物聯(lián)網安全開發(fā)。

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

TrustZone在2016年被添加到Cortex-M系列中，成為在簡單、低功耗的物聯(lián)網終端以及更復雜的設備中實現(xiàn)隔離的可行選擇。Arm Cortex-M85與Cortex-M52均搭載 TrustZone技術，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，有助于實現(xiàn)物聯(lián)網部署的安全基線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，也為一些關鍵的開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的功能安全運行時系統(tǒng) (FuSa RTS)、軟件測試庫和Arm嵌入式編譯器，從而確保軟件開發(fā)者能夠輕松且一致地訪問和集成PSA Certified規(guī)定的關鍵基礎安全功能，這些功能也充分利用了TrustZone等類似功能。

特別是隨著整個應用對算力需求的不斷提升，MCU內核在各個技術方向都面臨越來越高的需求。馬健表示，對比早期基于Armv6/7-M架構的Cortex-M內核，Cortex-M23/ M33/ M55/ M52/ M85這一系列基于Armv8-M架構的嵌入式處理器內核帶來了以下主要優(yōu)勢和架構上的提升。新一代的Armv8-M架構，提供了改進的執(zhí)行效率和更好的異常處理，對于提高系統(tǒng)響應速度和可靠性至關重要。基于Armv8-M架構的新內核提供了Arm TrustZone技術，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(shù)據(jù)。這對于需要嚴格安全措施的應用至關重要，如物聯(lián)網和可穿戴設備。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，如更好的定時器、串行通信接口和更高級的調試功能，這簡化了系統(tǒng)設計，并可能降低整體系統(tǒng)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(tǒng)的影響主要包括：增強的安全性能、邊緣計算的大力推動、更廣泛的應用范圍，以及更敏捷快速的芯片及軟硬件開發(fā)。通過這些提升，Arm新一代內核正在推動MCU市場朝著更強的智能、更高的性能、更低的功耗和更可靠的安全性方向發(fā)展。

AI應用越來越普及，邊緣側AI 的應用成為未來高端MCU研發(fā)必須具備的能力。馬健介紹，Arm擁有種類豐富的邊緣 AI產品組合。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。Helium 是一種專為機器學習和數(shù)字信號處理優(yōu)化的M-系列向量處理擴展，可提高MCU對AI/ML負載的處理效率，同時降低了能耗, 這使得它們可以支持更智能的應用和服務，從而滿足AI時代人們對物聯(lián)網日漸增長的需求。這些產品在與可增加150條新標量和矢量指令的 Arm Helium搭配使用時，其AI性能將得到大幅提升，并可為低功耗嵌入式設備的數(shù)字信號處理(DSP)和機器學習(ML)應用帶來顯著的性能提升。

在AI的科技熱潮下，物聯(lián)網領域也迎來“萬物皆智能”的需求，真正落實 AIoT 的場景。在這個背景下，市場期望能以最低的成本將機器學習功能部署到更小、對成本更敏感且通常由電池供電的嵌入式設備中，而作為驅動此類設備的MCU便被賦予實現(xiàn)AI的能力。由于未來的MCU呈現(xiàn)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(xù)投資，增強各種應用對AI MCU的需求。

Arm憑借搭配Arm Helium技術的Cortex-M55、Cortex-M85以及新推出的Cortex-M52，顯著增強了嵌入式CPU處理器對數(shù)字信號處理（DSP）和機器學習（ML）的支持。這些處理器專為低成本和能效而設計，適用于運行簡單的機器學習模型。Arm為這些MCU提供了專門的軟件庫，如CMSIS-NN（神經網絡庫），這是一套為Arm Cortex-M系列處理器優(yōu)化的神經網絡函數(shù)集合，專門用于加速機器學習應用。

Arm推出了專為機器學習推理而設計的微型NPU（神經網絡處理單元），如Ethos-U55和Ethos-U65，這些專用的NPU能夠為Cortex-M和Cortex-A系列處理器提供進一步的AI加速。

安全性和隱私：安全性是Arm重點關注的功能之一，特別是在處理敏感的AI數(shù)據(jù)時。Arm TrustZone技術為AI應用提供了一個安全的執(zhí)行環(huán)境，確保數(shù)據(jù)和模型的保護。

這些Arm軟硬件產品與技術為合作伙伴提供所需的安全高效的AI計算性能，從而滿足AI時代人們對物聯(lián)網日漸增長的需求。

除了AI應用之外，汽車電子是MCU另一個重要的應用市場，Arm汽車事業(yè)部亞太區(qū)高級市場總監(jiān)鄧志偉介紹，面對汽車市場的需求，Arm提供了一系列創(chuàng)新舉措和技術，以滿足汽車行業(yè)日益增長的需求。首先，隨著汽車電氣/ 電子架構的轉變，包括ECU的合并和區(qū)域控制器的出現(xiàn)，以及對安全性、功能安全和實時性的需求增加，Arm提早布局針對性地推出了一系列解決方案。

Arm的汽車微控制器（MCU）解決方案涵蓋了從低功耗到高性能的完整產品組合，以應對不同應用場景的需求。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，能夠滿足汽車系統(tǒng)對實時性、可靠性和安全性的苛刻要求。這些產品的推出，有力地支持了汽車電氣/ 電子架構的演進和汽車行業(yè)的數(shù)字化轉型。

同時，Arm在技術創(chuàng)新方面也取得了重要進展。例如，通過Helium矢量擴展技術，Arm為Cortex-M85系列MCU帶來了機器學習能力，使MCU 能夠更好地處理復雜的數(shù)據(jù)和決策，并且在實時和安全的條件下運行。這項創(chuàng)新為汽車行業(yè)帶來了更多的可能性，使得汽車系統(tǒng)能夠更智能化、更高效地運行。

Arm還在汽車電氣/ 電子架構的演進方面提供支持。其中，Cortex-R52+處理器是Arm在汽車領域的關鍵產品之一，具有高度可靠的性能和實時特性。它配備了Arm的虛擬化技術，使得不同的應用程序可以在同一硬件平臺上運行。這項技術的引入，使得汽車系統(tǒng)更加靈活且可管理。通過虛擬化，車廠可以將多個ECU合并為一個，或者將多個區(qū)域控制器集成到同一硬件平臺上，以降低系統(tǒng)的復雜性，從而提高系統(tǒng)的效率和可移植性。Cortex-R52+處理器還支持多核技術，可以同時運行多個實時任務，并提供硬件支持來保證任務的安全性和可靠性。這使得汽車系統(tǒng)能夠更好地應對復雜的實時需求，如ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和自動駕駛技術中的功能安全島。

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

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

與此同時，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(tǒng)支持，加速了汽車市場的產品開發(fā)周期與大幅降低物料成本。

綜上所述，Arm通過持續(xù)的技術創(chuàng)新和解決方案的推出，為汽車行業(yè)提供了全面的MCU解決方案，滿足了市場的不斷變化和增長的需求。Arm將繼續(xù)與客戶合作，推動汽車行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，共同應對未來的挑戰(zhàn)和機遇。

（本文來源于《EEPW》2023.03）