Arm：引領(lǐng)AIoT與車用MCU的未來

在32位MCU市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，基于Arm內(nèi)核的MCU逐漸成為主流，目前大部分MCU 廠商的新產(chǎn)品均以Arm內(nèi)核為基礎(chǔ)，那么站在內(nèi)核提供商角度，Arm怎么看待未來MCU的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(lǐng)域的未來發(fā)展動(dòng)向。生態(tài)是Arm核MCU越來越流行的重要因素，關(guān)于未來如何構(gòu)建更具張力的MCU生態(tài)系統(tǒng)，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 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(tǒng)建設(shè)方面的重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

平臺(tái)的互操作性和標(biāo)準(zhǔn)化：自15年多前初步建立以來，CMSIS（通用微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)）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(jiǎn)化軟件復(fù)用，加速項(xiàng)目構(gòu)建和調(diào)試，從而縮短新應(yīng)用程序上市的時(shí)間。

CMSIS支持超過45家芯片伙伴的10,000種獨(dú)特設(shè)備，超過 80家CMSIS-Pack供應(yīng)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(qiáng)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(xì)的文檔、學(xué)習(xí)指南和教程，幫助新用戶快速上手。通過Arm的開發(fā)者網(wǎng)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(yīng)商、軟件供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商和教育機(jī)構(gòu)合作，建立了一個(gè)強(qiáng)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(wù)。

開發(fā)和調(diào)試工具：Arm提供了包括Keil MDK和Arm Development Studio在內(nèi)的一系列工具，通過代碼開發(fā)、性能優(yōu)化和故障調(diào)試等功能，降低了開發(fā)的復(fù)雜性。

社區(qū)支持和協(xié)作：Arm鼓勵(lì)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(tái)，使開發(fā)者可以分享知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和最佳實(shí)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(tái)的兼容性，進(jìn)一步降低了入門難度。

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

物聯(lián)網(wǎng)是MCU重要的應(yīng)用場(chǎng)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(kuò)展、以及越來越多大規(guī)模的設(shè)備和計(jì)算的部署，這說明了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來到了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)——支持和管理潛在巨大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署所需的必要技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了成熟的臨界點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和加速正在發(fā)生，它將驅(qū)動(dòng)一個(gè)全新的經(jīng)濟(jì)。而Arm廣大且深厚的生態(tài)系統(tǒng)正在支持這項(xiàng)發(fā)展。Arm的生態(tài)系統(tǒng)為開發(fā)者提供了一個(gè)體驗(yàn)一致和無縫開發(fā)的基石——標(biāo)準(zhǔn)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題。而標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)、行業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)方面，Arm持續(xù)推動(dòng)安全性最佳實(shí)踐的共同標(biāo)準(zhǔn)，如PSA Certified 與PARSEC 等。由 Arm 等公司牽頭構(gòu)建的PSA Certified 是一個(gè)全球項(xiàng)目，并積極地將安全最佳實(shí)踐大規(guī)模地應(yīng)用于設(shè)備。得益于安全框架和認(rèn)證計(jì)劃，PSA Certified為原本非常分散的市場(chǎng)帶來了針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案的整合。PSA Certified對(duì)安全的信任根 (RoT) 的含義進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，目前已有近200個(gè)產(chǎn)品均采用了獲取認(rèn)證，為全球物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者簡(jiǎn)化了建立在 RoT 基礎(chǔ)上的物聯(lián)網(wǎng)安全開發(fā)。

在 IP實(shí)踐方面，Arm TrustZone在Cortex-M上的采用，可以保護(hù)敏感程序代碼和數(shù)據(jù)在CPU中的硬件強(qiáng)制隔離。作為建立PSA-RoT的起點(diǎn)之一，它可在同一芯片內(nèi)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(jiǎn)單、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端以及更復(fù)雜的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)隔離的可行選擇。Arm Cortex-M85與Cortex-M52均搭載 TrustZone技術(shù)，增強(qiáng)安全性。此外，它還包括了指針認(rèn)證和分支目標(biāo)識(shí)別 (Pointer Authentication and Branch Target Identification, PACBTI)，這一全新架構(gòu)功能具備增強(qiáng)的軟件攻擊威脅緩解能力，有助于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)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(shí)，也為一些關(guān)鍵的開源軟件項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)，為安全工具和軟件提供原生支持，例如Arm的功能安全運(yùn)行時(shí)系統(tǒng) (FuSa RTS)、軟件測(cè)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(guān)鍵基礎(chǔ)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(gè)應(yīng)用對(duì)算力需求的不斷提升，MCU內(nèi)核在各個(gè)技術(shù)方向都面臨越來越高的需求。馬健表示，對(duì)比早期基于Armv6/7-M架構(gòu)的Cortex-M內(nèi)核，Cortex-M23/ M33/ M55/ M52/ M85這一系列基于Armv8-M架構(gòu)的嵌入式處理器內(nèi)核帶來了以下主要優(yōu)勢(shì)和架構(gòu)上的提升。新一代的Armv8-M架構(gòu)，提供了改進(jìn)的執(zhí)行效率和更好的異常處理，對(duì)于提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性至關(guān)重要?；贏rmv8-M架構(gòu)的新內(nèi)核提供了Arm TrustZone技術(shù)，這允許設(shè)備在物理硬件級(jí)別上隔離安全和非安全代碼和數(shù)據(jù)。這對(duì)于需要嚴(yán)格安全措施的應(yīng)用至關(guān)重要，如物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備。新一代Arm Cortex-M內(nèi)核的設(shè)計(jì)更加模塊化，能夠適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用需求，并允許更靈活的配置，以適應(yīng)不同的性能和功耗要求。這些新內(nèi)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(jí)的調(diào)試功能，這簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并可能降低整體系統(tǒng)成本。這些架構(gòu)與內(nèi)核微架構(gòu)與設(shè)計(jì)上的提升對(duì)于MCU生態(tài)系統(tǒng)的影響主要包括：增強(qiáng)的安全性能、邊緣計(jì)算的大力推動(dòng)、更廣泛的應(yīng)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(nèi)核正在推動(dòng)MCU市場(chǎng)朝著更強(qiáng)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(yīng)用越來越普及，邊緣側(cè)AI 的應(yīng)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(chǎn)品組合。Cortex-M52、Cortex-M55和Cortex-M85內(nèi)核不僅提升了標(biāo)量計(jì)算的性能，更是加入了Arm Helium技術(shù)。Helium 是一種專為機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號(hào)處理優(yōu)化的M-系列向量處理擴(kuò)展，可提高M(jìn)CU對(duì)AI/ML負(fù)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(yīng)用和服務(wù)，從而滿足AI時(shí)代人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)日漸增長(zhǎng)的需求。這些產(chǎn)品在與可增加150條新標(biāo)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(shè)備的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)應(yīng)用帶來顯著的性能提升。

在AI的科技熱潮下，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也迎來“萬物皆智能”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(jī)器學(xué)習(xí)功能部署到更小、對(duì)成本更敏感且通常由電池供電的嵌入式設(shè)備中，而作為驅(qū)動(dòng)此類設(shè)備的MCU便被賦予實(shí)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(shì)，安全也就變的愈發(fā)重要。 Arm在以下方面持續(xù)投資，增強(qiáng)各種應(yīng)用對(duì)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，顯著增強(qiáng)了嵌入式CPU處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的支持。這些處理器專為低成本和能效而設(shè)計(jì)，適用于運(yùn)行簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。Arm為這些MCU提供了專門的軟件庫，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(shù)集合，專門用于加速機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。

Arm推出了專為機(jī)器學(xué)習(xí)推理而設(shè)計(jì)的微型NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元），如Ethos-U55和Ethos-U65，這些專用的NPU能夠?yàn)镃ortex-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(shù)據(jù)時(shí)。Arm TrustZone技術(shù)為AI應(yīng)用提供了一個(gè)安全的執(zhí)行環(huán)境，確保數(shù)據(jù)和模型的保護(hù)。

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(jì)算性能，從而滿足AI時(shí)代人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)日漸增長(zhǎng)的需求。

除了AI應(yīng)用之外，汽車電子是MCU另一個(gè)重要的應(yīng)用市場(chǎng)，Arm汽車事業(yè)部亞太區(qū)高級(jí)市場(chǎng)總監(jiān)鄧志偉介紹，面對(duì)汽車市場(chǎng)的需求，Arm提供了一系列創(chuàng)新舉措和技術(shù)，以滿足汽車行業(yè)日益增長(zhǎng)的需求。首先，隨著汽車電氣/ 電子架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，包括ECU的合并和區(qū)域控制器的出現(xiàn)，以及對(duì)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(duì)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(chǎn)品組合，以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。這些MCU基于最新的CPU架構(gòu)， 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(duì)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，有力地支持了汽車電氣/ 電子架構(gòu)的演進(jìn)和汽車行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)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Helium矢量擴(kuò)展技術(shù)，Arm為Cortex-M85系列MCU帶來了機(jī)器學(xué)習(xí)能力，使MCU 能夠更好地處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)和決策，并且在實(shí)時(shí)和安全的條件下運(yùn)行。這項(xiàng)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(yùn)行。

Arm還在汽車電氣/ 電子架構(gòu)的演進(jìn)方面提供支持。其中，Cortex-R52+處理器是Arm在汽車領(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(yīng)用程序可以在同一硬件平臺(tái)上運(yùn)行。這項(xiàng)技術(shù)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(gè)ECU合并為一個(gè)，或者將多個(gè)區(qū)域控制器集成到同一硬件平臺(tái)上，以降低系統(tǒng)的復(fù)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(shù)，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，并提供硬件支持來保證任務(wù)的安全性和可靠性。這使得汽車系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)時(shí)需求，如ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）和自動(dòng)駕駛技術(shù)中的功能安全島。

在安全性方面，Arm一直致力于為汽車行業(yè)提供全面的安全解決方案。通過PSA Certified認(rèn)證和ISO21434標(biāo)準(zhǔn)，Arm為汽車系統(tǒng)提供了全面的安全保護(hù)，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(biāo)準(zhǔn)，確保汽車系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍能夠安全運(yùn)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(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)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(kuò)展性，使開發(fā)人員能夠更好地分析工作負(fù)載并開發(fā)應(yīng)用程序。

與此同時(shí)，這些原型板還帶有預(yù)建的AUTOSAR，也能夠藉由軟件遷移指南輕松適應(yīng)處理器架構(gòu)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(chǎng)的產(chǎn)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(shù)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(chǎng)的不斷變化和增長(zhǎng)的需求。Arm將繼續(xù)與客戶合作，推動(dòng)汽車行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，共同應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

（本文來源于《EEPW》2023.03）