STM32：迎接汽車(chē)與AI時(shí)代MCU新挑戰(zhàn)

作為通用32位MCU市場(chǎng)最受關(guān)注的產(chǎn)品系列，意法半導(dǎo)體（ST）的STM32 MCU從2007年問(wèn)世之后就迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，成功占據(jù)通用32位MCU市占率領(lǐng)頭羊的位置，并且不斷引領(lǐng)著通用MCU技術(shù)與應(yīng)用的新思維開(kāi)拓。

 新能源汽車(chē)帶動(dòng)汽車(chē)電子架構(gòu)級(jí)革命和AI引領(lǐng)的邊緣智能應(yīng)用浪潮成為2024年最受關(guān)注的技術(shù)前沿，作為通用MCU的探索先鋒，2024年底STM32宣布了在這兩個(gè)方向的重要技術(shù)探索。

汽車(chē)MCU：STM32A擴(kuò)展汽車(chē)電子生態(tài)

 在ST最新的業(yè)務(wù)部門(mén)調(diào)整中，汽車(chē)電子業(yè)務(wù)被分散到各個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)系列中，汽車(chē)MCU產(chǎn)品線(xiàn)與通用MCU的STM32進(jìn)行了全新的整合。新能源汽車(chē)的快速普及引領(lǐng)著汽車(chē)電氣化程度的飛速發(fā)展，無(wú)論是與駕駛行為有關(guān)的數(shù)字化還是整車(chē)電子電氣架構(gòu)的三電（電機(jī)、電池和充電）功能集成化，都引發(fā)車(chē)用半導(dǎo)體的技術(shù)變革新挑戰(zhàn)。

圖1 STM32將加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)MCU的關(guān)注

意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū) 微控制器、數(shù)字IC與射頻產(chǎn)品部 (MDRF) 汽車(chē)微控制器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)經(jīng)理黃延球介紹，按照現(xiàn)在車(chē)載應(yīng)用數(shù)字器件的功能和性能劃分來(lái)看，自動(dòng)駕駛和行車(chē)電腦這兩個(gè)功能要求HPC（High performance computing），需要高算力的處理器SoC。SoC相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域之外，比如圖1中幾個(gè)藍(lán)色方塊的部分，包括多合一電氣化，功能域或位置域的融合，還有就是各種各樣傳感器控制和執(zhí)行器控制，都是將來(lái) ST汽車(chē)MCU的專(zhuān)注領(lǐng)域。 根據(jù)第三方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2030年左右，汽車(chē)MCU的總體市場(chǎng)規(guī)模是非常可觀的，將會(huì)達(dá)到165 億美元。所以，ST宏偉的目標(biāo)設(shè)定是到2030年，汽車(chē)MCU銷(xiāo)售要比2024年實(shí)現(xiàn)翻倍，那ST的底氣從哪里來(lái)？

一方面ST在專(zhuān)用汽車(chē)MCU市場(chǎng)推出了Stellar產(chǎn)品線(xiàn)，采用了實(shí)時(shí)控制和性能都比較出色的ARM R52內(nèi)核，主要定位于面向于集成式應(yīng)用如車(chē)輛控制單元VCU，電驅(qū)逆變系統(tǒng)（通常也簡(jiǎn)稱(chēng)為 MCU，電機(jī)控制單元），再加上 BMS電池管理系統(tǒng)和熱管理單元等。這些單元之前都是通過(guò)獨(dú)立的ECU實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在可以通過(guò)Stellar MCU的多核功能來(lái)完成，可以在一片Stellar MCU上做完這些所有的動(dòng)作和控制。因此，Stellar集成式MCU來(lái)完美的支持了多 個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用的相互無(wú)干擾運(yùn)行，快速交換數(shù)據(jù)，同時(shí)也提供大量的數(shù)據(jù)IO端口給數(shù)據(jù)和設(shè)備服務(wù)。

另一個(gè)重要的產(chǎn)品線(xiàn)就是全新的汽車(chē)版STM32——STM32A系列，這是ST沉淀很久終于確定開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品線(xiàn)。STM32作為最受歡迎的通用MCU，其龐大的生態(tài)系統(tǒng)是成功的關(guān)鍵。隨著整車(chē)的電子電氣架構(gòu)逐步全電化，車(chē)內(nèi)除了主控的MCU外，還需要數(shù)量可觀的執(zhí)行器或傳感器系統(tǒng)，這些部分的MCU需求可能并不需要跟Stellar系列那樣滿(mǎn)足苛刻的全部車(chē)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（如同時(shí)滿(mǎn)足ASIL-D、ISO26262和AECQ100等），而只需要一些中小型普通車(chē)規(guī)級(jí)MCU即可，比如黃延球以L(fǎng)ED車(chē)燈控制、座椅控制和車(chē)窗控制等為例，這幾部分對(duì)MCU的功能性能要求不高但對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，同時(shí)要求產(chǎn)品價(jià)格盡可能便宜且方案更新?lián)Q代速度更快。基于這樣的市場(chǎng)需求，ST希望將STM32生態(tài)圈擴(kuò)展覆蓋到汽車(chē)產(chǎn)品應(yīng)用，可以最大程度現(xiàn)有STM32客戶(hù)進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域以及滿(mǎn)足整車(chē)客戶(hù)的成本優(yōu)化和輕量化需求。當(dāng)然，黃延球也特別指出，STM32A產(chǎn)品跟傳統(tǒng)的STM32還是有不小的區(qū)別，ST會(huì)進(jìn)行全方位的車(chē)規(guī)認(rèn)證以滿(mǎn)足基本的汽車(chē)MCU標(biāo)準(zhǔn)需求。

STM32N6：首顆人工智能MCU

AI應(yīng)用引發(fā)了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的變革，甚至可能重塑整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)。相比于云端AI的雷聲大雨點(diǎn)小，邊緣AI的需求和應(yīng)用場(chǎng)景更具有商業(yè)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)锳I應(yīng)用的前提就是從云端AI下沉到邊緣側(cè)，邊緣端AI的時(shí)效性更強(qiáng)，隱私保護(hù)性更好,更有效更高效的做自主計(jì)算和執(zhí)行，在設(shè)備和設(shè)備之間以及設(shè)備和云之間，邊緣AI能夠做識(shí)別驗(yàn)證、數(shù)據(jù)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)安全能力，確保AI應(yīng)用的安全可靠。

根據(jù)ABI市調(diào)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，到2030年，邊緣端TinyML MCU市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到113%。ST關(guān)注邊緣AI已經(jīng)超過(guò)10年時(shí)間，意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)微控制器、數(shù)字 IC 與射頻產(chǎn)品部 (MDRF) 微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理丁曉磊介紹，STM32系列之前主要以通用MCU和MPU提供邊緣AI需要的計(jì)算能力（比如STM32MP系列和STM32H7系列）。邊緣AI一個(gè)重要的技術(shù)趨勢(shì)就是將過(guò)去在大SoC上的計(jì)算能力下沉到MCU上執(zhí)行，比如人員檢測(cè)、聲音分析、語(yǔ)音識(shí)別等，從而降低系統(tǒng)BoM成本，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及系統(tǒng)功耗等。

圖2 STM32N6的雙內(nèi)核助力實(shí)現(xiàn)邊緣AI的強(qiáng)大性能

與大算力AI芯片的發(fā)展趨勢(shì)一樣，邊緣AI的處理芯片也逐步從通用向?qū)Ｓ脙?nèi)核過(guò)渡，以大幅提升處理AI任務(wù)的效率和能力，這就是ST推出首款具有AI加速能力的高性能的STM32 MCU——STM32N6的最主要原因。STM32N6基于ST專(zhuān)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元Neural-Art Accelerator內(nèi)核IP，它能夠更好地加速人工智能的應(yīng)用，并提高 AI模型的處理的效能。與STM32高性能MCU STM32H7相比，內(nèi)置Neural-Art Accelerator的STM32N6的AI處理性能會(huì)有600倍的提高。丁曉磊介紹目前全球已經(jīng)有50多家早期客戶(hù)在用STM32N6做產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。

STM32N6包含一個(gè)800MHz主頻ARM Cortex-M55內(nèi)核，并帶有嵌入式的 Neural-Art Accelerator 的硬件加速單元，該加速單元在算力處理得當(dāng)?shù)那闆r下，可以與 ARM Cortex-M55內(nèi)核完全獨(dú)立并行工作，作為ARM Cortex-M55的協(xié)處理器執(zhí)行AI的加速能力運(yùn)算。通過(guò)兩個(gè)內(nèi)核的獨(dú)立并行任務(wù)處理，STM32N6極好地實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化（兩全其美）的邊緣AI處理效果，用相對(duì)最低的功耗實(shí)現(xiàn)最高的性能。STM32N6是目前為止所有STM32MCU中性能最強(qiáng)的，可以實(shí)現(xiàn)3360 Coremark和1280 DMIPS，性能。此外，它還有非常好的多媒體和圖形體驗(yàn)，不僅僅有圖形的顯示能力，還創(chuàng)新地增加了攝像頭處理能力，通過(guò)增加ISP（計(jì)算機(jī)視覺(jué)管線(xiàn)處理能力）能夠把拍到的照片做非常輕量級(jí)的圖像處理，得到畫(huà)質(zhì)出色的照片。

關(guān)于ST32N6的新性能，它的NPU是600 GOPS NPU，3TOPS/W的功耗表現(xiàn)非常出色，它的處理器內(nèi)核是ARM的v8.1最新架構(gòu)的 Cortex-M55，在Coremark下面還加了新的Helium內(nèi)核擴(kuò)展指令集，這是在ARM Cortex-M7內(nèi)核里所沒(méi)有的。新加的加速指令集的作用是當(dāng)遇到新的DSP的處理指令，尤其在處理一些音頻相關(guān)的應(yīng)用的時(shí)候，Cortex-M55內(nèi)核所帶的矢量加速器能夠更好地幫助音頻效果落地。更重要的是，STM32N6是一顆MCU，其尺寸和功耗都要明顯小于傳統(tǒng)邊緣AI的MPU，使得它能夠幫助一些對(duì)尺寸和功耗以及AI處理能力要求均極為嚴(yán)格的可穿戴應(yīng)用成為可能。

STM32與ST的本土化戰(zhàn)略

意法半導(dǎo)體在中國(guó)生根40年，致力于中國(guó)創(chuàng)新、中國(guó)設(shè)計(jì)以及中國(guó)制造。意法半導(dǎo)體在中國(guó)承諾的本土化的戰(zhàn)略是“在中國(guó)，為中國(guó)”，它包含“中國(guó)設(shè)計(jì)，中國(guó)創(chuàng)新以及中國(guó)制造”。關(guān)于中國(guó)創(chuàng)新，意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)微控制器、數(shù)字IC與射頻產(chǎn)品部 (MDRF)、物聯(lián)網(wǎng)/人工智能技術(shù)創(chuàng)新中心及數(shù)字營(yíng)銷(xiāo)副總裁朱利安（ARNAUD JULIENNE）以最新的意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)電源與能源技術(shù)創(chuàng)新中心以及人工智能技術(shù)創(chuàng)新中心合作舉例，為中國(guó)光伏的新能源客戶(hù)打造的涵蓋了STM32MCU和功率器件以及相關(guān)軟件和AI算法的AFCI方案，是目前國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)有多家客戶(hù)量產(chǎn)的解決方案。它能夠?yàn)橹袊?guó)區(qū)眾多的新能源客戶(hù)提供更穩(wěn)定、更安全的直流拉弧檢測(cè)功能，從而極大地增強(qiáng)了產(chǎn)品安全檢測(cè)的精度和客戶(hù)產(chǎn)品的業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)力。

在STM32產(chǎn)品的本土化策略中，ARNAUD JULIENNE特別提到了STM32本地化生產(chǎn)的計(jì)劃，ST將委托國(guó)內(nèi)第二大晶圓代工廠華虹代工40納米eNVM的MCU產(chǎn)品，ST和華虹的合作能帶給中國(guó)客戶(hù)多方面的優(yōu)勢(shì)，首先是ST對(duì)中國(guó)市場(chǎng)本地化的承諾，然后實(shí)現(xiàn)從端到端即從最開(kāi)始晶圓設(shè)計(jì)到最后封裝測(cè)試的端到端完全本地化，本地化能夠給中國(guó)客戶(hù)提供極大的供應(yīng)鏈的安全保證。ARNAUD JULIENNE強(qiáng)調(diào)ST給中國(guó)客戶(hù)的供應(yīng)鏈安全保證既包括對(duì)中國(guó)的OEM客戶(hù)有相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品料號(hào)可以支持開(kāi)展一些國(guó)際的出海服務(wù)，也包括對(duì)想要在中國(guó)開(kāi)展業(yè)務(wù)的海外客戶(hù)，ST同樣提供這種供應(yīng)鏈的安全保證。

圖3 ST與華虹合作模式與其他模式的區(qū)別（上一行是ST與華虹模式）

作為擁有自己產(chǎn)能的IDM，ST與華虹的合作有別于傳統(tǒng)的Fabless與Foundry的合作。站在工藝流程的角度，ST在晶圓層面和掩膜層面的工藝流程會(huì)直接保持與華虹的掩模設(shè)計(jì)一致，同ST在歐洲的40納米的eNVM工藝也是一樣的，華虹無(wú)錫的工廠會(huì)成為第三家擁有完全相同的制造工藝的工廠，采用完全相同的制造機(jī)器，包括制造機(jī)器的工藝參數(shù)也是完全相同的，最后得到完全相同的裸片，也就意味著華虹生產(chǎn)的STM32晶圓和意法半導(dǎo)體法國(guó)、韓國(guó)生產(chǎn)的是完全相同的產(chǎn)品，甚至完全相同的給到中國(guó)的客戶(hù)。整個(gè)過(guò)程的合作歷經(jīng)兩年的時(shí)間，由華虹工程師和ST工程師經(jīng)過(guò)非常多深入合作才能保證整個(gè)過(guò)程順利地完成。