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經(jīng)歷了數(shù)十年的設(shè)計(jì)創(chuàng)新和工藝突破，MCU已經(jīng)在低成本、低功耗、高處理效率和高性能等特性方向有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著汽車電動(dòng)化、工業(yè)4.0、邊緣AI等新興應(yīng)用的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)機(jī)遇涌現(xiàn)，追求更高性能的MCU已成為行業(yè)趨勢(shì)。
行業(yè)研究機(jī)構(gòu)Omdia預(yù)測(cè)，全球MCU市場(chǎng)在2022年達(dá)到269億美元的市值，并在之后的五年以4.9%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)上升。從出貨量預(yù)測(cè)中也可以看出，從2022年到2027年，全球MCU出貨量將維持在2.9%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。
全球MCU出貨量預(yù)測(cè)?
(數(shù)據(jù)來(lái)源：Omdia Market Tracker 2022)
其中32位MCU占據(jù)了重要的出貨比例，市場(chǎng)份額持續(xù)提升。而32位超高性能MCU貢獻(xiàn)了主要增量，尤其當(dāng)通信、消費(fèi)電子、工控、汽車等行業(yè)紛紛將AI集成到產(chǎn)品中后，高計(jì)算速率和復(fù)雜AI算法需求進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體廠商布局超高性能產(chǎn)品線，從而加快端側(cè)AI的普及。
兆易創(chuàng)新作為中國(guó)32位通用微控制器領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，最新推出的GD32H7系列MCU補(bǔ)全了中國(guó)超高性能MCU拼圖上的空缺。電子發(fā)燒友網(wǎng)采訪了兆易創(chuàng)新產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)金光一先生，深入了解GD32H7系列新品的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)、目標(biāo)應(yīng)用以及開(kāi)發(fā)生態(tài)布局。
1GD32H7一騎絕塵的性能
GD32H7系列MCU采用基于Armv7E-M架構(gòu)的600MHz Arm Cortex-M7內(nèi)核，憑借雙發(fā)射6級(jí)流水線架構(gòu)，以及支持高帶寬的AXI和AHB總線接口，可以獲得更高的主頻及處理性能，達(dá)到1552 DMIPS和2888 CoreMarks的優(yōu)異結(jié)果。對(duì)比其他內(nèi)核產(chǎn)品，GD32H7性能大幅提升，能夠支持高級(jí)DSP、邊緣AI等高算力應(yīng)用。
金總介紹，大多數(shù)基于Cortex-M4的代碼都可以直接運(yùn)行在Cortex-M7上，從而支持無(wú)縫切換。但是，為了充分利用內(nèi)核性能差異來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的優(yōu)化，軟件需要重新編譯，并且在許多情況下，軟件也需要一些小的升級(jí)，以便充分利用像Cache/TCM這樣的新功能。
GD32 系列產(chǎn)品性能對(duì)比
GD32H7配備了高達(dá)4MB的片上Flash和1MB的SRAM，支持大容量代碼存儲(chǔ)。獨(dú)有的TCM存儲(chǔ)器和L1高速緩存也大大提高了內(nèi)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)效率。其中，512KB超大緊耦合內(nèi)存TCM，可自由配置為I-TCM或D-TCM。用來(lái)放置想要加速的程序和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)零等待運(yùn)行，提高系統(tǒng)的性能。還集成了64KB的L1-Cache（I-Cache，D-Cache）高速緩存，其存儲(chǔ)速度接近CPU核的工作速度，解決了CPU和內(nèi)存速度差距過(guò)大的問(wèn)題，為運(yùn)行復(fù)雜操作系統(tǒng)及高級(jí)算法提供了充足支持。
GD32H7提供了多種安全加密功能，包括DES、三重DES、AES算法及哈希算法，集成的RTDEC模塊，還可以保護(hù)連接到AXI或AHB總線的外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)安全，防止在工廠和現(xiàn)場(chǎng)的通信過(guò)程中受到的威脅，確保物聯(lián)網(wǎng)硬件數(shù)據(jù)安全。
相較現(xiàn)有的高性能產(chǎn)品，GD32H7的外設(shè)資源大幅擴(kuò)容，模擬性能也得到空前提升。片上集成了2個(gè)14位ADC采樣速率高達(dá)4MSPS，1個(gè)12位ADC采樣速率高達(dá)5.3MSPS，在電機(jī)控制、光伏儲(chǔ)能等應(yīng)用中可提供高精度采樣率和快速響應(yīng)。3個(gè)CAN-FD接口和2個(gè)以太網(wǎng)控制器也為工業(yè)網(wǎng)卡、變頻器、伺服器提供了很好的優(yōu)勢(shì)。
金總介紹，GD32H7規(guī)劃了GD32H737/757/759三個(gè)全新系列，來(lái)滿足差異化開(kāi)發(fā)需求。
GD32H737系列
支持3路CAN 2.0B
提供BGA176和LQFP176/144/100四種封裝
GD32H757系列
支持3路高速CAN-FD
提供BGA100和LQFP144/100三種封裝
GD32H759系列
支持3路高速CAN-FD
提供BGA176和LQFP176兩種多引腳封裝
GD32H737/757/759 接口資源
2享受超高性能MCU“紅利”的應(yīng)用生態(tài)
GD32H7發(fā)布之際，兆易創(chuàng)新就已經(jīng)為開(kāi)發(fā)生態(tài)做了充足準(zhǔn)備。自研的GD32 Eclipse IDE、GD32 All-In-One Programmer，及Arm KEIL、IAR、SEGGER等主流嵌入式開(kāi)發(fā)工具均已適配。除此之外，針對(duì)高端應(yīng)用場(chǎng)景，GD32正在聯(lián)合第三方提供更多的算法及中間件資源，包括信號(hào)處理、電機(jī)控制、圖形顯示(GUI)、語(yǔ)音識(shí)別和邊緣AI代碼等。與新品同步面市的還有多種開(kāi)發(fā)板卡和學(xué)習(xí)套件，旨在借助這些生態(tài)資源進(jìn)一步降低超高性能MCU的普及門檻，讓應(yīng)用開(kāi)發(fā)更加唾手可得。
GD32H759I-EVAL全功能評(píng)估板
談到與現(xiàn)有產(chǎn)品的定位區(qū)別，金總表示，GD32H7為更多高端需求提供開(kāi)發(fā)利器，覆蓋更多目標(biāo)市場(chǎng)和應(yīng)用場(chǎng)景。
無(wú)人機(jī)和云臺(tái)等應(yīng)用往更復(fù)雜精密的電機(jī)控制發(fā)展，也對(duì)MCU的性能提出了相對(duì)較高的要求。從這幾年推出的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品表面參數(shù)來(lái)看，越來(lái)越多的廠商開(kāi)始在無(wú)人機(jī)的成像性能和感知性能上發(fā)力。MCU在雙向通信的同時(shí)，需要處理更為復(fù)雜的姿態(tài)算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制以保證無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
MCU的處理性能足夠強(qiáng)才能滿足高端無(wú)人機(jī)IMU模塊的數(shù)據(jù)處理需求，并實(shí)現(xiàn)靈活的控制響應(yīng)。比如測(cè)繪型無(wú)人機(jī)需要用到RTK高精度定位技術(shù)，引入更多相位數(shù)據(jù)的同時(shí)，也對(duì)實(shí)時(shí)姿態(tài)解算提出了更高的要求。
GD32H7憑借600MHz的主頻，超高的計(jì)算性能使其可作為大型無(wú)人機(jī)的主控。無(wú)論是512KB的超大緊耦合內(nèi)存，還是64KB的L1-Cache高速緩存，都保證了關(guān)鍵指令的實(shí)時(shí)執(zhí)行和更高的處理器效率。而內(nèi)置的濾波算法加速器FAC，則為無(wú)人機(jī)姿態(tài)解算常見(jiàn)的濾波算法提供了更高效和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)于設(shè)計(jì)面積要求苛刻的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，GD32H7也提供了多種封裝選擇，客戶可根據(jù)資源需求靈活選取。
人機(jī)界面 (HMI)
隨著顯示技術(shù)的迅速迭代，智能家電、智能家居以及智慧城市等多種應(yīng)用都開(kāi)始引入智能化的HMI。語(yǔ)音、手勢(shì)、觸摸等多元化人機(jī)交互場(chǎng)景的出現(xiàn)，也推動(dòng)新一代IoT產(chǎn)品中的MCU加速升級(jí)。
當(dāng)前HMI對(duì)顯示效果的追求越來(lái)越高，需要渲染成更高的分辨率、更高的色深，從而占用更多RAM空間。在人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別以及語(yǔ)音控制等多樣化的交互方式下，定制化的需求也在不斷涌現(xiàn)，更多的GUI、矢量圖形和視覺(jué)效果逐步加入到HMI界面中，對(duì)MCU的圖形性能要求提出了前所未有的挑戰(zhàn)。
GD32H7芯片內(nèi)置了TFT LCD液晶驅(qū)動(dòng)器，憑借1MB的SRAM容量，可以勝任更高分辨率在渲染和數(shù)組傳輸上的高內(nèi)存要求。與此同時(shí)，GD32H7集成了圖形處理加速器IPA，支持2D圖像疊加、旋轉(zhuǎn)、縮放和多種顏色格式轉(zhuǎn)換等功能，可以滿足高級(jí)GUI的需求，實(shí)現(xiàn)可定制的智能HMI。
數(shù)字化能源
“光儲(chǔ)充”一體化模式在數(shù)字電源領(lǐng)域持續(xù)火爆，也是數(shù)字信息技術(shù)、人工智能(AI)和光伏技術(shù)相融合的典型場(chǎng)景。作為逆變器核心元件的MCU已成為發(fā)揮系統(tǒng)最大效率的關(guān)鍵。光伏逆變器需要將光伏太陽(yáng)能板產(chǎn)生的可變直流電壓，轉(zhuǎn)換為市電頻率的交流電，從而回饋給商用輸電系統(tǒng)。在這個(gè)過(guò)程中，為進(jìn)一步提升硬件效率，提高采樣電路的精度至關(guān)重要。
GD32H7作為主控MCU可提供豐富的外設(shè)資源，包括4個(gè)32位通用定時(shí)器、12個(gè)16位定時(shí)器、4個(gè)64位/32位基本定時(shí)器、2個(gè)PWM高級(jí)定時(shí)器，以及2個(gè)采樣速率高達(dá)4MSPS的14位ADC和1個(gè)采樣速率高達(dá)5.3MSPS的12位ADC，精準(zhǔn)生成PWM信號(hào)，既保證了采樣電路的高精度與高效率，又滿足了逆變器的復(fù)雜控制需求。
而儲(chǔ)能逆變器為了實(shí)現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換與流動(dòng)，同樣需要利用復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓等控制，保證電網(wǎng)安全有效地運(yùn)行，這也對(duì)主控MCU內(nèi)核的計(jì)算性能及硬件加速配置都提出了較高要求。
GD32H7的主頻高達(dá)600MHz，且內(nèi)置了獨(dú)立的DSP硬件加速器和雙精度浮點(diǎn)單元，以及TMU、FAC等硬件算法加速器，在滿足逆變器常見(jiàn)FFT、FIR等算法高效運(yùn)行的同時(shí)，減輕了內(nèi)核負(fù)擔(dān)。而對(duì)于近年增長(zhǎng)勢(shì)頭明顯的微型逆變器，以及單向并網(wǎng)光伏逆變器來(lái)說(shuō)，之前主要采用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦波逆變器控制，如今在供貨保障和降本增效的需求下，不少逆變器廠商開(kāi)始采用高性能MCU替代DSP，GD32H7系列MCU就提供了絕佳選擇。
邊緣AI
從近年興起的嵌入式智能應(yīng)用中可以看出，傳統(tǒng)通用MCU難以滿足邊緣AI日漸增長(zhǎng)的算力要求。為了將更多的輕量級(jí)AI算法集成在嵌入式應(yīng)用中，MCU必須從主頻、存儲(chǔ)空間和加速器都做到質(zhì)的提升，而GD32H7恰好提供了這些硬件資源支撐。
從性能來(lái)看，GD32H7的600MHz主頻可以保證在無(wú)需集成額外的硬件NPU的前提下，滿足邊緣側(cè)的AI算力要求。即便運(yùn)行在非最大主頻下，仍可保證AI算法的精度。得益于先進(jìn)的制造工藝，GD32H7集成了更多的硬件資源，包括硬件DSP、雙精度浮點(diǎn)FPU、三角函數(shù)TMU和濾波算法FAC等，這些硬件資源對(duì)于圖像處理等AI負(fù)載來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
在內(nèi)存容量上，由于占用的資源和算力要求過(guò)高，常見(jiàn)的MobileNet或YOLO無(wú)法運(yùn)行在MCU上。Edge Impulse為邊緣AI專門優(yōu)化了FOMO機(jī)器學(xué)習(xí)物體檢測(cè)算法，在算力和內(nèi)存需求上只有其它算法的1/30。FOMO有很強(qiáng)的可伸縮性，支持在Cortex-M7內(nèi)核的MCU上運(yùn)行，物體檢測(cè)效率為30fps，并需要至少100KB的緩存空間。只要物體的尺寸類似而且互不重疊，F(xiàn)OMO可以高效地統(tǒng)計(jì)大量小物體。例如通過(guò)調(diào)高輸入的分辨率獲得更高的粒度和更多的細(xì)節(jié)，能夠快速清點(diǎn)攝像頭視野內(nèi)的蜜蜂數(shù)量。GD32H7配備的4MB Flash及1MB SRAM大容量?jī)?nèi)存足以勝任這類負(fù)載，進(jìn)一步簡(jiǎn)化硬件成本，為嵌入式設(shè)備提供更多高級(jí)視覺(jué)功能。
同樣可以從中受益的工業(yè)AI應(yīng)用還有預(yù)測(cè)性維護(hù)，基于傳感器狀態(tài)監(jiān)視、異常檢測(cè)等算法，將預(yù)測(cè)模型集成到其中。例如在前面提到的數(shù)字能源應(yīng)用中，基于AI技術(shù)的智能拉弧檢測(cè)，能夠提前預(yù)判電弧的產(chǎn)生，并有效切斷并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，消除電弧，防患于未然。機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的智能化引入，使光伏逆變器不斷累積檢測(cè)出電弧的特征參數(shù)，從而優(yōu)化和提高識(shí)別電弧的能力，更精準(zhǔn)可靠地檢測(cè)出真實(shí)電弧，保障變電安全。
隨著TinyML技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)會(huì)有更多ML模型能在小內(nèi)存的MCU上運(yùn)行，而更大的內(nèi)存和算力則意味著更高的精度和效率。GD32H7配備了64KB L1高速緩存和512KB TCM超大可配置零等待空間，在支持輕量級(jí)AI算法提升工業(yè)應(yīng)用智能化水平的同時(shí)，也能兼顧低延遲的實(shí)時(shí)處理和更精確的控制。
3GD32H7的象征意義
MCU是一個(gè)相當(dāng)細(xì)分的賽道，廠商對(duì)高性能與低功耗的追求尚未止步。而超高性能MCU的目標(biāo)應(yīng)用尚屬藍(lán)海市場(chǎng)，兆易創(chuàng)新憑借GD32H7搶占先機(jī)，進(jìn)一步加速對(duì)高端智能化應(yīng)用領(lǐng)域的滲透。
GD32H7的面市對(duì)于MCU市場(chǎng)有著深遠(yuǎn)的意義：作為中國(guó)首款M7內(nèi)核的旗艦級(jí)MCU產(chǎn)品，以極具競(jìng)爭(zhēng)力的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)持續(xù)鞏固兆易創(chuàng)新的市場(chǎng)領(lǐng)先地位。GD32H7為高端需求提供更豐富的開(kāi)發(fā)選擇，支持復(fù)雜運(yùn)算、AI和多媒體技術(shù)等創(chuàng)新場(chǎng)景，全面推進(jìn)MCU在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。
——兆易創(chuàng)新產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān) 金光一
金總還表示，兆易創(chuàng)新正在積極布局雙核及多核處理器架構(gòu)，這類超高性能MCU產(chǎn)品未來(lái)將進(jìn)一步拉動(dòng)AI在邊緣側(cè)設(shè)備的覆蓋率。此外，未來(lái)產(chǎn)品還將集成TrustZone、Lockstep等安全技術(shù)，滿足更多高級(jí)應(yīng)用的安全性要求。
以GD32H7為代表的超高性能MCU將弱化MCU與MPU的傳統(tǒng)邊界，激發(fā)更多市場(chǎng)潛力。兆易創(chuàng)新攜新品加入賽道，以一如既往的高品質(zhì)為邊緣AI、光伏儲(chǔ)能、智能HMI等應(yīng)用的飛速發(fā)展獻(xiàn)力。GD32H7不僅僅只是市場(chǎng)多樣化的一環(huán)，也是一個(gè)里程碑式的產(chǎn)品，昭示著中國(guó)MCU已正式邁入超高性能時(shí)代。
審核編輯：湯梓紅
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