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經(jīng)歷了數(shù)十年的設計創(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足的進步。隨著汽車電動化、工業(yè)4.0、邊緣AI等新興應用的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級機遇涌現(xiàn)，追求更高性能的MCU已成為行業(yè)趨勢。
行業(yè)研究機構(gòu)Omdia預測，全球MCU市場在2022年達到269億美元的市值，并在之后的五年以4.9%的年復合增長率持續(xù)上升。從出貨量預測中也可以看出，從2022年到2027年，全球MCU出貨量將維持在2.9%的年復合增長率。
全球MCU出貨量預測?
(數(shù)據(jù)來源：Omdia Market Tracker 2022)
其中32位MCU占據(jù)了重要的出貨比例，市場份額持續(xù)提升。而32位超高性能MCU貢獻了主要增量，尤其當通信、消費電子、工控、汽車等行業(yè)紛紛將AI集成到產(chǎn)品中后，高計算速率和復雜AI算法需求進一步推動半導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32位通用微控制器領域的領跑者，最新推出的GD32H7系列MCU補全了中國超高性能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)品市場總監(jiān)金光一先生，深入了解GD32H7系列新品的市場優(yōu)勢、目標應用以及開發(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，達到1552 DMIPS和2888 CoreMarks的優(yōu)異結(jié)果。對比其他內(nèi)核產(chǎn)品，GD32H7性能大幅提升，能夠支持高級DSP、邊緣AI等高算力應用。
金總介紹，大多數(shù)基于Cortex-M4的代碼都可以直接運行在Cortex-M7上，從而支持無縫切換。但是，為了充分利用內(nèi)核性能差異來實現(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，以便充分利用像Cache/TCM這樣的新功能。
GD32 系列產(chǎn)品性能對比
GD32H7配備了高達4MB的片上Flash和1MB的SRAM，支持大容量代碼存儲。獨有的TCM存儲器和L1高速緩存也大大提高了內(nèi)外部存儲器的訪問效率。其中，512KB超大緊耦合內(nèi)存TCM，可自由配置為I-TCM或D-TCM。用來放置想要加速的程序和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)零等待運行，提高系統(tǒng)的性能。還集成了64KB的L1-Cache（I-Cache，D-Cache）高速緩存，其存儲速度接近CPU核的工作速度，解決了CPU和內(nèi)存速度差距過大的問題，為運行復雜操作系統(tǒng)及高級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，還可以保護連接到AXI或AHB總線的外部存儲器的數(shù)據(jù)安全，防止在工廠和現(xiàn)場的通信過程中受到的威脅，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的外設資源大幅擴容，模擬性能也得到空前提升。片上集成了2個14位ADC采樣速率高達4MSPS，1個12位ADC采樣速率高達5.3MSPS，在電機控制、光伏儲能等應用中可提供高精度采樣率和快速響應。3個CAN-FD接口和2個以太網(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。
金總介紹，GD32H7規(guī)劃了GD32H737/757/759三個全新系列，來滿足差異化開發(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”的應用生態(tài)
GD32H7發(fā)布之際，兆易創(chuàng)新就已經(jīng)為開發(fā)生態(tài)做了充足準備。自研的GD32 Eclipse IDE、GD32 All-In-One Programmer，及Arm KEIL、IAR、SEGGER等主流嵌入式開發(fā)工具均已適配。除此之外，針對高端應用場景，GD32正在聯(lián)合第三方提供更多的算法及中間件資源，包括信號處理、電機控制、圖形顯示(GUI)、語音識別和邊緣AI代碼等。與新品同步面市的還有多種開發(fā)板卡和學習套件，旨在借助這些生態(tài)資源進一步降低超高性能MCU的普及門檻，讓應用開發(fā)更加唾手可得。
GD32H759I-EVAL全功能評估板
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發(fā)利器，覆蓋更多目標市場和應用場景。
無人機和云臺等應用往更復雜精密的電機控制發(fā)展，也對MCU的性能提出了相對較高的要求。從這幾年推出的無人機產(chǎn)品表面參數(shù)來看，越來越多的廠商開始在無人機的成像性能和感知性能上發(fā)力。MCU在雙向通信的同時，需要處理更為復雜的姿態(tài)算法，實現(xiàn)電機的精確控制以保證無人機的穩(wěn)定運行。
MCU的處理性能足夠強才能滿足高端無人機IMU模塊的數(shù)據(jù)處理需求，并實現(xiàn)靈活的控制響應。比如測繪型無人機需要用到RTK高精度定位技術，引入更多相位數(shù)據(jù)的同時，也對實時姿態(tài)解算提出了更高的要求。
GD32H7憑借600MHz的主頻，超高的計算性能使其可作為大型無人機的主控。無論是512KB的超大緊耦合內(nèi)存，還是64KB的L1-Cache高速緩存，都保證了關鍵指令的實時執(zhí)行和更高的處理器效率。而內(nèi)置的濾波算法加速器FAC，則為無人機姿態(tài)解算常見的濾波算法提供了更高效和實時的數(shù)據(jù)處理能力。對于設計面積要求苛刻的無人機產(chǎn)品來說，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。
人機界面 (HMI)
隨著顯示技術的迅速迭代，智能家電、智能家居以及智慧城市等多種應用都開始引入智能化的HMI。語音、手勢、觸摸等多元化人機交互場景的出現(xiàn)，也推動新一代IoT產(chǎn)品中的MCU加速升級。
當前HMI對顯示效果的追求越來越高，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。在人臉識別、手勢識別以及語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、矢量圖形和視覺效果逐步加入到HMI界面中，對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，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GUI的需求，實現(xiàn)可定制的智能HMI。
數(shù)字化能源
“光儲充”一體化模式在數(shù)字電源領域持續(xù)火爆，也是數(shù)字信息技術、人工智能(AI)和光伏技術相融合的典型場景。作為逆變器核心元件的MCU已成為發(fā)揮系統(tǒng)最大效率的關鍵。光伏逆變器需要將光伏太陽能板產(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)。在這個過程中，為進一步提升硬件效率，提高采樣電路的精度至關重要。
GD32H7作為主控MCU可提供豐富的外設資源，包括4個32位通用定時器、12個16位定時器、4個64位/32位基本定時器、2個PWM高級定時器，以及2個采樣速率高達4MSPS的14位ADC和1個采樣速率高達5.3MSPS的12位ADC，精準生成PWM信號，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雜控制需求。
而儲能逆變器為了實現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換與流動，同樣需要利用復雜算法實現(xiàn)恒流、恒壓等控制，保證電網(wǎng)安全有效地運行，這也對主控MCU內(nèi)核的計算性能及硬件加速配置都提出了較高要求。
GD32H7的主頻高達600MHz，且內(nèi)置了獨立的DSP硬件加速器和雙精度浮點單元，以及TMU、FAC等硬件算法加速器，在滿足逆變器常見FFT、FIR等算法高效運行的同時，減輕了內(nèi)核負擔。而對于近年增長勢頭明顯的微型逆變器，以及單向并網(wǎng)光伏逆變器來說，之前主要采用DSP來實現(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用中可以看出，傳統(tǒng)通用MCU難以滿足邊緣AI日漸增長的算力要求。為了將更多的輕量級AI算法集成在嵌入式應用中，MCU必須從主頻、存儲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。
從性能來看，GD32H7的600MHz主頻可以保證在無需集成額外的硬件NPU的前提下，滿足邊緣側(cè)的AI算力要求。即便運行在非最大主頻下，仍可保證AI算法的精度。得益于先進的制造工藝，GD32H7集成了更多的硬件資源，包括硬件DSP、雙精度浮點FPU、三角函數(shù)TMU和濾波算法FAC等，這些硬件資源對于圖像處理等AI負載來說至關重要。
在內(nèi)存容量上，由于占用的資源和算力要求過高，常見的MobileNet或YOLO無法運行在MCU上。Edge Impulse為邊緣AI專門優(yōu)化了FOMO機器學習物體檢測算法，在算力和內(nèi)存需求上只有其它算法的1/30。FOMO有很強的可伸縮性，支持在Cortex-M7內(nèi)核的MCU上運行，物體檢測效率為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)計大量小物體。例如通過調(diào)高輸入的分辨率獲得更高的粒度和更多的細節(jié)，能夠快速清點攝像頭視野內(nèi)的蜜蜂數(shù)量。GD32H7配備的4MB Flash及1MB SRAM大容量內(nèi)存足以勝任這類負載，進一步簡化硬件成本，為嵌入式設備提供更多高級視覺功能。
同樣可以從中受益的工業(yè)AI應用還有預測性維護，基于傳感器狀態(tài)監(jiān)視、異常檢測等算法，將預測模型集成到其中。例如在前面提到的數(shù)字能源應用中，基于AI技術的智能拉弧檢測，能夠提前預判電弧的產(chǎn)生，并有效切斷并網(wǎng)開關，消除電弧，防患于未然。機器學習(ML)的智能化引入，使光伏逆變器不斷累積檢測出電弧的特征參數(shù)，從而優(yōu)化和提高識別電弧的能力，更精準可靠地檢測出真實電弧，保障變電安全。
隨著TinyML技術的發(fā)展，未來會有更多ML模型能在小內(nèi)存的MCU上運行，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AI算法提升工業(yè)應用智能化水平的同時，也能兼顧低延遲的實時處理和更精確的控制。
3GD32H7的象征意義
MCU是一個相當細分的賽道，廠商對高性能與低功耗的追求尚未止步。而超高性能MCU的目標應用尚屬藍海市場，兆易創(chuàng)新憑借GD32H7搶占先機，進一步加速對高端智能化應用領域的滲透。
GD32H7的面市對于MCU市場有著深遠的意義：作為中國首款M7內(nèi)核的旗艦級MCU產(chǎn)品，以極具競爭力的性價比優(yōu)勢持續(xù)鞏固兆易創(chuàng)新的市場領先地位。GD32H7為高端需求提供更豐富的開發(fā)選擇，支持復雜運算、AI和多媒體技術等創(chuàng)新場景，全面推進MCU在前沿領域的應用和普及。
——兆易創(chuàng)新產(chǎn)品市場總監(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)品未來將進一步拉動AI在邊緣側(cè)設備的覆蓋率。此外，未來產(chǎn)品還將集成TrustZone、Lockstep等安全技術，滿足更多高級應用的安全性要求。
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、光伏儲能、智能HMI等應用的飛速發(fā)展獻力。GD32H7不僅僅只是市場多樣化的一環(huán)，也是一個里程碑式的產(chǎn)品，昭示著中國MCU已正式邁入超高性能時代。
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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