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領域的未來發展動向。生態是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生態系統，Arm物聯網事業部業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生態系統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種開發板。而日前新發布的CMSIS v6版本更是增強了編譯器、軟件包和文檔的支持。

開發者資源和支持：Arm提供了豐富的開發資源，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的開發者網站，用戶可以輕松訪問這些資源。

合作伙伴生態：Arm與廣泛的硬件供應商、軟件供應商、系統集成商和教育機構合作，建立了一個強大的生態系統。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、性能優化和故障調試等功能，降低了開發的復雜性。

社區支持和協作：Arm鼓勵開發者之間的交流和協作，支持如Arm Community和論壇這樣的平臺，使開發者可以分享知識、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（集成開發環境）和 SDK （軟件開發工具包），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，以確保其MCU產品能夠支持最新的技術，包括 AI、機器學習、數字信號處理以及安全。

物聯網是MCU重要的應用場景之一，馬健介紹，隨著人工智能的快速發展、云原生DevOps開發方式在數據中心之外的迅速擴展、以及越來越多大規模的設備和計算的部署，這說明了物聯網行業來到了一個明顯的拐點——支持和管理潛在巨大規模的物聯網部署所需的必要技術已經達到了成熟的臨界點。物聯網規模的擴大和加速正在發生，它將驅動一個全新的經濟。而Arm廣大且深厚的生態系統正在支持這項發展。Arm的生態系統為開發者提供了一個體驗一致和無縫開發的基石——標準化，讓他們得以把時間花在創新上，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、行業認證標準、軟件生態賦能等方面，攜手生態伙伴為 MCU 生態帶來更加一致的安全性。在認證標準方面，Arm持續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，為全球物聯網開發者簡化了建立在 RoT 基礎上的物聯網安全開發。

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據在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、低功耗的物聯網終端以及更復雜的設備中實現隔離的可行選擇。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，有助于實現物聯網部署的安全基線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 (FuSa RTS)、軟件測試庫和Arm嵌入式編譯器，從而確保軟件開發者能夠輕松且一致地訪問和集成PSA Certified規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勢和架構上的提升。新一代的Armv8-M架構，提供了改進的執行效率和更好的異常處理，對于提高系統響應速度和可靠性至關重要?；贏rmv8-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據。這對于需要嚴格安全措施的應用至關重要，如物聯網和可穿戴設備。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，這簡化了系統設計，并可能降低整體系統成本。這些架構與內核微架構與設計上的提升對于MCU生態系統的影響主要包括：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。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字信號處理優化的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AI的能力。由于未來的MCU呈現出明顯的范連接與智能等趨勢，安全也就變的愈發重要。 Arm在以下方面持續投資，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系列處理器優化的神經網絡函數集合，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數據時。Arm TrustZone技術為AI應用提供了一個安全的執行環境，確保數據和模型的保護。

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汽車事業部亞太區高級市場總監鄧志偉介紹，面對汽車市場的需求，Arm提供了一系列創新舉措和技術，以滿足汽車行業日益增長的需求。首先，隨著汽車電氣/ 電子架構的轉變，包括ECU的合并和區域控制器的出現，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的數字化轉型。

同時，Arm在技術創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據和決策，并且在實時和安全的條件下運行。這項創新為汽車行業帶來了更多的可能性，使得汽車系統能夠更智能化、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，或者將多個區域控制器集成到同一硬件平臺上，以降低系統的復雜性，從而提高系統的效率和可移植性。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。這使得汽車系統能夠更好地應對復雜的實時需求，如ADAS（高級駕駛輔助系統）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為汽車系統提供了全面的安全保護，確保汽車系統免受安全威脅。此外，Arm還提供了功能安全支持，符合ISO26262標準，確保汽車系統在發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。

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

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系統支持，加速了汽車市場的產品開發周期與大幅降低物料成本。

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

（本文來源于《EEPW》2023.03）