Microchip入局！64位MPU市场竞争持续加剧
实时计算密集型应用（如智能嵌入式视觉和机器学习）正在推动嵌入式处理需求的发展，要求在边缘实现更高的能效、硬件级安全性和高可靠性。为此，Microchip Technology Inc.（微芯科技公司）日前面向工业、汽车、通信、物联网、航空航天和国防领域的智能边缘设计，发布了其64位 MPU中的首款产品PIC64GX，此举也使得Microchip成为“目前唯一还在积极投资于 8 位到 64 位 MPU和MCU嵌入式解决方案的制造商”。
64位异构计算解决方案
作为Microchip今年下半年发布的最为重要的产品，PIC64GX MPU采用了具有非对称多处理（AMP）和确定性延迟的64位RISC-V四核处理器，兼顾非对称多处理和实时确定性处理能力，是一款高度节能且支持Linux的处理器，可用作基于RISC-V ISA的创新中端嵌入式计算平台，完全满足中端智能边缘计算的需求。
Microchip公司FPGA业务部市场总监Venki Narayanan特别强调了“非对称多处理”的重大意义。他对《电子工程专辑》表示，安全嵌入式视觉和AI/ML这样的计算密集型应用正不断突破高能效计算的极限，它们需要位于同一个处理器子系统中，同时运行Linux®操作系统和实时功能等混合关键性应用工作负载。此外，这些应用还要求在智能边缘提供高性能、硬件级安全、安全引导和可靠性。
因此，为了满足这些要求，智能边缘应用可以利用能够在相同的同质处理器集群中运行Linux、实时操作系统(RTOS)和裸机代码的64位计算解决方案，也就是前文提及的AMP概念，更便于嵌入式系统设计人员加速实现从芯片到嵌入式生态系统的全面端到端解决方案。
Microchip公司FPGA业务部市场总监Venki Narayanan
PIC64GX MPU采用四核设计，运行频率为625 MHz，其RISC-V CPU微架构采用简单的5级单发射、顺序执行流水线，免受常见的无序计算机中存在的Meltdown和Spectre漏洞的影响。它包括五个与灵活的存储器子系统保持一致的RISC-V内核，允许在单个多核处理器集群中实现确定性实时系统和Linux的多种组合。此外，RISC-V MPU还具有内置的安全引导、创新的Linux和实时模式、大型L2存储器子系统以及丰富的嵌入式外设，为嵌入式开发人员提供了安全、节能的嵌入式计算平台的新选择。
而之所以在首款产品中选择RISC-V内核，Venki Narayanan表示主要原因有两个：(a).上市时间；(b).能够以最低的开发成本和最少的晶体管数量，提供一个使用同质应用级处理器集群的混合关键性系统解决方案。
“需要明确的是，PIC64GX是PIC64平台下计划推出的多个系列中的第一款产品，未来我们还会根据需要解决的问题支持其他ISA。为了加快市场推广，我们还利用了与PolarFire® SoC相同的微处理器子系统架构，这是一种自2022年就已上市的SoC FPGA。”他指出。
在回答“为何在设计中选择‘四’核方案？以及在实际应用中，计算资源具体是如何进行分配的？”问题时，Venki Narayanan解释说，混合关键性系统需要多个独立运行Linux® OS、RTOS和裸机代码的内核，因此必须拥有一个支持多工作负载的多内核集群。通过四核处理器加一个用于监视功能的第五核，客户可以在全部四个内核上运行SMP Linux或SMP RTOS(如Zephyr)。为了运行RTOS，可以将缓存行配置为紧耦合存储器，并进一步关闭分支预测，以实现实时性能所需的确定性延时。
而对于混合关键性应用，系统设计人员需要运行Linux操作系统来执行主机功能，并在同一处理器子系统中同时运行具有低延时和确定性延时的实时工作负载。
借助PIC64GX，开发人员现在可以根据需要分配计算资源。在多核处理器内，开发人员可以在单个芯片中完成确定性和非确定性计算任务，并获得按应用分配资源的额外优势。例如，开发人员可对系统进行划分，以在一个具有三个处理器内核的分区上运行SMP Linux，在具有一个处理器内核的另一个分区上运行RTOS，并将灵活的L2存储器划分为两个1MB的分区。一个1MB的L2分区分配给Linux分区作为L2高速缓存，另一个1 MB配置为运行RTOS的暂时存储器。
系统设计人员确定主机功能的吞吐量：他们希望实时工作负载的吞吐量是多少？他们需要多少存储器？诸如此类。借助PIC64GX，设计人员可按照实际需求做出决定，并以灵活的方式配置系统。
PIC64GX还支持广泛的操作系统、编译系统、驱动程序以及各种开源和商业工具，具体包括：
- Linux®编译系统，例如Yocto和Microchip Buildroot External
- Linux4Microchip包括引导加载程序、内核更新和针对Microchip器件的编译系统
- 与Canonical Ubuntu合作，对PIC64GX1000 Curiosity工具包进行预编程
- 开发工具：面向VS Code的MPLAB®扩展程序，用于在最常见的开发环境中进行编译、编程和基本调试
从8位到64位
与友商相比，Microchip布局64位MPU的时间相对较晚，因此打造出产品和方案的差异化竞争优势就十分重要。Venki Narayanan从两方面对此进行了解读：
差异化产品：如上所述，PIC64GX提供非对称计算能力以及防御级安全性，支持同质处理器集群中的图像处理流水线，可最大限度地减少晶体管占用空间，无需依赖会增加成本和复杂性的各种大型异构处理器集群。
此外，PIC64高性能航天计算（PIC64-HPSC）系列在AI加持的太空计算能力方面取得了巨大进步，覆盖了低地球轨道直至最恶劣的深空环境。2022年8月，美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA-JPL）宣布选择Microchip开发HPSC处理器，PIC64-HPSC系列代表着NSAS-JPL以及更广泛的防御和商业航空航天产业进入了自主空间计算的新时代。
得益于MPLAB®开发平台的高度普及，Microchip可以在8位至32位领域的嵌入式系统社区中持续发挥领导作用。数据显示，MPLAB平均每天启动高达5万次！鉴于如此庞大且忠诚的开发社区已经广泛使用Microchip计算解决方案，那么有理由认为，这个社区会非常乐于看到Microchip在产品组合中增加64位选项。为此，Microchip于6月25日宣布推出面向VS Code®的MPLAB扩展程序。这些扩展提供了一个无缝、灵活且高效的开发环境，全面支持基于Microchip的器件(包括64位处理器)的设计，可让开发人员根据应用需求，灵活迁移到性能更高的计算元件。
随着PIC64产品组合的推出，Microchip已经成为唯一一家积极开发全套8位、16位、32位和64位单片机和微处理器的嵌入式解决方案提供商。那么，这样“大而全”的布局能给行业带来哪些重大意义？
Venki Narayanan认为，首先，鉴于Microchip在智能边缘系统中的现有影响力涵盖了消费品、物联网、自动化、图像处理、汽车以及航空和防御领域，这些新的64位产品将在计算能力和产品多样化方面带来巨大的升级，而尝试满足的关键需求就是为这些混合关键性边缘系统增加实时智能。
其次，社区总是在寻找更多供应商来提供差异化的处理解决方案，最好的办法就是让Microchip这样成熟可靠的解决方案提供商进入市场。
最后，考虑到客户希望拥有一个硬件开发日益统一，并通过软件提供差异化的开发环境。如果能够围绕自己的处理平台提供全面的系统解决方案，那么客户将可以获得涵盖边缘系统中后传感器处理硬件所需的几乎所有内容的端到端硬件产品，包括连接、模拟、电源管理、安全、加速等，再加上强大的软件开发和应用层工具提供支持，这种“全面的系统解决方案”已经成为Microchip的系统级差异化优势。
MPU市场的下一步
Arm在2011年推出的Armv8架构就开始支持64位系统，并在2013年首次登陆手机。对比起来，MPU对64位系统的采用速度好像更慢一些，为什么会发生这样的现象？从32位到64位，还有哪些技术瓶颈需要突破？
Venki Narayanan对此的看法是，各个市场对嵌入式处理的性能要求正在增长，64位多核处理器必须能够满足这些需求。根据各种终端市场应用的需求，总是需要在成本、功耗和性能之间做出权衡。32位提供较低的总线宽度，因此半导体成本较低，晶体管数量较少(因此功耗较低)。随着计算需求的增加，设计人员需要根据这些权衡因素(功耗、成本、性能)提供多样化的解决方案。
“我们正在解决的关键趋势是为工业自动化、工业物联网和机器学习推理等应用领域的混合关键性系统增加实时、低延时、非对称的多处理能力。未来几个季度，我们将继续增加新的MPU解决方案和器件，从而以更强大的8位到64位产品矩阵来解决这些问题，它们涵盖从低级嵌入式系统控制到后传感器有效负载处理。”他说。
不过，近年来很多业内人士认为，“MCU和MPU之间的区别正变得越来越模糊”，一些厂商还开发了不少兼具MCU和MPU特点的产品，这会不会成为今后新的发展方向？
Venki Narayanan说在同一个嵌入式处理系统中集成MPU和MCU的多核解决方案的确是存在的，但是，它们在同一芯片内集成了独立的MPU和MCU子系统，两者具有独立的存储器和外设子系统。对比之下，PIC64GX可以提供具有大容量片上存储器的同质处理器架构，便于客户配置任何处理器内核来实现MCU功能，并根据其处理需求对存储器子系统进行分区，然后分配给MPU和MCU分区。
他同时也指出，“并非所有应用都需要同时具备MCU和MPU功能”。例如一些应用可能只需要低端单片机功能，不需要运行Linux主机功能，而另一些应用则需要中端到高端微处理器功能，这完全取决于应用场景，系统设计人员应当根据应用需求做出这些系统架构决策。
结语
长期以来，在8位、16位和32位嵌入式解决方案领域，Microchip提供了可满足各类计算需求的全面计算解决方案，以及包括存储器、电源管理、模拟功能和连接方案在内的全面系统解决方案。而新增的64位MPU产品组合则使Microchip进一步扩展了其计算范围，嵌入式设计人员将能够利用Microchip的端到端解决方案(从芯片到嵌入式生态系统)加快设计、调试和验证速度，缩短产品上市时间，以满足当今嵌入式设计的不断增长的需求。
