Arm：引领AIoT与车用MCU的未来

在32位MCU市场竞争中，基于Arm内核的MCU逐渐成为主流，目前大部分MCU 厂商的新产品均以Arm内核为基础，那么站在内核提供商角度，Arm怎么看待未来MCU的技术发展趋势呢，我们特别采访了两位Arm专家来畅谈Arm在通用MCU和汽车MCU领域的未来发展动向。生态是Arm核MCU越来越流行的重要因素，关于未来如何构建更具张力的MCU生态系统，Arm物联网事业部业务拓展副总裁马健表示，随着 Arm核在 32位MCU市场的占有率不断增加，Arm在 MCU生态系统建设方面的重点主要集中在以下几个方面。

平台的互操作性和标准化：自15年多前初步建立以来，CMSIS（通用微控制器软件接口标准）已发展成为一套API、软件组件、工具和工作流程。CMSIS 帮助所有使用Arm Cortex-M嵌入式开发者简化软件复用，加速项目构建和调试，从而缩短新应用程序上市的时间。

CMSIS支持超过45家芯片伙伴的10,000种独特设备，超过 80家CMSIS-Pack供应商的 1,100种不同包，以及500种开发板。而日前新发布的CMSIS v6版本更是增强了编译器、软件包和文档的支持。

开发者资源和支持：Arm提供了丰富的开发资源，包括详细的文档、学习指南和教程，帮助新用户快速上手。通过Arm的开发者网站，用户可以轻松访问这些资源。

合作伙伴生态：Arm与广泛的硬件供应商、软件供应商、系统集成商和教育机构合作，建立了一个强大的生态系统。这确保了Arm MCU的用户可以获得广泛的资源支持和服务。

开发和调试工具：Arm提供了包括Keil MDK和Arm Development Studio在内的一系列工具，通过代码开发、性能优化和故障调试等功能，降低了开发的复杂性。

社区支持和协作：Arm鼓励开发者之间的交流和协作，支持如Arm Community和论坛这样的平台，使开发者可以分享知识、经验和最佳实践。

易用性和可访问性：Arm通过提供易于使用的 IDE（集成开发环境）和 SDK （软件开发工具包），以及与Arduino和树莓派等流行的教育和制作平台的兼容性，进一步降低了入门难度。

技术前沿的投资：Arm不断投资于研究和开发，以确保其MCU产品能够支持最新的技术，包括 AI、机器学习、数字信号处理以及安全。

物联网是MCU重要的应用场景之一，马健介绍，随着人工智能的快速发展、云原生DevOps开发方式在数据中心之外的迅速扩展、以及越来越多大规模的设备和计算的部署，这说明了物联网行业来到了一个明显的拐点——支持和管理潜在巨大规模的物联网部署所需的必要技术已经达到了成熟的临界点。物联网规模的扩大和加速正在发生，它将驱动一个全新的经济。而Arm广大且深厚的生态系统正在支持这项发展。Arm的生态系统为开发者提供了一个体验一致和无缝开发的基石——标准化，让他们得以把时间花在创新上，而不是整合或解决不兼容的问题。而标准化必须涵盖物联网功能的基本要素，其中“安全”便是重中之重。

Arm从技术架构、行业认证标准、软件生态赋能等方面，携手生态伙伴为 MCU 生态带来更加一致的安全性。在认证标准方面，Arm持续推动安全性最佳实践的共同标准，如PSA Certified 与PARSEC 等。由 Arm 等公司牵头构建的PSA Certified 是一个全球项目，并积极地将安全最佳实践大规模地应用于设备。得益于安全框架和认证计划，PSA Certified为原本非常分散的市场带来了针对物联网安全解决方案的整合。PSA Certified对安全的信任根 (RoT) 的含义进行了标准化，目前已有近200个产品均采用了获取认证，为全球物联网开发者简化了建立在 RoT 基础上的物联网安全开发。

在 IP实践方面，Arm TrustZone在Cortex-M上的采用，可以保护敏感程序代码和数据在CPU中的硬件强制隔离。作为建立PSA-RoT的起点之一，它可在同一芯片内提供安全（可信）和非安全（不可信）区域。

TrustZone在2016年被添加到Cortex-M系列中，成为在简单、低功耗的物联网终端以及更复杂的设备中实现隔离的可行选择。Arm Cortex-M85与Cortex-M52均搭载 TrustZone技术，增强安全性。此外，它还包括了指针认证和分支目标识别 (Pointer Authentication and Branch Target Identification, PACBTI)，这一全新架构功能具备增强的软件攻击威胁缓解能力，有助于实现物联网部署的安全基线PSA Certified Level 2。

在软件赋能方面，Arm在提供卓越的硬件安全功能的同时，也为一些关键的开源软件项目做出了贡献，为安全工具和软件提供原生支持，例如Arm的功能安全运行时系统 (FuSa RTS)、软件测试库和Arm嵌入式编译器，从而确保软件开发者能够轻松且一致地访问和集成PSA Certified规定的关键基础安全功能，这些功能也充分利用了TrustZone等类似功能。

特别是随着整个应用对算力需求的不断提升，MCU内核在各个技术方向都面临越来越高的需求。马健表示，对比早期基于Armv6/7-M架构的Cortex-M内核，Cortex-M23/ M33/ M55/ M52/ M85这一系列基于Armv8-M架构的嵌入式处理器内核带来了以下主要优势和架构上的提升。新一代的Armv8-M架构，提供了改进的执行效率和更好的异常处理，对于提高系统响应速度和可靠性至关重要。基于Armv8-M架构的新内核提供了Arm TrustZone技术，这允许设备在物理硬件级别上隔离安全和非安全代码和数据。这对于需要严格安全措施的应用至关重要，如物联网和可穿戴设备。新一代Arm Cortex-M内核的设计更加模块化，能够适应更广泛的应用需求，并允许更灵活的配置，以适应不同的性能和功耗要求。这些新内核通常集成了更多的功能，如更好的定时器、串行通信接口和更高级的调试功能，这简化了系统设计，并可能降低整体系统成本。这些架构与内核微架构与设计上的提升对于MCU生态系统的影响主要包括：增强的安全性能、边缘计算的大力推动、更广泛的应用范围，以及更敏捷快速的芯片及软硬件开发。通过这些提升，Arm新一代内核正在推动MCU市场朝着更强的智能、更高的性能、更低的功耗和更可靠的安全性方向发展。

AI应用越来越普及，边缘侧AI 的应用成为未来高端MCU研发必须具备的能力。马健介绍，Arm拥有种类丰富的边缘 AI产品组合。Cortex-M52、Cortex-M55和Cortex-M85内核不仅提升了标量计算的性能，更是加入了Arm Helium技术。Helium 是一种专为机器学习和数字信号处理优化的M-系列向量处理扩展，可提高MCU对AI/ML负载的处理效率，同时降低了能耗, 这使得它们可以支持更智能的应用和服务，从而满足AI时代人们对物联网日渐增长的需求。这些产品在与可增加150条新标量和矢量指令的 Arm Helium搭配使用时，其AI性能将得到大幅提升，并可为低功耗嵌入式设备的数字信号处理(DSP)和机器学习(ML)应用带来显著的性能提升。

在AI的科技热潮下，物联网领域也迎来“万物皆智能”的需求，真正落实 AIoT 的场景。在这个背景下，市场期望能以最低的成本将机器学习功能部署到更小、对成本更敏感且通常由电池供电的嵌入式设备中，而作为驱动此类设备的MCU便被赋予实现AI的能力。由于未来的MCU呈现出明显的范连接与智能等趋势，安全也就变的愈发重要。 Arm在以下方面持续投资，增强各种应用对AI MCU的需求。

Arm凭借搭配Arm Helium技术的Cortex-M55、Cortex-M85以及新推出的Cortex-M52，显著增强了嵌入式CPU处理器对数字信号处理（DSP）和机器学习（ML）的支持。这些处理器专为低成本和能效而设计，适用于运行简单的机器学习模型。Arm为这些MCU提供了专门的软件库，如CMSIS-NN（神经网络库），这是一套为Arm Cortex-M系列处理器优化的神经网络函数集合，专门用于加速机器学习应用。

Arm推出了专为机器学习推理而设计的微型NPU（神经网络处理单元），如Ethos-U55和Ethos-U65，这些专用的NPU能够为Cortex-M和Cortex-A系列处理器提供进一步的AI加速。

安全性和隐私：安全性是Arm重点关注的功能之一，特别是在处理敏感的AI数据时。Arm TrustZone技术为AI应用提供了一个安全的执行环境，确保数据和模型的保护。

这些Arm软硬件产品与技术为合作伙伴提供所需的安全高效的AI计算性能，从而满足AI时代人们对物联网日渐增长的需求。

除了AI应用之外，汽车电子是MCU另一个重要的应用市场，Arm汽车事业部亚太区高级市场总监邓志伟介绍，面对汽车市场的需求，Arm提供了一系列创新举措和技术，以满足汽车行业日益增长的需求。首先，随着汽车电气/ 电子架构的转变，包括ECU的合并和区域控制器的出现，以及对安全性、功能安全和实时性的需求增加，Arm提早布局针对性地推出了一系列解决方案。

Arm的汽车微控制器（MCU）解决方案涵盖了从低功耗到高性能的完整产品组合，以应对不同应用场景的需求。这些MCU基于最新的CPU架构， 如Armv8-M、Armv8.1-M 和Armv8-R，具有更高的性能和更低的功耗，能够满足汽车系统对实时性、可靠性和安全性的苛刻要求。这些产品的推出，有力地支持了汽车电气/ 电子架构的演进和汽车行业的数字化转型。

同时，Arm在技术创新方面也取得了重要进展。例如，通过Helium矢量扩展技术，Arm为Cortex-M85系列MCU带来了机器学习能力，使MCU 能够更好地处理复杂的数据和决策，并且在实时和安全的条件下运行。这项创新为汽车行业带来了更多的可能性，使得汽车系统能够更智能化、更高效地运行。

Arm还在汽车电气/ 电子架构的演进方面提供支持。其中，Cortex-R52+处理器是Arm在汽车领域的关键产品之一，具有高度可靠的性能和实时特性。它配备了Arm的虚拟化技术，使得不同的应用程序可以在同一硬件平台上运行。这项技术的引入，使得汽车系统更加灵活且可管理。通过虚拟化，车厂可以将多个ECU合并为一个，或者将多个区域控制器集成到同一硬件平台上，以降低系统的复杂性，从而提高系统的效率和可移植性。Cortex-R52+处理器还支持多核技术，可以同时运行多个实时任务，并提供硬件支持来保证任务的安全性和可靠性。这使得汽车系统能够更好地应对复杂的实时需求，如ADAS（高级驾驶辅助系统）和自动驾驶技术中的功能安全岛。

在安全性方面，Arm一直致力于为汽车行业提供全面的安全解决方案。通过PSA Certified认证和ISO21434标准，Arm为汽车系统提供了全面的安全保护，确保汽车系统免受安全威胁。此外，Arm还提供了功能安全支持，符合ISO26262标准，确保汽车系统在发生故障时仍能够安全运行。这些安全解决方案的推出，为车厂提供了可靠的安全保障，帮助他们应对不断增长的安全挑战。

最后，Arm还开发了专为汽车行业定制的MCU混合原型板，为ECU和区域控制器的快速原型开发带来更高的便利性。这些原型板具有高度灵活性和可扩展性，使开发人员能够更好地分析工作负载并开发应用程序。

与此同时，这些原型板还带有预建的AUTOSAR，也能够藉由软件迁移指南轻松适应处理器架构的变化，并受到完善的软件生态系统支持，加速了汽车市场的产品开发周期与大幅降低物料成本。

综上所述，Arm通过持续的技术创新和解决方案的推出，为汽车行业提供了全面的MCU解决方案，满足了市场的不断变化和增长的需求。Arm将继续与客户合作，推动汽车行业的创新发展，共同应对未来的挑战和机遇。

（本文来源于《EEPW》2023.03）