從兆易創(chuàng)新剛發(fā)布的兩顆芯片，洞悉國產(chǎn)MCU的技術(shù)實力

來自O(shè)mdia的數(shù)據(jù)，自2020年以來MCU微控制器的應(yīng)用方向中，工業(yè)和汽車已經(jīng)成為其市場價值的絕對大頭，而且也是未來幾年成長最快的應(yīng)用方向——尤其是工業(yè)市場。工業(yè)作為MCU的基本盤。預(yù)計到2028年， 32位MCU的市場規(guī)模會達到將近70億美金，復(fù)合年增長近6%。

作為中國大陸MCU芯片市場的領(lǐng)軍者，兆易創(chuàng)新在工業(yè)領(lǐng)域的布局頗為深入。近期，兆易創(chuàng)新新品發(fā)布會上重磅推出了EtherCAT從站控制芯片和基于Cortex-M33的GD32G5系列MCU，就很能體現(xiàn)兆易創(chuàng)新加大工業(yè)自動化與數(shù)字能源方向的投入思路。

在發(fā)布會的媒體交流環(huán)節(jié)中，兆易創(chuàng)新CTO、MCU事業(yè)部總經(jīng)理李寶魁特意指出：“我們在定義MCU產(chǎn)品之初，就與工業(yè)自動化領(lǐng)域的頭部客戶進行了深入的交流，力求精準把握他們的需求。在研發(fā)階段，我們同樣高度重視產(chǎn)品的性能、算力、功耗以及安全性等多個方面，以確保最終的產(chǎn)品能夠完全符合客戶的期望。”

借著這些新品的發(fā)布，我們多少能窺見兆易創(chuàng)新拓展工業(yè)MCU市場的方式，以及在上有國際一線大廠、下有新入局的一眾國內(nèi)企業(yè)激烈競爭的情況下，兆易創(chuàng)新對于MCU產(chǎn)品的態(tài)度和思考。

發(fā)布兩顆EtherCAT從站芯片

前不久的慕尼黑上海電子展上，我們就見到過兆易創(chuàng)新展示的EtherCAT伺服從站方案——當時的方案基于GD32H7 MCU，EtherCAT從站控制器（以下簡稱ESC）還來自三方。在現(xiàn)如今的伺服與變頻器應(yīng)用場景內(nèi)，EtherCAT大約已經(jīng)占到六成以上的份額。

而這次，兆易創(chuàng)新不僅發(fā)布了自家的ESC，型號GDSCN832；還推出了集成了ESC的新型GD32H7系列產(chǎn)品GD32H75E。

上面這張圖展示了GDSCN832，也就是ESC芯片的系統(tǒng)框圖。它一側(cè)通過以太網(wǎng)物理層完成EtherCAT實時通信，另一側(cè)通過高速數(shù)據(jù)接口與FPGA或MCU進行實時數(shù)據(jù)交互，藉由I2C可連EEPROM。這顆芯片本身集成了3個網(wǎng)絡(luò)端口，除了常見的環(huán)網(wǎng)，也可以實現(xiàn)其它多種多樣的組網(wǎng)方式。內(nèi)部集成的PHY可以選擇直接使用，或者跳過并使用外部器件，如兆易創(chuàng)新產(chǎn)品市場總監(jiān)李懿所說，將設(shè)計和BOM的靈活性留給客戶。

GDESC832包含了8個Sync Manager, 8個FMMU，64位分布式時鐘，及高速而多樣的數(shù)據(jù)通信接口，包含QSPI/OSPI/EXMC等；集成PMU（集成1.1V內(nèi)核穩(wěn)壓器，支持單3.3V電源工作；支持1.8V-3.3V可變電壓I/O），也能簡化客戶的電路設(shè)計及研發(fā)流程。

這款產(chǎn)品的資源配置與接口速率，相較于主流產(chǎn)品均有同步量化提升；同時緊貼應(yīng)用，杜絕無用的片上資源浪費，確保了最佳性價比。對于典型的伺服驅(qū)動器等終端產(chǎn)品形態(tài)，可以整體提高數(shù)據(jù)處理的并行度和傳輸速率，增強配置的靈活性，從而實現(xiàn)更為復(fù)雜的運動控制。

另一款是集成了ESC的GD32H75E MCU。MCU部分自然是繼承了GD32H7的高性能傳統(tǒng)，采用Cortex-M7核心，主頻達到了600MHz。李懿還特別強調(diào)了是RAM ECC常開時可以達到600MHz，并支持高達512KB TCM，在國際上也是領(lǐng)先水平；片上的大容量1MB SRAM包含512KB TCM和512KB共享SRAM兩部分，F(xiàn)LASH也同樣高達4MB。

ESC子系統(tǒng)同樣包含了2個工業(yè)級百兆以太網(wǎng)PHY。

其它的主要片上資源還包括3x CAN-FD, 2x USB，高性能數(shù)字濾波器HPDF用于接入外部Σ-Δ ADC，EDOUT（編碼器分頻輸出控制器），以及強大的14bit ADC, 12bit DAC, 比較器等

這顆芯片將超高算力MCU、 ESC、 PHY、大容量內(nèi)存、安全機制、及豐富的外設(shè)資源集成到一起，優(yōu)勢顯然在于大幅縮減了PCB尺寸、降低板級系統(tǒng)成本，減少了系統(tǒng)總功耗。理想情況下，上述各指標均可以降低至一半甚至更多。

此外，各模塊在芯片架構(gòu)上緊密連接耦合，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，降低延遲，提高系統(tǒng)實時性。對于緊湊型伺服控制器和機器人等應(yīng)用尤其有價值等緊湊型應(yīng)用尤其有價值。李懿認為工業(yè)自動化未來的一大方向就是小型化和高集成度，“我們將最值得集成的部分集成進來，并且同時兼顧性能、成本和BOM靈活性等因素，用一個MCU的成本去解決一個系統(tǒng)大部分的問題，大家就更有動力去做設(shè)計和創(chuàng)新。”

尤為值得一提的是，兆易創(chuàng)新GD32H7 獲得了TUV認證的IE61508功能安全證書，“走在業(yè)界前面”，對于超高性能Cortex-M7系列產(chǎn)品，甚至相比大部分國際競品都做得更多更細。

功能安全交付包十分完整，包含硬件，軟件，文檔等各類安全要素。硬件上，該產(chǎn)品支持內(nèi)存ECC, Watchdog, 供電電壓監(jiān)測, 內(nèi)部溫度傳感器檢測, 內(nèi)存保護單元等

對應(yīng)的核心與內(nèi)存STL（self-test library）方面針對CPU, SRAM, Flash提供整套軟件診斷解決方案，檢測硬件失效；在安全應(yīng)用層協(xié)議棧方面，“將FSoE協(xié)議棧適配到我們的標準EVK上”，還有更多安全/冗余協(xié)議棧正在開發(fā)適配中。

信息安全方面也明確了代碼保護、安全啟動、安全調(diào)試、TRNG、eFuse、硬件加密算法及安全生命周期管理等組成部分。李懿在此強調(diào)兆易的信息安全方案原則是“足夠，但不過度”，確保“契合應(yīng)用”、易用，并保證產(chǎn)品的性價比；而不是像其它產(chǎn)品過度堆砌安全特性，不僅無謂提高成本，而且大幅提高客戶開發(fā)難度和周期。 

至于配套的生態(tài)開發(fā)資源，這已經(jīng)是兆易創(chuàng)新多年積累的強項了，在此不做贅述。

GDSCN832開發(fā)板

面向能源市場的GD32G5系列

除了EtherCAT從站芯片，兆易本次發(fā)布會的另一個重頭戲是GD32G5系列芯片——具體為GD32G553。GD32G5系列實際是對2020年發(fā)布的GD32E5系列的迭代。其典型目標市場包括服務(wù)器電源、微型逆變器、直流充電樁、UPS等。

GD32G553所用的內(nèi)核為Cortex-M33，主頻216MHz，128KB SRAM也囊括了特別面向內(nèi)核的TCM（32KB），flash資源給到512KB。為增強數(shù)學(xué)運算能力，這顆MCU特別配了TMU, FAC和FFT加速器——據(jù)說TMU相較上代產(chǎn)品特別提升了效率；后兩者則是G5系列新增的。

增強Timer主要體現(xiàn)在靈活高精度HRTIM, 相比上代產(chǎn)品支持更多PWM（16chs），可覆蓋更多復(fù)雜拓撲；145ps分辨率——兆易創(chuàng)新資深產(chǎn)品經(jīng)理劉璐介紹說，相比上代的90ps，這個值是在與諸多客戶溝通后所做的調(diào)整，兼顧成本和性能；此外，支持更靈活的發(fā)波模式，以及外部事件及故障輸入強化...

圖中的3x24通道增強高級定時器，作為拓展PWM的一部分，劉璐在演講中提到團隊發(fā)現(xiàn)即便是16chs對某些客戶而言仍然不夠用，所以兆易為此應(yīng)用推薦客戶使用了“3個獨立計數(shù)的ADTIM，總共24chs”，支持4.6ns分辨率，支持互補、前后死區(qū)、故障剎車，以及非對稱模式實現(xiàn)移相等。

這些也構(gòu)成了G5實現(xiàn)功率控制關(guān)鍵技術(shù)之一：更為出色的發(fā)波控制。

數(shù)字外設(shè)方面，G5支持4個CLA可編程陣列，1個高速Q(mào)SPI，DDR模式下最高支持到200MHz——相比很多競品的數(shù)據(jù)吞吐率領(lǐng)先2倍以上，滿足高速擴容需求；

模擬外設(shè)的增強，則令其模擬資源非常豐富，4個12bit 5.3Msps ADC, 8個比較器, 4個總共8通道DAC，也支持外部Σ-Δ調(diào)制器的高性能濾波器。這部分的配置，也在于強調(diào)功率控制的另一個關(guān)鍵技術(shù)：感測——劉璐特別提到這些資源在數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護、輔助發(fā)波方面的優(yōu)勢，由于篇幅限制，此處不做贅述。

功能安全與信息安全方面涵蓋諸多常見方案，尤其功能安全，“明年Q1我們會提供完整的safety package，實現(xiàn)系統(tǒng)級SIL2的功能安全目標”。

在產(chǎn)品可靠性方面，尤為值得一提的是更寬的溫度范圍（-40~135℃），相比此前工業(yè)級產(chǎn)品的最高結(jié)溫125℃也有了提升。另外，除了兆易自有失效分析實驗室能夠及時響應(yīng)和定位問題；產(chǎn)品本身的可靠性測試結(jié)果普遍優(yōu)于競品；而且兆易還特別提供基于mission profile的產(chǎn)品壽命計算模型，用戶可以據(jù)此來做計算。

開發(fā)生態(tài)及資源同上述EtherCAT從站芯片所具備的優(yōu)勢，也不再另行介紹。

GD32G5評估板

有關(guān)GD32G5系列，值得額外花筆墨的，除了劉璐介紹中提及其功率控制的兩大關(guān)鍵技術(shù)：發(fā)波控制、感測，還有個部分即信號處理——“也是客戶最關(guān)心的”。

劉璐將這款MCU與DSP做了比較。針對Arm架構(gòu)MCU原本存在信號處理上的短板，GD32G5主要做了三方面的強化，前文多少都已經(jīng)涉及。其一是緊耦合CPU的RAM + 0等待系統(tǒng)SRAM；其二高主頻+高優(yōu)先級中斷串行處理運算；另外就是包括FPU, MAC, 和通用DSP指令的加速，“架構(gòu)上設(shè)計針對特定應(yīng)用數(shù)學(xué)加速模塊”。

如此一來，在達成簡易開發(fā)優(yōu)勢前提下，也總體降低了系統(tǒng)成本，并且滿足了信號處理的要求。這里也放上幾張兆易公開的算力對比圖，不僅是相比Arm架構(gòu)競品，也與DSP進行了對比：

切入高門檻的工業(yè)應(yīng)用

從這兩款產(chǎn)品的發(fā)布，我們是能夠窺見兆易創(chuàng)新在MCU產(chǎn)品與技術(shù)上的領(lǐng)先性，但這只是拿下更多工業(yè)應(yīng)用的一方面。數(shù)字能源與工業(yè)自動化都是比較高門檻的工業(yè)應(yīng)用，兆易創(chuàng)新MCU事業(yè)部產(chǎn)品市場總監(jiān)陳思偉在媒體交流環(huán)節(jié)中也強調(diào)，這個領(lǐng)域的客戶通常不會輕易更換MCU產(chǎn)品。“我們針對這類高門檻工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品和市場策略主要分三個部分”， 陳思偉提到，（1）產(chǎn)品的高品質(zhì)、差異化，和絕對領(lǐng)先。 “這就要靠我們?nèi)ド羁汤斫饪蛻舻膽?yīng)用和需求”，定義規(guī)劃差異化的產(chǎn)品，解決客戶應(yīng)用的痛點。

（2）多產(chǎn)品協(xié)同。除了MCU，我們在存儲、電源、信號鏈、傳感以及功率器件上也有布局，通過MCU和周邊關(guān)鍵器件的協(xié)同，增強我們跟客戶的合作價值，提升客戶粘性，幫客戶解決關(guān)鍵器件選擇和國產(chǎn)化替代的問題。

兆易創(chuàng)新本身已經(jīng)有flash, sensor, PMU相關(guān)產(chǎn)品，對于暫時未能自給自足的部分，兆易創(chuàng)新通過“戰(zhàn)略合作”的方式進行了有效的補充。在此方面，李寶魁講到，公司正依托自身強大的產(chǎn)品和技術(shù)基礎(chǔ)，與合作伙伴緊密結(jié)合，共同打造出一系列完整、可靠的解決方案。這些解決方案不僅顯著提高了客戶的粘性，還極大地減輕了客戶在選型過程中的投入”。

（3）“持續(xù)推出滿足客戶需求并對客戶有價值的可商用的解決方案，幫客戶節(jié)省開發(fā)時間，減少平臺導(dǎo)入的研發(fā)投入，降低平臺導(dǎo)入的可行性風(fēng)險，同時我們的方案也能增加客戶產(chǎn)品的競爭力，給客戶的產(chǎn)品帶來額外的價值。

基于本文所述重點在MCU產(chǎn)品與技術(shù)本身：這其中值得展開的就在兆易創(chuàng)新MCU所謂的“差異化”與“絕對領(lǐng)先”。幾乎所有MCU企業(yè)都在談“差異化”，但真正做出了差異化，或能夠談差異化細節(jié)的屈指可數(shù)。這種“差異化”也是兆易創(chuàng)新MCU產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域全面開花的基礎(chǔ)。

從這個角度來看，兆易創(chuàng)新的研發(fā)資源與投入，覆蓋的技術(shù)廣度與深度，自主研發(fā)到自有檢測全流程覆蓋，其自有檢測能力通過專門的測試團隊和設(shè)備實驗室做開發(fā)測試方案，從而保障端到端質(zhì)量，同時建立了靈活魯棒的供應(yīng)鏈體系，再到產(chǎn)品線布局與產(chǎn)品質(zhì)量表現(xiàn)等優(yōu)勢項，都是李寶魁在主題演講中特別提到的：”我們認為，其中特別值得深究的，在技術(shù)深度和質(zhì)量保障兩方面。”

虛擬IDM：技術(shù)與質(zhì)量

從技術(shù)深度的角度來看，李寶魁將兆易創(chuàng)新和普通芯片設(shè)計公司，從工藝開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、制造生產(chǎn)和封裝測試四個方面做了比較。

兆易創(chuàng)新采用一種名為“虛擬IDM”的模式，以fabless的角色，同時“深挖芯片封裝與制造”。對于半導(dǎo)體成熟制造工藝領(lǐng)域來說，普通的設(shè)計公司是不需要關(guān)心制造工藝細節(jié)的：晶圓廠提供設(shè)計規(guī)則和器件模型，設(shè)計公司基于此做對應(yīng)的芯片設(shè)計。

但兆易創(chuàng)新“有專業(yè)團隊和晶圓廠共同開發(fā)、定義工藝節(jié)點”，達成了工藝開發(fā)和設(shè)計的結(jié)合，采用“自有DFM, DFR規(guī)則”；對應(yīng)的到std cell標準單元庫層面，兆易創(chuàng)新也能使用自研的std cell，做“大量定制化模塊”。

李寶魁介紹，“在產(chǎn)品設(shè)計方面，一般的設(shè)計公司通常是使用晶圓廠提供的標準單元和標準IP來做開發(fā)，但是兆易創(chuàng)新會大量使用自研的標準單元，來保證我們產(chǎn)品具有相對性的優(yōu)勢；在生產(chǎn)制造方面，普通的芯片設(shè)計公司往往是把相關(guān)的制造交給晶圓廠，交給封測廠。但是兆易創(chuàng)新會做到與晶圓廠共同制定產(chǎn)線的監(jiān)控計劃，我們會監(jiān)控晶圓的生產(chǎn)以及晶圓生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，然后負責相關(guān)產(chǎn)品的良率、可靠性，還有品質(zhì)；在封裝測試方面，我們有全套的測試方案，都是兆易創(chuàng)新自己開發(fā)的，包括調(diào)試都可以在我們自己的實驗室里進行，可以極大確保產(chǎn)品的良率和可靠性，保障我們交給客戶的每一個產(chǎn)品都是質(zhì)量過硬的產(chǎn)品。”

而兆易創(chuàng)新質(zhì)量部副總裁楊新民對這一模式進行了更多的補充，他提到foundry代工廠和OSAT封測廠對芯片設(shè)計公司而言是黑盒子，“如果不打開這個盒子，我們很難去做管理”，這是兆易創(chuàng)新選擇構(gòu)建“虛擬IDM”模式的起因，“將設(shè)計和foundry重新縫合起來”。而打開“黑盒子”，不僅有利于做技術(shù)差異化，而且便于質(zhì)量管控。

基于所謂COT（customer owned technology，這里的customer應(yīng)該是指foundry的customer）模式工藝開發(fā)，在器件和單元層面的定制，令兆易創(chuàng)新的芯片相比競爭對手具備PPA方面的絕對優(yōu)勢，而且在設(shè)計效率和安全可靠性方面也更優(yōu)。

楊新民舉了個例子，“我們在40nm上做了不少努力，通過自研標準單元庫IP，芯片整體功耗降低了65%；定制我們自己的設(shè)計規(guī)則，可靠性要求高的，（工藝）進行縮緊，可靠性要求沒那么高，則工藝適當放松；模擬IP方面，我們也能通過定制做到IP更可靠；還有自研SRAM IP，將高密度SRAM面積縮減15%...”

虛擬IDM達成了芯片更高的性價比，更出色的PPA。在國產(chǎn)MCU領(lǐng)域，兆易創(chuàng)新大概是為數(shù)不多的有技術(shù)實力和出貨量執(zhí)行這一模式的芯片企業(yè)。這種虛擬IDM模式，還是讓我們感覺耳目一新的。

從質(zhì)量保證的角度來看，兆易創(chuàng)新有一套“ZD”（零缺陷）雙輪驅(qū)動方案。這套邏輯強調(diào)兆易創(chuàng)新和供應(yīng)商共同推進質(zhì)量管理體系。執(zhí)行到目前這一階段，預(yù)期達成“Zero MO與Zero RMA”；從2027年起的下一階段，則要實現(xiàn)預(yù)測型質(zhì)量管理，在失效前就偵測到問題并實現(xiàn)攔截。

為了實現(xiàn)“零缺陷”的目標，兆易創(chuàng)新規(guī)劃了“端到端質(zhì)量保障”的實施方案。即使制造質(zhì)量的把控對fabless而言相對缺少主動權(quán)，兆易創(chuàng)新期望把設(shè)計質(zhì)量和測試質(zhì)量都掌握在自己手里，“同時給工藝（制造）留出余量”，這就要求兆易創(chuàng)新有能力偵測供應(yīng)鏈的質(zhì)量問題。

上面這張圖給出了實施此方案的層級邏輯，包括感知層少見設(shè)計企業(yè)會有的MES系統(tǒng)；以及控制層的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)——做異常偵測的同時，就能改善良率；而在管理層上，QMS確保在大數(shù)據(jù)工具上偵測到異常做追溯，形成閉環(huán)。

尤為值得一提的是，此間為達成質(zhì)量管控的全面數(shù)字化，并及時掌握封測數(shù)據(jù)（包括封裝廠的數(shù)據(jù)），兆易創(chuàng)新甚至?xí)檫@些工廠做數(shù)字化賦能，“我們不會向工廠收費，工廠也很歡迎這套系統(tǒng)”。最終能夠做到及時的質(zhì)量告警、發(fā)現(xiàn)異常并做出響應(yīng)。不得不說，在國內(nèi)的確幾乎看不到將技術(shù)深度與質(zhì)量管控做到這個程度的MCU企業(yè)。

有關(guān)MCU累計出貨量19億顆、2萬+客戶之類的數(shù)據(jù)大約已經(jīng)無需贅言。面向國內(nèi)，“能源電力、工業(yè)自動化、汽車、家電等領(lǐng)域的芯片國產(chǎn)化率目前還是非常低的。”李寶魁在采訪中談到，“我認為兆易是本土廠商中的頭部，國產(chǎn)替代就是我們的機遇，也是我們的使命。”

與此同時，走向海外，兆易創(chuàng)新也構(gòu)建起了一整套海外供應(yīng)鏈，“我們做了4、5年的供應(yīng)鏈準備，從供應(yīng)鏈到研發(fā)、銷售”。李寶魁預(yù)期未來海外市場的MCU營收占比還會增加，即便將遭遇更多的挑戰(zhàn)，兆易創(chuàng)新也有信心邁向更大的市場。