未來通用MCU的方向是什么？

從2007年發(fā)布STM32家族首款芯片——STM32F1以來，ST就開始了在通用MCU領(lǐng)域的傳奇之旅。從2013年10億，2020年60億，到現(xiàn)在的110億，STM32的累積出貨量攀升地越來越快。而究其成功的背后原因，正是因為其每一代的產(chǎn)品定義都完美契合了當(dāng)時當(dāng)下的行業(yè)需求，并且在產(chǎn)品的數(shù)次迭代過程中，延續(xù)了一致的開發(fā)環(huán)境，并且伴隨著一路積累，整個STM32生態(tài)越發(fā)繁盛。

在2023年，通用MCU已經(jīng)不再是簡單的一通百用，幾個大的細(xì)分賽道也有足夠大的量來支撐其通用MCU的差異化發(fā)展。而什么樣的MCU才是未來行業(yè)應(yīng)用趨勢是什么樣的？什么樣的MCU才能滿足未來應(yīng)用發(fā)展需求？如何打造一個具備生命力的MCU生態(tài)，使其具備多樣性和成長性？這些問題，我們都在2023年STM32峰會上找到了答案。

AI在邊緣端部署

對于未來的MCU而言，最為重要的應(yīng)用趨勢來自AI在邊緣端的下沉部署。如何在邊緣端的能耗要求上，在相對較小資源的MCU和MPU上實現(xiàn)AI算法部署？這更要求在端側(cè)具有更強(qiáng)的軟硬件融合能力，并且能夠簡化AI算法的部署，讓沒有AI算法經(jīng)驗的MCU應(yīng)用工程師也能輕松上手。對于ST而言，從2017年就開始了對于AI和MCU結(jié)合的探索，此次峰會上預(yù)發(fā)布的業(yè)界首款集成NPU的MCU——STM32N6，將會是布局邊緣AI的一個重要的產(chǎn)品方向。

【STM32N6】MPU級的AI性能，MCU級的功耗和成本

據(jù)悉STM32N6采用了Arm Cortex-M55內(nèi)核，內(nèi)部集成了ISP和NPU，可以提供卓越的機(jī)器視覺處理能力和AI算法部署。其中NPU單元并不是來自Arm發(fā)布M55時配套的U55的NPU核，而是ST自己研發(fā)的NPU IP——Neural-Art加速器。這既有利于其實現(xiàn)授權(quán)成本降低，提高最終客戶端的產(chǎn)品價格競爭力；同時也能夠讓ST自主把控在這一NPU IP上進(jìn)行迭代升級的節(jié)奏。

意法半導(dǎo)體微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部(MDG)總裁 Remi El-Ouazzane表示，對于STM32N6來說，之所以沒有像通常的STM32那樣發(fā)布STM32N6，也是因為它是一種非常新穎的MCU。事實上，它也是第一款集成了ISP和神經(jīng)處理單元的MCU。ST內(nèi)部已經(jīng)有了一個關(guān)于Neural-Art加速器的路線圖，這個路線圖也將基于ST的內(nèi)部處理器和不斷發(fā)展的數(shù)字處理器，ST已經(jīng)有一個清晰的未來5年的完整路線圖。

圖：意法半導(dǎo)體微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部(MDG)總裁 Remi El-Ouazzane

據(jù)意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、通用微控制器子產(chǎn)品部總經(jīng)理 Ricardo De-Sa-Earp分享，從去年9月份開始，ST已經(jīng)開始向部分潛在客戶提供STM32N6樣品，今年下半年將會繼續(xù)擴(kuò)大樣品提供范圍。而STM32N6之后，未來在STM32MP2上也會專門配備Neural-ART加速器。邊緣人工智能在整個行業(yè)發(fā)展中將會成為一個非常重要的方向。

【Cube.AI】邊緣AI，軟件端是關(guān)鍵

對于MCU和AI的結(jié)合而言，相比以往的通用MCU，軟件端的價值變得更大。Cube.MX讓STM32的開發(fā)變得更加高效便捷，而對于邊緣AI的開發(fā)和部署，Cube.AI對于MCU應(yīng)用工程師的意義更大，它能夠打通AI算法和MCU應(yīng)用之間的屏障，讓實際的AI邊緣端應(yīng)用更加豐富。

“人工智能永遠(yuǎn)不是只關(guān)注硬件產(chǎn)品，人工智能更加關(guān)注的是軟件端，軟件端是關(guān)鍵。”Remi分享到。

通過Cube.AI，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需求來進(jìn)行模型的搭建，將標(biāo)準(zhǔn)AI工具創(chuàng)建的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行高度優(yōu)化，優(yōu)化到適合MCU資源級別的C代碼，使開發(fā)者的邊緣AI算法可以最終得以執(zhí)行和落地。此外，開發(fā)者可以使用ST低代碼工具NanoEdge AI Studio，獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)科學(xué)解決方案的加持。因此無需經(jīng)過陡峭的AI技能和數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)曲線，就可以直接構(gòu)建邊緣AI應(yīng)用。

在今年年初，ST還發(fā)布了首個云端的MCU AI開發(fā)者平臺——STM32Cube.AI 開發(fā)者云，幫助開發(fā)者進(jìn)一步加速邊緣AI開發(fā)流程。據(jù)Ricardo分享，通過該平臺，開發(fā)者可以學(xué)習(xí)了解如何在特定的應(yīng)用場合當(dāng)中進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MCU相關(guān)的開發(fā)。云模版庫每年至少將會進(jìn)行4次更新，板庫則是根據(jù)產(chǎn)品更新實時更新；開發(fā)者可以在該平臺上對比選擇最適合自己MCU型號的AI模版。

經(jīng)過優(yōu)化后的算法部署在端側(cè)，精度方面是否會大打折扣？這應(yīng)該是開發(fā)者們非常關(guān)注的一點。而在峰會現(xiàn)場英偉達(dá)的演示來看，在足夠好的優(yōu)化之后，這并不會成為一個問題。通過英偉達(dá)深度學(xué)習(xí)技術(shù)經(jīng)理吳永亮 Luis WU在峰會現(xiàn)場分享的案例來看，通過NVDIA TAO 5.0訓(xùn)練后的人員檢測模型，可以直接部署在STM32H747上，但內(nèi)存占用和更新率較低。而進(jìn)一步經(jīng)過STM32 Cube.AI對于模型的剪裁和量化后，精度僅降低了0.5%，但內(nèi)存占用率獲得了數(shù)倍降低，而更新率則直接從1.3FPS提高到了9FPS，優(yōu)化效果非常明顯。

安全無線連接

除了邊緣AI，安全無線連接是通用MCU的另一個重要方向，安全無線連接將成為AI之外另一個支撐通用MCU高速增長的關(guān)鍵動力。來自ABI Research的數(shù)據(jù)顯示，無線STM32的目標(biāo)市場將從2020年的51億美元增長到2027年的112億美元。從2018年的STM32WB開始，ST開始開發(fā)者提供了各種不同協(xié)議的無線MCU產(chǎn)品，并且提供了從端側(cè)部署到上云的完整生態(tài)支持。

在今年的2023年STM32峰會上，ST又帶來了兩款無線MCU新產(chǎn)品。分別定位于藍(lán)牙和低功耗遠(yuǎn)距離傳輸場景。

【STM32WBA】更高性能、更安全的藍(lán)牙MCU

STM32WBA是ST全新的藍(lán)牙無線MCU產(chǎn)品，相比之前的STM32WB，首先最大的升級來首款采用了全新的STM32U5平臺，而STM32U5平臺是ST首款采用Cortex-M33內(nèi)核的產(chǎn)品，基于此新內(nèi)核STM32WBA在功耗、性能和安全性上都有了更好的基礎(chǔ)，內(nèi)核的主頻達(dá)到了100MHz。在內(nèi)存方面，最高提供高達(dá)1MB 閃存/128KB RAM，從而確保開發(fā)者可以實現(xiàn)更復(fù)雜的程序運行。

該芯片支持最新的Bluetooth低功耗5.3協(xié)議，內(nèi)部集成了巴倫和匹配電路，幫助減少了無線設(shè)計的外圍組件。輸出功率超過+10dBm，相比其他競品實現(xiàn)了60%的射頻性能提升。

在安全性方面，STM32WBA基于ArmTrustZone和ST自己的專利安全技術(shù)，達(dá)到了最高等級的SESIP和PSA L3認(rèn)證目標(biāo)。

除了上述的亮點之外，“軟件協(xié)議適配的靈活性”、“可升級性”和“可遷移性”是STM32WBA的另一大特色。像有望一統(tǒng)智能家居的不同品牌互聯(lián)的Matter協(xié)議，STM32WBA也是能夠滿足的。而對于目前正在使用老一代STM32L4產(chǎn)品的客戶來說，通過CubeMX可以開酥實現(xiàn)老代碼和數(shù)據(jù)的高效遷移和傳輸，從而額外獲得無線功能支持；并且可以借助STM32Cube.AI進(jìn)行進(jìn)一步的增強(qiáng)。

【STM32WL3】全新Sub-1GHz SoC

在LPWAN方面，ST帶來了更新的產(chǎn)品型號STM32WL3。該產(chǎn)品采用單芯片方案，一個芯片上集成了兩個射頻單元和一個Cortex-M0+內(nèi)核；同時還具有LCD控制器、傳感器等豐富外設(shè)。

不難看出，STM32WL3其實非常適合智能表計的應(yīng)用，傳感器外設(shè)可以連接水、電、氣、熱等傳感器信號，LCD用于顯示數(shù)據(jù)，射頻單元用于傳輸表計數(shù)據(jù)。STM32WL3的多調(diào)制射頻單元可以支持Sigfox、W-BUS、Mioty和Wi-Sun等多種協(xié)議；專用的喚醒射頻單元在接收模式下僅消耗4.2μA，可以保證MCU核更多時間處在低功耗狀態(tài)，僅在接收到數(shù)據(jù)包時候才喚醒。

而除了上述提到的無線MCU外，ST還將更新兩個面向工業(yè)高速連接場景的產(chǎn)品型號，分別是直接告訴非接觸式連接的ST60和支持EtherCAT的STM32MP1。ST60內(nèi)部集成了完整的60GHz射頻收發(fā)器，可實現(xiàn)對于板對板連接電纜的替換。基于STM32MP1，ST的合作伙伴Acontis為廣大的工業(yè)客戶了提供Linux-RT+EtherCAT的主棧解決方案。

關(guān)于未來的產(chǎn)品規(guī)劃，Ricardo表示，未來ST的無線MCU將會繼續(xù)進(jìn)一步提升內(nèi)存、優(yōu)化尺寸，提高應(yīng)用端的靈活性。

圖：據(jù)意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、通用微控制器子產(chǎn)品部總經(jīng)理 Ricardo De-Sa-Earp

全方位安全方案

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，安全已經(jīng)成為了最后趕住的話題，從用戶到設(shè)備廠商，都越來越注重安全性。而伴隨著更多復(fù)雜的無線連接場景、更多類型的終端形態(tài)、更強(qiáng)大的量子攻擊，對于安全的構(gòu)建變得更為復(fù)雜。安全的構(gòu)建并不僅僅是軟件端的事，更需要在底層硬件上實現(xiàn)安全的隔離。

針對安全解決方案，ST提供了諸多硬件IP和相應(yīng)的加密算法，包括信息本身的一些加密技術(shù)。像STM32WBA和STM32MP1等產(chǎn)品，都已經(jīng)達(dá)到了自高的PSA Level3和SESIP Level3的安全目標(biāo)認(rèn)證，從底層的硬件層面為客戶的應(yīng)用提高了很好的安全基礎(chǔ)。

而安全不僅僅是硬件層面，也要從軟件層面有所保證。ST為了方便用戶的安全功能開發(fā)，專門推出了摸開花的安全工具箱——Security Manager。通過這個工具，用戶可以根據(jù)自己的實際落地場景和應(yīng)用需求自主選擇必要的安全功能模塊，用戶的嵌入式安全的方案構(gòu)建將變得更為簡單和可靠。

“不僅是從單個設(shè)備層級上，ST可以有較強(qiáng)的安全性的保障，通過像STSAFE這樣的安全單元，我們還可以確保的每一代產(chǎn)品都有安全性的功能?！币夥ò雽?dǎo)體亞太區(qū)微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部、（MDG)物聯(lián)網(wǎng)/人工智能技術(shù)創(chuàng)新中心及數(shù)字營銷副總裁 朱利安補充到，“與此同時，從網(wǎng)絡(luò)層面來說，我們也有STM32MP1，能夠從網(wǎng)絡(luò)角度確保多個設(shè)備進(jìn)入同一網(wǎng)絡(luò)時的安全性?！?

圖：意法半導(dǎo)體亞太區(qū)微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部、（MDG)物聯(lián)網(wǎng)/人工智能技術(shù)創(chuàng)新中心及數(shù)字營銷副總裁 朱利安（Arnaud Julienne）

生態(tài)價值：More than Silicon，不止于芯

可以說，STM32十多年來的持續(xù)成功，離不開其生態(tài)的壯大和繁榮。來自生態(tài)中各種合作伙伴的力量，幫助生態(tài)中的參與者能夠發(fā)現(xiàn)更多的STM32用例，并且總能夠?qū)碜允袌龅男枨?，第一時間反饋到ST的產(chǎn)品研發(fā)端，幫助其更清晰準(zhǔn)確地制定下一代產(chǎn)品路線圖。

“生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)伙伴的合作，一直是STM32產(chǎn)品定位當(dāng)中非常重要的一環(huán)?！敝炖矎?qiáng)調(diào)到，“我們相信只有融入更多具有相同價值觀的合作伙伴，才能夠?qū)崿F(xiàn)共同創(chuàng)新。”

此次峰會的主題是“More than Silicon”，“不止于芯”，也就是說ST在本身的MCU產(chǎn)品之外，提供了更多的軟件層面的價值。意法半導(dǎo)體中國區(qū)微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部（MDG）總監(jiān) 曹錦東（Johnson Cao）表示，隨著MCU本身的性能越來越強(qiáng)，隨著客戶的應(yīng)用越來越復(fù)雜， ST不僅需要提供MCU性能的支持，也需要軟件幫客戶進(jìn)行實際上的創(chuàng)新應(yīng)用。多年來，ST大力在兩個方向上持續(xù)投入開發(fā)，為客戶提供軟性的價值，這包括：第一，基于PC端嵌入的開發(fā)軟件，以方便工程師和客戶進(jìn)行更快捷地開發(fā)；第二，嵌入式軟件，包括一些移動化協(xié)議棧，比如USB的協(xié)議棧、graphic（圖像顯示）、低功耗通訊等等。通過ST軟件的迭代，可以進(jìn)一步幫助開發(fā)者去迭代和升級自己的產(chǎn)品開發(fā)以及應(yīng)用。

但僅有ST自身提供的開發(fā)層面的支持是不夠的，通過強(qiáng)大的生態(tài)，廣泛的STM32合作伙伴還可以為生態(tài)內(nèi)的開發(fā)者一起提供板級、模塊級、系統(tǒng)級的方案給。

More than Silicon，意味著為客戶提供全方位的服務(wù)，這包含高性能芯片和易用軟件，也包含有保證的質(zhì)量和可靠產(chǎn)能。意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、中國區(qū)總裁曹志平 （Henry Cao）表示，疫情之后的不同產(chǎn)業(yè)正在按照不同的節(jié)奏依序恢復(fù)，而ST也將會提供比疫情前更大的全方位價值給到客戶?！癝T為客戶提供的價值會比疫情前更大，因為我們提供的有硬件、有軟件、有生態(tài)系統(tǒng)、有功能安全、有信息安全，有無線的連接等等，以及各種開發(fā)的工具。如果我們的用戶能夠全方位地?fù)肀覀兯峁┑囊恍┕ぞ撸恍┓桨?，一些軟件和一些硬件，以及合作伙伴的一整套系統(tǒng)，他們能感受到的價值肯定會比以前更大?！?

圖：意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、中國區(qū)總裁曹志平 （Henry Cao）

結(jié)語

展望未來，來自新能源汽車、工業(yè)的強(qiáng)勁需求，將會繼續(xù)推動著通用MCU的市場規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。這個市場足夠大，但伴隨著更多同質(zhì)化產(chǎn)品的互卷，留給傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通用MCU產(chǎn)品的空間可能也將會也來越小，就像8位MCU的漸漸出局一般?，F(xiàn)在的通用MCU廠商們，或許應(yīng)該跟著ST的目光，把產(chǎn)品定義瞄準(zhǔn)AI、無線、安全和開發(fā)生態(tài)等更具差異化和附加價值的未來方向。