阿里平头哥开源MCU设计平台 芯片设计该如何寻求客制化与标准化的平衡
随着iot/aiot快速扩张版图，mcu（微控制芯片）逐渐成为市场最紧俏的芯片之一。长期以来，arm凭借cortex-m架构和ip授权模式，在mcu市场占据主导地位。为了应对aiot市场对于多样化、差异化mcu的需求，arm推出了客制化指令功能，允许合作伙伴在针对特定嵌入式与iot应用加入自己的指令。然而，阿里巴巴旗下半导体公司平头哥于近期推出的mcu平台“无剑100 open”，向人们展示了mcu设计的另一种方式——开源。一时间，关于开源模式与授权模式、客制化与通用化的探讨又变得热闹起来。在aiot时代，在标准、全面框架下保留一定客制空间的arm，与all in 开源的平头哥，谁是mcu的正解？
拥抱开源的平头哥
对于开源，阿里巴巴已经布局良久。2017年，阿里巴巴开源轻量级物联网嵌入式操作系统alios things，将系统能力开放给oem和硬件厂商，继而与高通、联发科等23家厂商达成合作，推出内嵌alios things的芯片模组产品。2018年，阿里巴巴更进一步，收购自主嵌入式cpu ip core公司中天微，随后发布了基于risc-v的第三代c-sky指令架构，以及首个32位低功耗ck902处理器。
在中天微与阿里巴巴达摩院芯片团队的基础上，阿里巴巴成立了平头哥半导体，意在打造“aiot时代的基础设施提供者”和“普惠性芯片”战略的重要载体。
目前，平头哥在aiot基础设施的布局分为三个层次：玄铁处理器、无剑芯片平台、alios与基础软件。处理器ip核玄铁910，基于risc-v架构开发，支持16核，单核性能达到7.1 coremark/mhz.众所周知，risc-v指令集发展方式以开源为主，预留了大量编码空间，开发者可以在基本指令集上进一步建构符合市场所需的指令集。玄铁910采用risc-v架构，也反映出阿里巴巴着眼开源、普惠的造芯路线。
而近日发布的“无剑100”mcu平台拥抱开源，是对无剑芯片平台的补充和引申。据平头哥副总裁孟建熠介绍，无剑芯片平台致力于将整个芯片的研发周期缩短50%，将开发成本降低50%，risc-v是开源芯片的基础，但仅有risc-v是不够的，因此平头哥推出了开源的mcu平台。无剑100 open包含玄铁处理器、基础接口、开发环境、os相关等，面向芯片的开发者、risc-v基础软件生态和高校。目前无剑100 open的基础硬件和配套软件代码已经上传到github社区。孟建熠表示，后续平头哥会逐步将性能更高、面向ai的平台开放出来，将更加优质的ip整合到开源平台。
更加灵活的arm
面对risc-v的发展和aiot时代对芯片架构的多元化需求，arm也没有闲着。本月召开的arm techcon 2019大会中，arm首席执行官simon segars宣布推出arm嵌入式cpu的客制化指令，让soc设计人员在没有软件碎片化风险下，针对特定嵌入式与iot应用加入自己的指令。2020年上半年，arm客制化指令将在arm cortex-m33 cpu上实施，并且不会对新的或既有授权厂商收取额外费用。
显然，对于risc-v等竞争指令集，arm的应对策略是在标准化、全面化框架下，留出一部分允许用户引入客制化指令的空间，增加架构本身的灵活性。
在10月23日举办的arm年度技术研讨会上，arm市场营销副总裁lan smythe向《中国电子报》等媒体表示，arm注意到其他竞争指令集的存在，arm的优势在于提供最全面的产品，在标准化的前提下允许开发人员做一定程度的定制，相信这能满足客户的信息化需求。对于risc-v能否使用arm架构，arm ml事业群商业与营销副总裁dennis laudick现场表示，arm倡导开放的平台，客户可以把npu放到risc-v的平台上。但从设计角度，arm npu配合arm的cpu和软件工具，才能更好地满足用户期望。
开源站稳脚跟还需要做好两件事
平头哥开源mcu设计平台，与arm推出的客制化指令功能，最本质的区别是什么？赛迪顾问集成电路中心高级分析师陈跃楠向《中国电子报》记者表示，arm一开始只做ip授权，用户在授权的ip架构上做有限的修改或者不能修改。为了适应aiot等新兴技术的多元化需求，arm推出了客制化指令功能。相当于授权方规定大部分的标准和框架，购买方在一定空间引入客制化内容，实现芯片功能和性能的差异化。而开源的mcu平台，除了具备引擎、指令、接口、开发环境等，还允许用户更自由地组合、搭建各种模块，甚至引入一些平台上没有的内容，相对arm而言在连接顺序、搭建方式上有着更高的自由度。
集邦咨询（trendforce）分析师姚嘉洋也向《中国电子报》记者表示，平头哥的“无剑100 open“提供了硬件开发套件与硬件描述语言verilog，目标用户是芯片开发商、ip开发业者与学校单位，arm的客制化指令集目前只能实现在cortex-m33上。由于m33本身就具备trustzone功能，arm可基于这样的开发环境保护客户的客制化指令心血，同时通过m33实现客制化需求。而平头哥所推出的无剑100平台，类似于对玄铁910处理器的开源，显然是将目标放在mcu市场。
开源意味着灵活、开放、互通、门槛低，但也存在碎片化、标准不统一、生态不完善等待解问题。虽然iot本身也是一个偏向碎片化的市场，但若开发者通过开源平台做出的mcu芯片接口、工具不统一，会对芯片的普及、外售和市场适配带来困难。对此，姚嘉洋向记者指出，以平头哥近期所推出的策略，加上阿里巴巴的生态系统与ali os等现况来看，平头哥会以中国市场为先。若有平头哥与阿里巴巴这类公司出来，以玄铁910与无剑100平台作为开源基础，mcu碎片化的情况或许会有所改善。
根据arm官方披露的数据，arm的低功耗处理器设计已应用于超过1500亿颗芯片的智能运算。相比之下，基于risc-v的开源mcu还有很长的路要走。
陈跃楠认为，risc-v要真正提升市场份额，要解决两个问题。一是制定通用的标准，为设计难度、功耗等参数提供参照，保证客户加入的专利性、客制化内容能提升芯片的功能，但不会降低芯片的性能;二是找到区别于arm架构的应用场景。
“目前risc-v还没有找到区别于arm架构，能一枝独秀的应用和需求。一旦出现只有risc-v能做、arm架构不能做的市场需求，risc-v的市场份额才能快速提升。”陈跃楠说。
那么，在mcu市场，芯片设计该如何寻求客制化与标准化的平衡？姚嘉洋认为，客制化与标准化在mcu市场都有生存空间，许多公司正在同时压宝arm与risc-v指令集。
“客制化带来的，是在某一应用或是某一产品上更好的性价比表现，但开发时间能否少于标准化平台会是一个挑战。目前，rsic-v阵营正致力于缩短开发时间，同时也可以更灵活地满足系统开发需求。这对于arm来说，的确是需要特别注意的地方。”姚嘉洋说。
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在中天微与阿里巴巴达摩院芯片团队的基础上，阿里巴巴成立了平头哥半导体，意在打造“aiot时代的基础设施提供者”和“普惠性芯片”战略的重要载体。
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而近日发布的“无剑100”mcu平台拥抱开源，是对无剑芯片平台的补充和引申。据平头哥副总裁孟建熠介绍，无剑芯片平台致力于将整个芯片的研发周期缩短50%，将开发成本降低50%，risc-v是开源芯片的基础，但仅有risc-v是不够的，因此平头哥推出了开源的mcu平台。无剑100 open包含玄铁处理器、基础接口、开发环境、os相关等，面向芯片的开发者、risc-v基础软件生态和高校。目前无剑100 open的基础硬件和配套软件代码已经上传到github社区。孟建熠表示，后续平头哥会逐步将性能更高、面向ai的平台开放出来，将更加优质的ip整合到开源平台。
更加灵活的arm
面对risc-v的发展和aiot时代对芯片架构的多元化需求，arm也没有闲着。本月召开的arm techcon 2019大会中，arm首席执行官simon segars宣布推出arm嵌入式cpu的客制化指令，让soc设计人员在没有软件碎片化风险下，针对特定嵌入式与iot应用加入自己的指令。2020年上半年，arm客制化指令将在arm cortex-m33 cpu上实施，并且不会对新的或既有授权厂商收取额外费用。
显然，对于risc-v等竞争指令集，arm的应对策略是在标准化、全面化框架下，留出一部分允许用户引入客制化指令的空间，增加架构本身的灵活性。
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