從Intel最早的4位4004開始算，MCU現在已經50歲了，以數據位寬來區分，4位，8位，16位，32位，還有最新的64位MCU，成千上萬種MCU工作在不同的應用場景，哪怕是古老的4位 MCU仍然在包括兒童玩具、體重秤在內的市場上有一席之地。
MPU是更為強勁的MCU
如果從性能的角度來看，當今高性能的MCU產品已經遠遠超過了20多年的CPU，很多SoC可以承擔運行操作系統這樣的重任。同時，在一些并不需要如此高性能的場合，比如電動剃須刀、電動牙刷這樣的應用場景中，并不需要一個能夠運行操作系統的MCU。因此很多廠商為了區分高性能處理應用的場景，推出了MPU（Micro Processor Unit）這樣的概念，從名稱上與傳統MCU區分開。
意法半導體是這樣解釋MPU的：由于 STM32微處理器（MPU）及其結合了Arm® Cortex®-A 和 Cortex®-M內核的異構架構帶來的額外優勢，嵌入式系統工程師獲得了新的設計可能性和訪問開源Linux和Android平臺的途徑。這種 靈活的架構允許將先進的數字和模擬外設分配到任意一個核心，同時根據處理和實時執行需求實現 最佳功率效率。
“如今的MCU具有足夠強大的計算能力時，加上附加的各種高速外部存儲，比如DDR內存，讓它看起來其實更像一顆處理器，其實如果用20年前的標準來衡量，這就是一顆CPU。”一位業內人士表示。
所以MPU并非一個嚴格意義的定義，不同廠商對MPU的定位也不同。而隨著MCU在性能制造工藝上的進步，MCU與MPU之間的界限也逐漸模糊起來。
32位 MCU占據統治地位
根據統計機構的數據，2020年，在市場上占據主導地位的MCU是32位的產品，占據了超過5成的市場，而令人稱奇的是，8位MCU仍然持有4成左右的市場份額，目前Microchip在8位MCU市場占據了主導地位。剩下的16位和4位 MCU則只有各位數市場份額，并且正被8位MCU或者32位MCU取代。
除了數據位寬，另一項區分MCU的規格就是指令集，主要分為CISC指令集和RISC指令集兩打大類，其中RISC指令集的MCU占比超過四分之三。在RISC指令集產品中，目前ARM的RISC指令集MCU占據了絕對優勢市場地位。
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指令集名稱 |
類型架構及所有者 |
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ARM |
RISC指令集，常見有Cortex “A”，“R“，“M”，ARM公司所有 |
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MIPS |
RISC指令集，現為Imagination公司所有 |
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RISC-V |
源于加州伯克利分校2010年的RISC指令集項目，現由RISC-V基金會推廣 |
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8051 |
CISC指令集，來自Intel的MCS-51，仍然被廣泛使用 |
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PIC |
CISC指令集，哈佛架構，由Microchip公司開發提供 |
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AVR |
CISC指令集，來自Atmel，現為Microchip所有 |
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6800 |
CISC指令集，來自Motorola |
如今MCU的平均價格已經跌至1美元以下，這大幅降低了包括物聯網、人工智能、可穿戴式設備的準入門檻。廉價的MCU和簡單易用性能的強大的開發工具，為不同門檻的準入者提供了實現創新的機會。盡管平均單價正在下降，但是整個MCU市場營收卻保持了快速增長，市場營收預計在2023年近190億美元。
這其中超過8成的市場份額被前十大供應商壟斷，包括Microchip，STMicroelectronics，NXP，Renesas，TI、Infineon，Toshiba，Silicon Labs等公司。
總體來看，汽車仍然占據MCU市場的最大份額，加上工業/醫療市場，這三部分加起來接近6成，消費和計算約占了3成。因產能緊張出現的車市缺芯，其中很大一部分也是因為缺少了MCU而影響到了產能。
制造方面，除了自有工廠的IDM公司，目前臺積電占據接近6成的市場份額。智能穿戴以及TWS無線耳機的需求正在不斷搶食其他產品的產能。
32位MCU因其兼具控制，信號，以及一定邏輯處理能力，同時在功耗方面的不錯表現，成為物聯網市場的首選，整個物聯網、穿戴式MCU的市場增長快過了平均值，根據IC Insights數據，目前32位MCU占據了物聯網市場75%以上的份額，隨著邊緣計算，機器學習，AI技術的引入，在物聯網領域中的MCU是排名靠前的供應商們爭奪的一個重點領域。
根據 Arm 最新統計，Arm 的矽晶圓合作夥伴在 2020 年的最後一個季度，共出貨史上最高的 73 億片 Arm 架構晶片（年增 22%），相當於每秒出貨超過 900 片晶片、或每日 7,000 萬片晶片。總計 Arm 的合作夥伴在 2020 年出貨量高達 250 億片 Arm 架構的晶片（年增 13%），累計總數已超過 1,900 億。
ARM架構的統治地位依然穩固，但是也并非沒有競爭者，比如近幾年的熱點RISC-V，下面我們就簡單梳理一下這兩個RISC架構。
Arm，A，R，M系列從高性能到基本控制全覆蓋
為了便于客戶選擇產品，在ARM11系列之后，ARM將核心統一以Cortex命名，分別用A，R，M來區隔不同性能和應用場景的MCU產品。
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系列名稱 |
已發布型號（性能從高至低） |
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A系列 |
Cortex-A （X2，710，510， 77，76，76AE，75，73，72，65AE，65，57，55，53，35，34，32，17，15，9，7） 其中AE表示汽車用 |
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R系列 |
Cortex-R (52+，52，8，7，5，4)，其中R52+和52均為針對包含ECU控制在內的車用實時系統，采用ARMv8指令集，有別于前代ARMv7指令集 |
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M系列 |
Cortex-M （55，35P，33，23，7，4，3，1，0+，0）這系列更接近傳統MCU |
Arm 推出 Cortex-A、Cortex-R 與 Cortex-M 系列的 CPU，就是針對市場應用不同做出的規劃。Cortex-A 系列以運行複雜系統為主，可以執行 Linux 等 Rich OS。Cortex-R系列主要針對實時系統應用，性能并不低，與Cortex-A系列最大的差異在于內存管理單元部分，Cortex-A使用MMU（memorymanagement unit），Cortex-R使用MPU（memoryprotection unit），Cortex-A內存管理單元提供虛擬內存支持，而Cortex-R只能運作在內存保護模式。Cortex-M 則多為嵌入式應用為主，他的面積小、功耗非常低，適合做為 MCU 的主要 CPU。
2021年3月，ARM正式推出了最新的ISA架構--Armv9。這是繼2011年發布Armv8架構之后，ARM ISA一次重大的升級。
ARM 首席執行官 Simon Segars 表示：“當我們展望由人工智能定義的未來時，我們必須奠定一個領先的計算基礎，為應對未來的獨特挑戰做好準備。armv9 就是答案，它將會成為下個 3000 億臺 ARM 芯片的最前沿，其驅動力是建立在通用計算的經濟性、設計自由度和可獲得性基礎上的普遍的專業化、安全和強大的處理需求”。
全新 Armv9 架構主要有三項側重點：AI、矢量， DSP 性能改進，安全性。
Arm與富士通合作開發了可伸縮矢量擴展（Scalable Vector Extension, SVE）技術，并在此基礎上開發了SVE2，在更廣泛的應用中實現增強的機器學習和數字信號處理能力，以便應對無處不在的AI需求。
安全性方面，Armv9架構路線圖引入了Arm機密計算架構（Confidential Compute Architecture, CCA）。機密計算通過打造基于硬件的安全運行環境來執行計算，保護部分代碼和數據，免于被存取或修改，甚至不受特權軟件的影響。
Armv9架構系列 圖片來源:arm.com
Arm Cortex-A710 是首款基于與 Cortex-A78 相比，能效提升 30% ，性能提升 10%。Arm Cortex-A510 是 Arm 過去四年來推出的首款高效率小核，其性能提升 35%，機器學習性能提升超過三倍。它所帶來的性能水平已經接近幾年前推出的上一代大核，適用于智能手機、家用設備和可穿戴設備。
使用ARMv9架構的最初產品將于2022年面世。
RISC-V—plan B
簡約是復雜的最終形式。------ Leonardo da Vinci
RISC-V，由美國加州大學伯克利分校電子工程和計算機科學系的計算機科學分支創建，最初是一個為了支持計算機體系結構研究和教育目的而設計的新型指令集架構。現在正在成為很多公司的“Plan B“。
關鍵人物David Patterson：
RISC-V 基金會董事會副主席 David Patterson
David Patterson 在UC Berkeley擔任計算機科學教授 40 年后于 2016 年退休，隨后加入 Google 擔任杰出工程師（distinguished engineer，Google 的職位）。他還擔任了 RISC-V 基金會董事會副主席。過去，他曾被任命為伯克利計算機科學部（Computer Science Division）主席，并當選為計算機研究協會（Computing ResearchAssociation）主席和計算機協會（ACM，Association for Computing Machinery）主席。在 20 世紀80 年代，他領導了四代精簡指令集計算機（RISC，Reduced Instruction Set Computer）項目，伯克利最新的 RISC 因此得名“RISC Five”。他和 Andrew Waterman 都是 RISCV 四位架構師中的一員。
RISC-V（“RISC five”）的目標是成為一個通用的指令集架構（ISA），他的特別之處不僅在于誕生于最近10年，而目前市場上的ISA架構（比如X86架構）大都誕生于上世紀70到80年代，同時它還是一個開源的指令集架構，由RISC-V基金會維護推廣。
RISC-V標識，圖片來源:riscv.org
RISC-V的設計初衷，致力于簡化日趨冗長的指令集系統。以x86為例，1978年x86誕生之初只有80條指令，而2015年增長到了1338條指令，這種超長超多指令集可以在特定計算應用中發揮效力，但仍然在某些情況下損失大量處理器周期。
“RISC-V提供的是菜單，而不是一頓應有盡有的自助餐。主廚只需要烹飪顧客需要的東西（而不是每次都做出一頓盛宴），顧客只需要按他們的訂單付費。RISC-V無需僅僅為了市場吸引力而添加指令。RISC-V基金會會決定什么時候在菜單里添加新的選項，而他們只會出于技術原因這樣做，而且要在由軟硬件專家組成的委員會進行專門的公開討論以后才會添加。即使那些新選擇出現在了菜單上，它們仍是可選的”------引自《RISC-V手冊》，作者David Patterosn，Andrew Waterman。
目前的RISC-V架構的基礎指令集（ISA）只有40多條，加上模塊化的擴展指令幾十條，與1978年誕生的x86相仿，兼顧效率和靈活性。
risc-v白金會員 圖片來源：riscv.org
包括Google，huawei，ZTE，Western Digital在內的14家公司是RISC-V基金會的白金會員。同時，諸如IBM、Cadence，CEVA，Samsung，Xilinx，以及MCU供應商Lattice、Microchip、ST意法也是RISC-V基金會成員，此外還有明尼蘇達大學，東京大學在內的一批學術機構也在致力于RISC-V的研究。
而受中美兩國貿易摩擦的影響，有了華為被“卡脖子“的慘痛教訓，RISC-V在中國變得備受追捧。
中國的學界和企業界對RISC-V敞開了大門，中國工程院院士倪光南公開表示，要想在芯片領域不再受制于人，發展RISC-V開源芯片架構是個很好的機會，中國希望把RISC-V扶植到能與ARM、X86架構并立的位置上。企業方面，無論是華為、阿里巴巴、全志科技、易兆創新都在全力投入RISC-V相關產品的研發。制造出了黃山處理器（華米），香山處理器（中科院，采用臺積電28nm工藝，下一代產品采用中芯國際14nm技術），兆易創新GD32VF103，樂鑫科技ESP32-C3 MCU，全志科技D1應用處理器的，此外還有，深圳中微、泰凌、中科昊芯等公司推出一系列產品。
根據RISC-V基金會公布的數據，2020年，RISC-V的會員數量猛漲133%，其中大量來自中國的新老半導體公司，總體會員數量達到了1500個。到2025年，RISC-V IP和工具市場將會成長到10.7億美元，目前正在研發或者已經出廠的SoC數量達到了94個，整個市場年復合增長率達到54.1%
從生態系統層面來說，RISC-V現在還無法與ARM正面抗衡，對很多大企業來說RISC-V架構就像“Plan B“，是現有MCU內核技術的另一個選項，有些正在靜靜地等待他的成熟，而對中國來說，RISC-V，可能就是未來的”Plan A“。
北京君正發布的最新AIoT，視頻處理SoC，T40，圖片來源 : ingenic.com.cn
小結：
如今的MCU不僅集成了CPU、片上存儲、各種I/O接口，伴隨新市場新技術的發展，更是將AI、ML（Machine Learning）、安全加密等功能增加進來。MCU在工業、醫療、計算、汽車、消費等領域發揮著巨大作用，不斷改變人們的生活。無處不在的MCU，其實說明了智能化技術的演進無處不在。
參考資料：《RISC-V手冊》，作者David Patterosn，Andrew Waterman
