AI技術(shù)正在加速向終端滲透，MCU（微控制器）作為嵌入式系統(tǒng)的核心組件，與AI的融合趨勢(shì)越發(fā)顯著。

意法半導(dǎo)體工廠內(nèi)部

德勤中國(guó)發(fā)布的《技術(shù)趨勢(shì)2025》報(bào)告顯示，2025年全球AI芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過(guò)1500億美元。AI MCU正是其中的關(guān)鍵推動(dòng)力之一，也成為各大MCU企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新方向。

AI與MCU融合潛力無(wú)窮

從智能家居中的智能插座、溫控器，到工業(yè)自動(dòng)化中的生產(chǎn)線傳感器、自動(dòng)化設(shè)備，再到汽車(chē)電子中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)，MCU的身影無(wú)處不在。如今，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、汽車(chē)電子等領(lǐng)域正處于發(fā)展提速期，對(duì)設(shè)備的智能化、實(shí)時(shí)性和低功耗等特性提出了更高要求，傳統(tǒng)MCU已難以勝任，AI技術(shù)的融入則成為破局關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)來(lái)源:Yole

兆易創(chuàng)新MCU事業(yè)部產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)陳思偉表示：“邊緣計(jì)算的需求正在推動(dòng)AI算法與MCU的深度結(jié)合。MCU不再局限于傳統(tǒng)控制功能，而是逐漸集成AI推理能力，用于圖像識(shí)別、語(yǔ)音處理、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)等場(chǎng)景。”

邊緣AI技術(shù)可以使MCU兼顧更高性能的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策功能。例如，在智能工控領(lǐng)域，需要系統(tǒng)執(zhí)行太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電弧故障檢測(cè)，以及用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的電機(jī)軸承故障檢測(cè)等功能。邊緣AI幫助MCU對(duì)設(shè)備和傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，提供更準(zhǔn)確的決策，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的故障檢測(cè)準(zhǔn)確率。

AI與MCU的雙向奔赴，為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，也為智能設(shè)備的普及和產(chǎn)業(yè)升級(jí)注入了強(qiáng)大動(dòng)力。ABI Research預(yù)測(cè)，2021年至2026年，具有邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)功能的設(shè)備出貨量將以24.5%的平均復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

瑞薩電子全球銷(xiāo)售與市場(chǎng)副總裁、瑞薩電子中國(guó)總裁賴長(zhǎng)青指出，當(dāng)前，AI正在從云端向邊緣端延伸，以實(shí)現(xiàn)更快速、更實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和分析。在這種趨勢(shì)下，MCU需要做出以下調(diào)整以增強(qiáng)AI計(jì)算能力：一是集成AI加速器，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器或者專(zhuān)用的向量處理器，以提升AI推斷與訓(xùn)練任務(wù)的執(zhí)行速度；二是優(yōu)化能效比，旨在保持卓越性能的同時(shí)，有效減少功耗，從而延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間；三是強(qiáng)化安全保障，在芯片上集成數(shù)據(jù)加密、安全引導(dǎo)和安全存儲(chǔ)，以保護(hù)用戶數(shù)據(jù)不受攻擊；四是支持多模態(tài)感知；五是優(yōu)化系統(tǒng)集成，通過(guò)提供豐富的硬件接口和強(qiáng)大的軟件支持，方便開(kāi)發(fā)人員將AI功能無(wú)縫融入邊緣設(shè)備之中。

企業(yè)各顯神通

在AI與MCU融合的大趨勢(shì)下，眾多MCU大廠紛紛開(kāi)始布局，推出帶AI功能或集成NPU的MCU產(chǎn)品。

恩智浦早在2018年就推出了機(jī)器學(xué)習(xí)軟件eIQ軟件，可在恩智浦Edge Verse微控制器和微處理器上使用。此前，恩智浦主要依靠第三方IP，如Arm的Ethos系列來(lái)實(shí)現(xiàn)AI加速功能。但隨著AI推理需求的多樣化和快速發(fā)展，恩智浦決定開(kāi)發(fā)自有NPU架構(gòu)，正式推出eIQ Neutron NPU，隨后應(yīng)用在i.MXRT 700系列跨界MCU產(chǎn)品中，其內(nèi)核采用異構(gòu)架構(gòu)，包含兩個(gè)ArmCortex-M33、兩個(gè)DSP以及一個(gè)基于開(kāi)放式指令集架構(gòu)的EZH-V IO協(xié)處理器。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)使其AI計(jì)算能力大幅提升，可在邊緣端可運(yùn)行復(fù)雜的AI模型，在智能家居、消費(fèi)醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

意法半導(dǎo)體最新推出的STM32N6系列是其首款引入Arm Helium向量處理技術(shù)的CPU，也是首款采用自研的嵌入式推理專(zhuān)用Neural-ART Accelerator NPU的產(chǎn)品。該系列芯片專(zhuān)為支持邊緣AI應(yīng)用而設(shè)計(jì)，擁有先進(jìn)的圖像信號(hào)處理器（ISP）功能，為機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用提供支持。

英飛凌推出了PSOC Edge E8x系列產(chǎn)品，采用Arm Cortex-M55內(nèi)核，支持Arm Helium DSP并搭配Arm Ethos-U55的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，以及Cortex-M33內(nèi)核，搭配英飛凌超低功耗NNLite（用于加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)有硬件加速器）。其中，E83和E84內(nèi)置Arm Ethos-U55微型NPU處理器，與現(xiàn)有的Cortex-M系統(tǒng)相比，機(jī)器學(xué)習(xí)性能提升了480倍。

德州儀器推出的TMS320F28P55x系列C2000 MCU

德州儀器則側(cè)重于工業(yè)和汽車(chē)實(shí)時(shí)控制方向，推出具有NPU的TMS320F28P55x系列實(shí)時(shí)MCU，內(nèi)置單精度浮點(diǎn)單元、三角函數(shù)加速器，采用150MHz的可編程控制律加速器。該系列產(chǎn)品在工業(yè)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的控制和更高效的數(shù)據(jù)處理。

德州儀器推出的TMS320F28P55x系列C2000 MCU

瑞薩同樣積極布局，推出的RA8x1 MCU采用Arm Cortex-M55內(nèi)核，并引入Arm Helium技術(shù)。這一技術(shù)為Armv8-M架構(gòu)的Arm Cortex-M處理器提供M-Profile矢量擴(kuò)展，與基于Arm Cortex-M7處理器的MCU相比，在DSP和ML應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)高達(dá)4倍的性能提升。

國(guó)內(nèi)企業(yè)也不甘落后，兆易創(chuàng)新推出的GD32H7高性能MCU，采用600MHz Arm Cortex-M7高性能內(nèi)核，支持多種硬件加速，配備了1024KB到3840KB的片上Flash及1024KB的SRAM，新增大量通用外設(shè)資源，能為復(fù)雜運(yùn)算、多媒體技術(shù)、邊緣AI等高級(jí)創(chuàng)新應(yīng)用提供強(qiáng)大的算力支撐。此外，其推出的GD32G5采用Arm Cortex-M33內(nèi)核，高達(dá)216MHz，內(nèi)置高級(jí)DSP硬件加速器和單精度浮點(diǎn)單元，以及硬件三角函數(shù)加速器和濾波算法等多類(lèi)硬件加速單元，進(jìn)一步豐富了其在“MCU+AI”領(lǐng)域的產(chǎn)品線。

國(guó)芯科技推出的CCR4001S系列MCU，基于國(guó)芯科技自主RISC-V架構(gòu)C*CoreCPU內(nèi)核研發(fā)，內(nèi)部配置了AI NPU，支持智能控制算法與自適應(yīng)變頻控制算法，為工業(yè)控制、智能家電等領(lǐng)域提供了新的解決方案。

重重挑戰(zhàn)中尋求最優(yōu)解

AI為MCU開(kāi)辟了一條全新的發(fā)展路徑，在帶來(lái)新機(jī)遇的同時(shí)，內(nèi)存限制、算法適配與優(yōu)化、功耗管理、安全性與隱私保護(hù)等挑戰(zhàn)也接踵而來(lái)。

MCU的片上內(nèi)存通常由閃存（Flash）和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）組成。專(zhuān)家表示，以一款廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主流32位MCU為例，其片上Flash容量一般在幾十KB到幾MB之間，常見(jiàn)的為128KB或256KB，主要用于存儲(chǔ)程序代碼；SRAM容量則更為有限，大多在幾KB到幾十KB，用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和變量。這種內(nèi)存配置在傳統(tǒng)的MCU應(yīng)用場(chǎng)景中，能夠滿足程序運(yùn)行和少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，但當(dāng)面對(duì)AI功能引入時(shí)，其內(nèi)存的局限性便暴露無(wú)遺。

此外，AI龐大的運(yùn)算量需要MCU的處理器核心在高頻下持續(xù)運(yùn)行，從而導(dǎo)致功耗大幅增加，這對(duì)于依賴電池供電或?qū)挠袊?yán)格限制的邊緣設(shè)備來(lái)說(shuō)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備續(xù)航時(shí)間大幅縮短，發(fā)熱嚴(yán)重，甚至影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

為了應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)空間狹小和功耗過(guò)高的挑戰(zhàn)，業(yè)界采取了多種功耗管理策略并取得了一定的實(shí)踐成果。在制造工藝方面，不斷提升制程工藝是降低功耗的有效途徑之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，MCU的制程工藝逐漸從傳統(tǒng)的65nm、40nm向更先進(jìn)的28nm、16nm甚至7nm邁進(jìn)，更先進(jìn)的制程工藝能夠減少芯片內(nèi)部晶體管的電阻和電容，降低信號(hào)傳輸延遲，從而減少能量損耗。

在低功耗管理技術(shù)上，采用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）技術(shù)，可根據(jù)MCU的工作負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整電壓和頻率，當(dāng)執(zhí)行AI任務(wù)時(shí)，若計(jì)算量較小，可降低電壓和頻率以減少功耗；當(dāng)任務(wù)量增加時(shí)，再提高電壓和頻率以保證性能。

算法適配與優(yōu)化也是降低功耗的關(guān)鍵策略。對(duì)AI算法進(jìn)行優(yōu)化，采用輕量級(jí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，減少模型的參數(shù)量和計(jì)算復(fù)雜度，從而降低計(jì)算過(guò)程中的功耗。

數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)也是AI MCU需要面臨的關(guān)鍵難題。

集成NPU的恩智浦MCX N系列MCU在人臉識(shí)別中的應(yīng)用

在智能家居場(chǎng)景中，AI賦能的MCU被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)控制、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家具等領(lǐng)域的設(shè)備中，這些設(shè)備會(huì)采集大量用戶的位置、使用狀態(tài)、圖像、聲音、生物特征等敏感數(shù)據(jù)，若在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中，隱私保護(hù)措施不到位，就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)被竊取或篡改，使企業(yè)和用戶面臨危機(jī)。

專(zhuān)家表示，為了保障數(shù)據(jù)安全，硬件加密模塊發(fā)揮著關(guān)鍵作用。許多MCU廠商在芯片設(shè)計(jì)中集成了硬件加密模塊，如采用AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）加密算法的硬件模塊，可對(duì)存儲(chǔ)在MCU中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，即使數(shù)據(jù)被非法獲取，沒(méi)有正確的解密密鑰，也無(wú)法讀取數(shù)據(jù)的真實(shí)內(nèi)容。

在安全環(huán)境設(shè)計(jì)方面，構(gòu)建安全的運(yùn)行環(huán)境至關(guān)重要。比如，采用可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）技術(shù)，在MCU內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)安全的執(zhí)行區(qū)域，確保AI算法和數(shù)據(jù)在這個(gè)受信任的環(huán)境中運(yùn)行；通過(guò)安全啟動(dòng)機(jī)制，在MCU啟動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)固件進(jìn)行完整性驗(yàn)證，以防止固件被篡改。

未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)需求的進(jìn)一步釋放，AI MCU有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，如智能醫(yī)療設(shè)備、智能農(nóng)業(yè)等，通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新，AI與MCU的融合將為全球科技產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多變革，推動(dòng)智能時(shí)代的加速到來(lái)。