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MCU越來(lái)越強(qiáng)大，從AI擴(kuò)展到了GPU。

前幾年，隨著邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的興起，MCU廠商的一大工作重點(diǎn)是加速引入AI功能，MCU逐漸能夠處理更復(fù)雜的任務(wù)，如智能傳感、數(shù)據(jù)分析、模式識(shí)別等。而現(xiàn)在，隨著用戶對(duì)圖形用戶界面(GUI)的要求日益增加，尤其是在智能家居、可穿戴設(shè)備、汽車(chē)儀表盤(pán)等場(chǎng)景中，傳統(tǒng)MCU的已經(jīng)無(wú)法滿足需求。在這樣的背景下，GPU(圖形處理單元)開(kāi)始嶄露頭角，成為推動(dòng)MCU進(jìn)化的重要力量，為嵌入式設(shè)備開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。

GPU成為MCU廠商競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)

GPU已經(jīng)成為主流MCU廠商布局的重要一環(huán)。

2024年1月17日，ST發(fā)布了第一款用于通用MCU的矢量圖形加速器NeoChromVG GPU，將在即將推出的STM32U5G9和STM32U5F9上使用。ST在其博客中指出，發(fā)布加速矢量運(yùn)算的特定硬件IP的原因是，越來(lái)越多的客戶希望減少對(duì)外部閃存模塊的依賴(lài)。內(nèi)存市場(chǎng)一直波動(dòng)很大，但據(jù)《福布斯》報(bào)道，許多分析師預(yù)計(jì) 2024 年閃存需求將強(qiáng)勁，部分原因是新的 AI 應(yīng)用程序試圖創(chuàng)建“全閃存對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)”。因此，購(gòu)買(mǎi)力較弱的小型企業(yè)可能會(huì)在采購(gòu)模塊時(shí)遇到嚴(yán)重問(wèn)題，或者只是面臨價(jià)格過(guò)高而無(wú)法使其產(chǎn)品可行的問(wèn)題。因此，許多公司都希望減少對(duì)外部NAND的需求，甚至完全消除它們，這促使ST在新的STM32U5F9和STM32U5G9 MCU中提供NeoChromVG GPU。

其實(shí)這不是第一次ST涉足圖形領(lǐng)域。早在2010年，ST就發(fā)布了Chrom-ART這款嵌入式圖形加速器。Chrom-ART嵌入在多個(gè)STM32 MCU中的2D加速器 ，可優(yōu)化內(nèi)存訪問(wèn)以更快地處理圖像。后來(lái)，ST又收購(gòu)了TouchGFX，并利用TouchGFX Designer、Simulator和 Generator構(gòu)建了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。而NeoChrom GPU是Chrom-ART的下一代產(chǎn)品，該產(chǎn)品于2022年12月推出。NeoChrom GPU借鑒了Chrom-ART的理念，不過(guò)提供了更大的優(yōu)化范圍。

而最新發(fā)布的NeoChromVG GPU是ST的第二代GPU。如同ST在博客中所述:由于采用了雙線性和點(diǎn)采樣的紋理映射，新技術(shù)提供了新的繪圖加速并支持動(dòng)畫(huà)。因此，過(guò)去需要臺(tái)式電腦GPU卡才能運(yùn)行的功能現(xiàn)在已經(jīng)可以在MCU上運(yùn)行。

除了ST，Microchip在這一領(lǐng)域也早有布局。2017年Microchip就發(fā)布了一款集成2D GPU和DDR2內(nèi)存的MCU——PIC32MZ DA，該產(chǎn)品是MCU發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，它打破了傳統(tǒng)MCU在圖形處理能力上的限制，彌補(bǔ)了MCU與MPU之間的圖形界限，為嵌入式設(shè)備構(gòu)建GUI界面帶來(lái)了更多的可能性。雖然Microchip發(fā)布該產(chǎn)品已久，但目前尚未看到其在該領(lǐng)域的進(jìn)一步進(jìn)展。

與消費(fèi)類(lèi)和工業(yè)嵌入式設(shè)備相比，汽車(chē)MCU對(duì)GPU能力的需求更為突出。隨著汽車(chē)智能化和數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，汽車(chē)電子系統(tǒng)對(duì)圖形處理的需求顯著增長(zhǎng)，尤其是在儀表盤(pán)、中控顯示、駕駛輔助系統(tǒng)以及車(chē)載娛樂(lè)等領(lǐng)域。為了滿足這些需求，汽車(chē)MCU的性能要求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的控制任務(wù)，開(kāi)始向集成GPU能力方向發(fā)展。

英飛凌在2023年12月8日推出的 TRAVEO T2G-C系列汽車(chē) MCU 就是這種趨勢(shì)的代表之一。這款MCU以“以MCU的成本為汽車(chē)圖形應(yīng)用提供堪比MPU的性能”為口號(hào)。TRAVEO T2G-C系列MCU配備了專(zhuān)用的圖形加速器，內(nèi)置圖形引擎能夠?qū)D形處理所需的內(nèi)存減少3到5倍，從而有效降低功耗和成本。得益于優(yōu)化的2.5D圖形引擎，該MCU可以支持分辨率高達(dá)1920x1080的全虛擬儀表盤(pán)。此外，采用英飛凌專(zhuān)利的行緩存處理技術(shù)，相比傳統(tǒng)幀緩存方案，該系列MCU僅需10%的緩存大小，從而進(jìn)一步降低了功耗、內(nèi)存需求和BOM成本。

從消費(fèi)類(lèi)電子到汽車(chē)應(yīng)用，GPU集成MCU的趨勢(shì)正在快速發(fā)展，推動(dòng)著嵌入式設(shè)備的圖形處理能力不斷突破。MCU廠商通過(guò)將GPU與MCU結(jié)合，不僅能夠降低成本和功耗，還能在更小型、資源受限的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更高效的圖形處理。

GPU IP廠商也在助推

LVGL是目前最受歡迎的免費(fèi)開(kāi)源嵌入式圖形庫(kù)，廣泛應(yīng)用于各種MCU、MPU和顯示器類(lèi)型的用戶界面(UI)開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，我們觀察到，越來(lái)越多的GPU IP廠商與開(kāi)源圖形庫(kù)LVGL進(jìn)行深度合作，以推動(dòng)低功耗、高性能的嵌入式圖形解決方案。

近日，GPU IP提供商Think Silicon和免費(fèi)開(kāi)源嵌入式圖形庫(kù)LVGL正在合作開(kāi)發(fā)用于MCU的高性能低功耗圖形庫(kù)。在過(guò)去，嵌入式系統(tǒng)的圖形處理大多依賴(lài)純軟件渲染，但這種方式效率較低，難以滿足現(xiàn)代設(shè)備對(duì)圖形性能的需求。雙方通過(guò)合作優(yōu)化了LVGL的超輕量級(jí)圖形庫(kù)，使其適用于Think Silicon的NEMA GPU系列，以提高性能并顯著降低MCU上圖形用戶界面 的功耗。

與純軟件渲染相比，Think Silicon 的 NEMA gfx-api 軟件開(kāi)發(fā)套件可以將LVGL的圖形庫(kù)加速高達(dá) 5 倍。此外，與在 MCU 邏輯上運(yùn)行相同工作負(fù)載相比，Think Silicon 的專(zhuān)有有損壓縮技術(shù)可將內(nèi)存使用量減少高達(dá) 8 倍，同時(shí)將 GPU 功率效率提高高達(dá) 10 倍。

2024年11月29日，芯原科技也宣布與LVGL建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，以支持LVGL庫(kù)中的芯原低功耗3D和VGLite 2.5D GPU 技術(shù)。

LVGL首席執(zhí)行官Gabor Kiss-Vamosi的一番話，代表了GPU正在加入進(jìn)入MCU。他表示:“VeriSilicon 的 VGLite 2.5D GPU 技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了嵌入式領(lǐng)域的新紀(jì)元，能夠以超快的速度和低功耗實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的矢量圖形?，F(xiàn)在，我們正站在一場(chǎng)新革命的邊緣:3D GPU 進(jìn)入 MCU。這一突破將改變嵌入式 UI 格局，為小型、資源受限和電池供電設(shè)備上的用戶界面帶來(lái)前所未有的可能性。在 LVGL，我們很高興能夠采用這項(xiàng)技術(shù)并在各種平臺(tái)上發(fā)揮其潛力。我們的目標(biāo)是為 VeriSilicon 的 3D GPU 提供出色的開(kāi)發(fā)人員體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn) 2D、2.5D 和 3D 內(nèi)容的無(wú)縫集成，這無(wú)疑將帶來(lái)一些非凡的嵌入式應(yīng)用。”

炬力集成成為首批在其智能手表片上系統(tǒng)中采用芯原科技與LVGL集成解決方案的公司之一。如今的可穿戴設(shè)備(如智能手表)正在不斷集成越來(lái)越多的功能，如健康監(jiān)測(cè)、GPS定位等，用戶界面(UI)的交互性和信息傳達(dá)變得愈發(fā)重要。由于這些設(shè)備的顯示屏尺寸小且需要長(zhǎng)時(shí)間使用電池，如何在確保豐富圖形效果的同時(shí)保持低功耗，是設(shè)計(jì)時(shí)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。3D圖形技術(shù)的引入為智能手表等可穿戴設(shè)備提供了更強(qiáng)的視覺(jué)表現(xiàn)力，并在電池續(xù)航和性能之間找到了平衡。

LVGL作為一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，能夠吸引大規(guī)模的開(kāi)發(fā)者社區(qū)參與，這增強(qiáng)了GPU在MCU中的應(yīng)用潛力，對(duì)于推動(dòng)嵌入式圖形庫(kù)的普及至關(guān)重要。

為什么不直接使用MPU

來(lái)替代MCU+GPU？

可能很多人會(huì)問(wèn)，MCU加入GPU，那MPU就可以滿足，為什么不直接使用MPU來(lái)替代MCU+GPU？這一問(wèn)題背后涉及幾個(gè)關(guān)鍵原因，MCU廠商的選擇也反映了這些考量。

第一，成本。MCU的成本遠(yuǎn)低于MPU，一些低端智能設(shè)備、傳感器、家電等應(yīng)用可能只需要基礎(chǔ)的控制能力和簡(jiǎn)單的圖形界面，而不需要MPU那種強(qiáng)大的計(jì)算能力。加上GPU后，MCU就能以更低的成本提供足夠的圖形處理能力。

第二，功耗。MCU的功耗遠(yuǎn)低于MPU，這對(duì)于很多嵌入式設(shè)備尤其重要。MCU+GPU的組合，能夠在提供適當(dāng)圖形處理能力的同時(shí)保持低功耗，這在電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備中尤為重要。

第三，實(shí)時(shí)性要求。許多嵌入式應(yīng)用，如工業(yè)控制和汽車(chē)嵌入式系統(tǒng)，要求實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。而MPU通常依賴(lài)于操作系統(tǒng)，這種系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但實(shí)時(shí)性較差，不能滿足對(duì)時(shí)效性要求非常高的應(yīng)用場(chǎng)景。而MCU本身支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)或裸機(jī)操作，能夠更好地提供實(shí)時(shí)響應(yīng)，因此對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，MCU更為適合。

第四，圖形需求問(wèn)題。如果設(shè)備僅需支持一些基礎(chǔ)的2D圖形界面，則使用MCU+GPU的組合非常合適。MPU雖然在圖形處理上更強(qiáng)大，但對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)大的計(jì)算能力可能是過(guò)度設(shè)計(jì)，不僅增加了成本，還可能帶來(lái)不必要的功耗和復(fù)雜性。因此，MCU+GPU提供了一種性?xún)r(jià)比更高、足夠滿足需求的方案。

結(jié)語(yǔ)

GPU與MCU的結(jié)合不僅僅是硬件能力的提升，更是軟件生態(tài)和行業(yè)需求雙向驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。產(chǎn)業(yè)界的所有這些趨勢(shì)標(biāo)志著嵌入式圖形處理的新時(shí)代。隨著MCU在更多高端應(yīng)用領(lǐng)域中的逐步應(yīng)用，GPU的集成將變得越來(lái)越重要。未來(lái)，GPU不僅將為MCU提供更強(qiáng)大的圖形渲染能力，還將支持更多的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算任務(wù)，成為MCU的“超級(jí)助手”。

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