经历了数十年的设计创新和工艺突破，MCU已经在低成本、低功耗、高处理效率和高性能等特性方向有了长足的进步。随着汽车电动化、工业4.0、边缘AI等新兴应用的发展，产业转型升级机遇涌现，追求更高性能的MCU已成为行业趋势。
行业研究机构Omdia预测，全球MCU市场在2022年达到269亿美元的市值，并在之后的五年以4.9%的年复合增长率持续上升。从出货量预测中也可以看出，从2022年到2027年，全球MCU出货量将维持在2.9%的年复合增长率。
▲ 全球MCU出货量预测
(数据来源：Omdia Market Tracker 2022)
其中32位MCU占据了重要的出货比例，市场份额持续提升。而32位超高性能MCU贡献了主要增量，尤其当通信、消费电子、工控、汽车等行业纷纷将AI集成到产品中后，高计算速率和复杂AI算法需求进一步推动半导体厂商布局超高性能产品线，从而加快端侧AI的普及。
兆易创新作为中国32位通用微控制器领域的领跑者，最新推出的GD32H7系列MCU补全了中国超高性能MCU拼图上的空缺。电子发烧友网采访了兆易创新产品市场总监金光一先生，深入了解GD32H7系列新品的市场优势、目标应用以及开发生态布局。
1、GD32H7一骑绝尘的性能
GD32H7系列MCU采用基于Armv7E-M架构的600MHz Arm® Cortex®-M7内核，凭借双发射6级流水线架构，以及支持高带宽的AXI和AHB总线接口，可以获得更高的主频及处理性能，达到1552 DMIPS和2888 CoreMarks的优异结果。对比其他内核产品，GD32H7性能大幅提升，能够支持高级DSP、边缘AI等高算力应用。
金总介绍，大多数基于Cortex-M4的代码都可以直接运行在Cortex-M7上，从而支持无缝切换。但是，为了充分利用内核性能差异来实现最佳的优化，软件需要重新编译，并且在许多情况下，软件也需要一些小的升级，以便充分利用像Cache/TCM这样的新功能。
▲ GD32 系列产品性能对比
GD32H7配备了高达4MB的片上Flash和1MB的SRAM，支持大容量代码存储。独有的TCM存储器和L1高速缓存也大大提高了内外部存储器的访问效率。其中，512KB超大紧耦合内存TCM，可自由配置为I-TCM或D-TCM。用来放置想要加速的程序和数据，实现零等待运行，提高系统的性能。还集成了64KB的L1-Cache（I-Cache，D-Cache）高速缓存，其存储速度接近CPU核的工作速度，解决了CPU和内存速度差距过大的问题，为运行复杂操作系统及高级算法提供了充足支持。
GD32H7提供了多种安全加密功能，包括DES、三重DES、AES算法及哈希算法，集成的RTDEC模块，还可以保护连接到AXI或AHB总线的外部存储器的数据安全，防止在工厂和现场的通信过程中受到的威胁，确保物联网硬件数据安全。
相较现有的高性能产品，GD32H7的外设资源大幅扩容，模拟性能也得到空前提升。片上集成了2个14位ADC采样速率高达4MSPS，1个12位ADC采样速率高达5.3MSPS，在电机控制、光伏储能等应用中可提供高精度采样率和快速响应。3个CAN-FD接口和2个以太网控制器也为工业网卡、变频器、伺服器提供了很好的优势。
金总介绍，GD32H7规划了GD32H737/757/759三个全新系列，来满足差异化开发需求。
GD32H737系列
支持3路CAN 2.0B
提供BGA176和LQFP176/144/100四种封装
GD32H757系列
支持3路高速CAN-FD
提供BGA100和LQFP144/100三种封装
GD32H759系列
支持3路高速CAN-FD
提供BGA176和LQFP176两种多引脚封装
▲ GD32H737/757/759 接口资源
2、享受超高性能MCU“红利”的应用生态
GD32H7发布之际，兆易创新就已经为开发生态做了充足准备。自研的GD32 Eclipse IDE、GD32 All-In-One Programmer，及Arm KEIL、IAR、SEGGER等主流嵌入式开发工具均已适配。除此之外，针对高端应用场景，GD32正在联合第三方提供更多的算法及中间件资源，包括信号处理、电机控制、图形显示(GUI)、语音识别和边缘AI代码等。与新品同步面市的还有多种开发板卡和学习套件，旨在借助这些生态资源进一步降低超高性能MCU的普及门槛，让应用开发更加唾手可得。
▲ GD32H759I-EVAL全功能评估板
谈到与现有产品的定位区别，金总表示，GD32H7为更多高端需求提供开发利器，覆盖更多目标市场和应用场景。
无人机
无人机和云台等应用往更复杂精密的电机控制发展，也对MCU的性能提出了相对较高的要求。从这几年推出的无人机产品表面参数来看，越来越多的厂商开始在无人机的成像性能和感知性能上发力。MCU在双向通信的同时，需要处理更为复杂的姿态算法，实现电机的精确控制以保证无人机的稳定运行。
MCU的处理性能足够强才能满足高端无人机IMU模块的数据处理需求，并实现灵活的控制响应。比如测绘型无人机需要用到RTK高精度定位技术，引入更多相位数据的同时，也对实时姿态解算提出了更高的要求。
GD32H7凭借600MHz的主频，超高的计算性能使其可作为大型无人机的主控。无论是512KB的超大紧耦合内存，还是64KB的L1-Cache高速缓存，都保证了关键指令的实时执行和更高的处理器效率。而内置的滤波算法加速器FAC，则为无人机姿态解算常见的滤波算法提供了更高效和实时的数据处理能力。对于设计面积要求苛刻的无人机产品来说，GD32H7也提供了多种封装选择，客户可根据资源需求灵活选取。
人机界面 (HMI)
随着显示技术的迅速迭代，智能家电、智能家居以及智慧城市等多种应用都开始引入智能化的HMI。语音、手势、触摸等多元化人机交互场景的出现，也推动新一代IoT产品中的MCU加速升级。
当前HMI对显示效果的追求越来越高，需要渲染成更高的分辨率、更高的色深，从而占用更多RAM空间。在人脸识别、手势识别以及语音控制等多样化的交互方式下，定制化的需求也在不断涌现，更多的GUI、矢量图形和视觉效果逐步加入到HMI界面中，对MCU的图形性能要求提出了前所未有的挑战。
GD32H7芯片内置了TFT LCD液晶驱动器，凭借1MB的SRAM容量，可以胜任更高分辨率在渲染和数组传输上的高内存要求。与此同时，GD32H7集成了图形处理加速器IPA，支持2D图像叠加、旋转、缩放和多种颜色格式转换等功能，可以满足高级GUI的需求，实现可定制的智能HMI。
数字化能源
“光储充”一体化模式在数字电源领域持续火爆，也是数字信息技术、人工智能(AI)和光伏技术相融合的典型场景。作为逆变器核心元件的MCU已成为发挥系统最大效率的关键。光伏逆变器需要将光伏太阳能板产生的可变直流电压，转换为市电频率的交流电，从而回馈给商用输电系统。在这个过程中，为进一步提升硬件效率，提高采样电路的精度至关重要。
GD32H7作为主控MCU可提供丰富的外设资源，包括4个32位通用定时器、12个16位定时器、4个64位/32位基本定时器、2个PWM高级定时器，以及2个采样速率高达4MSPS的14位ADC和1个采样速率高达5.3MSPS的12位ADC，精准生成PWM信号，既保证了采样电路的高精度与高效率，又满足了逆变器的复杂控制需求。
而储能逆变器为了实现电能的双向转换与流动，同样需要利用复杂算法实现恒流、恒压等控制，保证电网安全有效地运行，这也对主控MCU内核的计算性能及硬件加速配置都提出了较高要求。
GD32H7的主频高达600MHz，且内置了独立的DSP硬件加速器和双精度浮点单元，以及TMU、FAC等硬件算法加速器，在满足逆变器常见FFT、FIR等算法高效运行的同时，减轻了内核负担。而对于近年增长势头明显的微型逆变器，以及单向并网光伏逆变器来说，之前主要采用DSP来实现正弦波逆变器控制，如今在供货保障和降本增效的需求下，不少逆变器厂商开始采用高性能MCU替代DSP，GD32H7系列MCU就提供了绝佳选择。
边缘AI
从近年兴起的嵌入式智能应用中可以看出，传统通用MCU难以满足边缘AI日渐增长的算力要求。为了将更多的轻量级AI算法集成在嵌入式应用中，MCU必须从主频、存储空间和加速器都做到质的提升，而GD32H7恰好提供了这些硬件资源支撑。
从性能来看，GD32H7的600MHz主频可以保证在无需集成额外的硬件NPU的前提下，满足边缘侧的AI算力要求。即便运行在非最大主频下，仍可保证AI算法的精度。得益于先进的制造工艺，GD32H7集成了更多的硬件资源，包括硬件DSP、双精度浮点FPU、三角函数TMU和滤波算法FAC等，这些硬件资源对于图像处理等AI负载来说至关重要。
在内存容量上，由于占用的资源和算力要求过高，常见的MobileNet或YOLO无法运行在MCU上。Edge Impulse为边缘AI专门优化了FOMO机器学习物体检测算法，在算力和内存需求上只有其它算法的1/30。FOMO有很强的可伸缩性，支持在Cortex-M7内核的MCU上运行，物体检测效率为30fps，并需要至少100KB的缓存空间。只要物体的尺寸类似而且互不重叠，FOMO可以高效地统计大量小物体。例如通过调高输入的分辨率获得更高的粒度和更多的细节，能够快速清点摄像头视野内的蜜蜂数量。GD32H7配备的4MB Flash及1MB SRAM大容量内存足以胜任这类负载，进一步简化硬件成本，为嵌入式设备提供更多高级视觉功能。
同样可以从中受益的工业AI应用还有预测性维护，基于传感器状态监视、异常检测等算法，将预测模型集成到其中。例如在前面提到的数字能源应用中，基于AI技术的智能拉弧检测，能够提前预判电弧的产生，并有效切断并网开关，消除电弧，防患于未然。机器学习(ML)的智能化引入，使光伏逆变器不断累积检测出电弧的特征参数，从而优化和提高识别电弧的能力，更精准可靠地检测出真实电弧，保障变电安全。
随着TinyML技术的发展，未来会有更多ML模型能在小内存的MCU上运行，而更大的内存和算力则意味着更高的精度和效率。GD32H7配备了64KB L1高速缓存和512KB TCM超大可配置零等待空间，在支持轻量级AI算法提升工业应用智能化水平的同时，也能兼顾低延迟的实时处理和更精确的控制。
3、GD32H7的象征意义
MCU是一个相当细分的赛道，厂商对高性能与低功耗的追求尚未止步。而超高性能MCU的目标应用尚属蓝海市场，兆易创新凭借GD32H7抢占先机，进一步加速对高端智能化应用领域的渗透。
GD32H7的面市对于MCU市场有着深远的意义：作为中国首款M7内核的旗舰级MCU产品，以极具竞争力的性价比优势持续巩固兆易创新的市场领先地位。GD32H7为高端需求提供更丰富的开发选择，支持复杂运算、AI和多媒体技术等创新场景，全面推进MCU在前沿领域的应用和普及。——兆易创新产品市场总监 金光一
金总还表示，兆易创新正在积极布局双核及多核处理器架构，这类超高性能MCU产品未来将进一步拉动AI在边缘侧设备的覆盖率。此外，未来产品还将集成TrustZone、Lockstep等安全技术，满足更多高级应用的安全性要求。
以GD32H7为代表的超高性能MCU将弱化MCU与MPU的传统边界，激发更多市场潜力。兆易创新携新品加入赛道，以一如既往的高品质为边缘AI、光伏储能、智能HMI等应用的飞速发展献力。GD32H7不仅仅只是市场多样化的一环，也是一个里程碑式的产品，昭示着中国MCU已正式迈入超高性能时代。
来源：GD32MCU
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