以64位MPU开启嵌入式与航天应用新篇章

微芯科技(Microchip)推出PIC64产品组合，以满足智能嵌入式视觉和机器学习(ML)等实时计算密集型应用对能效、硬件级安全性和高可靠性日益增长的需求。PIC64系列旨在为微处理器(MPU)提供单一供应商解决方案，满足市场上对实时处理和应用级处理的需求。

这一新产品系列的首款产品PIC64GX MPU支持工业、汽车、通信、物联网、航空航天和国防等各个领域的智能边缘设计。

此外，Microchip还发布了PIC64高性能航天计算(PIC64-HPSC)MPU，以满足不断扩大的航天市场日益增长的计算需求。专家预计，航天领域将从2023年的3440亿美元增长到2035年的7550亿美元。自“深度撞击”号和“好奇号”火星探测器等开创性的处理器驱动任务以来，二十年的发展历程见证了这一演变。

随着PIC64产品组合的推出，Microchip已成为一家积极开发全系列8位、16位、32位和64位微控制器(MCU)和MPU的嵌入式解决方案提供商。Microchip FPGA业务部战略与营销副总裁Shakeel Peera和Microchip FPGA业务部营销总监Venki Narayanan在接受笔者采访时探讨了Microchip最新推出的PIC系列著名产品组合的意义。

Microchip首次推出的64位嵌入式处理解决方案代表了为智能边缘计算量身定制能力的重大进步。作为更广泛的多系列MPU路线图的一部分，这项创新确保了未来嵌入式应用的更高性能和可扩展性，彰显了Microchip致力于推动关键行业64位处理技术发展的决心(图1和图2)。

图1：Microchip产品组合。(来源：Microchip)

图2：PIC64 MPU应用。(来源：Microchip)

推动智能边缘计算的发展

Peera在分享战略背景的同时，详细介绍了Microchip MPU的辉煌历史，强调了Microchip在嵌入式市场的主导地位，在过去几十年中，Microchip的器件出货量已达数百亿。PIC64系列是其著名的PIC系列的自然发展，该系列因其对半导体行业的贡献而闻名于世。

Peera强调了智能边缘计算的巨大市场潜力，特别是在物联网、工业自动化和医学成像等领域。他解释说，PIC64GX MPU是专为这些应用量身定制的四核RISC-V处理器，具有嵌入式视频流水线、先进的连接选项以及用于系统控制和监控的第五个内核。

“PIC64GX系列采用四核RISC-V架构，具有强大的计算能力，适用于边缘AI推理和密集型处理任务。”Peera表示，“它集成了视频接口和以太网连接等高级功能，迎合了AI和机器学习应用的蓬勃发展需求。”

它支持非对称多处理(AMP)，并保持较低的晶体管数量以提高性能(图3)。该系列设计用于在安全启动环境中运行Linux、实时操作系统(RTOS)和裸机应用。它拥有第六个MCU级监视器、频率为625MHz的2MB灵活L2缓存和可运行Linux的CPU集群。

图3：非对称多处理。(来源：Microchip)

GX1000和GX1100产品系列均采用四核RISC-V处理器，具有5,000DMIPS的性能，封装为FCS325和FCV484。GX1100扩展了功能，提供额外的视频I/O选项(SLVS EC和DSI-2)、AI/ML推理功能、增强型DDR接口和PCIe Gen 2主机支持。

GX系列采用625MHz多核，面向中端计算应用。它具有PCIe Gen 2内核，而高端型号(最高可达Gen 5)将支持高级虚拟化。未来几代产品将逐步在整个产品线中集成虚拟化，缩小功能差距。

除了大众市场的PIC64GX，Microchip还发布了与美国国家航空航天局喷气推进实验室(NASA JPL)合作开发的PIC64-HPSC(图4)。这款处理器旨在为太空提供AI推理能力，将太空计算能力提升100倍。

PIC64系列标志着Microchip进军64位MCU市场的决心，利用开放式RISC-V架构为地面和太空应用提供可扩展的高性能解决方案。

“我们正在考虑边缘的方方面面，不仅是地面边缘，还有太空边缘。”Peera强调说。这强调了其新产品线的全面性。

除了满足AI/ML和成像等边缘应用的集成视频接口外，系统控制器监视器内核的加入也至关重要。值得注意的是，该产品强大的连接选项支持多个以太网接口，被誉为现代应用的关键(图5)。

图4：PIC64 MPU特性。(来源：Microchip)

图5：PIC64GX的高级架构。(来源：Microchip)

推动嵌入式系统的发展

在嵌入式系统领域，实时性能和多功能计算能力之间的相互作用正在不断发展。最新一代的处理器是这一领域的主要竞争者，它将Linux与RTOS无缝集成，提供了对称多处理(SMP)和确定性延迟的独特组合。GX系列代表了处理能力和效率的飞跃，专为需要高性能和实时响应的应用量身定制。

“我们设计理念的核心是将高性能计算与严格的实时要求无缝集成。”Narayanan指出，“我们的平台使开发人员能够充分发挥Linux的全部潜力以及实时功能，确保灵活性和精确性。”

大量非易失性存储器的集成是其吸引力的关键所在，它允许本机安全启动功能，而无需依赖外部器件。

“我们的平台具有用于启动ROM和安全密钥存储的专用内存，为防止未经授权的访问提供了坚实的基础。”Narayanan说。GX系列的内核是2MB缓存——这是一种多功能器件，可增强系统无缝处理各种工作负载的能力。与传统架构依赖独立的处理单元执行不同的任务不同，GX系列采用了同构设计，确保了资源的高效利用并简化了管理。

“2MB缓存不仅能提高性能，还能实现非对称多处理。”他补充道。这一功能允许GX系列中的不同内核不受干扰地独立运行不同的操作系统或实时应用程序，确保了对时间敏感的操作至关重要的确定性延迟。

在强调实时性和AMP的配置中，该系统通过为确定性延迟和响应能力分配特定资源来优化性能(图6)。处理器内核在MCU模式下运行，确保了每个内核的功能与其指定任务保持一致。L1和L2缓存紧密耦合，提高了内存访问效率。

为了满足实时需求，CPU分支预测器被禁用。该设置采用了AMP模式，将资源划分为RTOS下实时操作的专用内核和运行SMP Linux的其他内核，并将L2缓存分别划分为1MB用于RTOS和Linux，以确保高效运行和优先执行任务。

图6：实时非对称多处理。(来源：Microchip)

在连接性和可扩展性方面，该平台支持多种接口，包括DDR、LPDDR、千兆以太网、PCI Express、MIPI CSI/DSI和HDMI 1.4。

“在嵌入式系统中，尤其是在工业自动化或医疗设备等敏感环境中，安全性仍然是至关重要的。”Narayanan表示。该架构包括一个用于信任根的内置加密加速器，可抵御差分功率分析等侧信道攻击。这些措施提供了强大的保护，对保护敏感数据和确保在具有挑战性的情况下的运行完整性至关重要。

用于加密操作的防篡改对策和硬件安全模块可阻止未经授权的访问并确保关键任务情况下数据处理的完整性，从而使安全性进一步提高。

PIC64GX系列引脚与Microchip的PolarFire SoC FPGA器件兼容，为嵌入式解决方案的开发提供了极大的灵活性。“未来的发展包括系统级模块和一套全面的开发工具，从而提高了各种嵌入式应用的适应性。”Narayanan补充说。

Microchip对开放标准和开发生态系统的支持进一步彰显了该公司以客户为中心的创新的承诺。GX系列与Yocto和Microchip Buildroot等流行的构建系统兼容，便于无缝集成到现有软件环境中，加快了开发人员的产品上市时间。

Microchip的GX产品线推出了为激光雷达(LiDAR)技术和使用TensorFlow的高级ML任务等各种应用量身定制的尖端功能。GX系列配备了强大的硬件支持，可通过其集成的LiDAR接口实现精确的环境感知和绘图(图7)。该接口支持与LiDAR传感器的无缝集成，实现了高分辨率3D扫描和绘图功能，这对于从自动驾驶汽车到工业自动化等各种应用都至关重要。

此外，GX系列利用TensorFlow框架，使开发人员能够直接在器件上部署复杂的ML模型。TensorFlow的集成允许高效执行图像识别、自然语言处理和预测分析等任务的AI算法。这一功能在实现边缘智能决策、提高实时处理速度和减少AI任务对云计算的依赖方面至关重要。

GX产品线不仅在先进的LiDAR功能和TensorFlow集成方面表现出色，而且还通过其全面的开发套件提供了可扩展性和定制性。GX系列旨在满足各种应用不断发展的需求，提供从原型到生产就绪解决方案的可扩展性，是希望将尖端技术无缝集成到项目中的开发人员和工程师的理想选择。

GX系列配套的开发套件为用户提供了快速原型设计和定制所需的工具和资源。该套件采用模块化设计方法，支持轻松集成额外的传感器、外设和连接选项，使开发人员能够根据其应用需求精确定制解决方案。这种灵活性确保了基于GX的解决方案可以毫不费力地从最初的概念验证扩展到全面部署，从而最大限度地缩短上市时间并优化开发工作。

PIC64GX Curiosity套件包含1GB DDR4 RAM、SD卡插槽和1GbE功能，支持广泛的数据处理和联网(图8)。Raspberry Pi MIPI连接器和HDMI 1.4接口增强了外设连接和显示输出的灵活性。mikroBUS和12针接头等用户友好型元件可促进其他模块的集成。

LED、按钮和开关等调试工具简化了开发过程，而USB-C和外部电源选项则确保了多功能电源管理。在MPLAB的JTAG调试器的支持下，它是高效、全面的嵌入式系统原型设计和评估的理想之选。

图7：激光雷达系统。(来源：Microchip)

图8：PIC64GX Curiosity套件。(来源：Microchip)

展望未来，Microchip还计划在软件层实施后量子加密算法，加强对量子时代新兴威胁的抵御能力。Microchip表示：“这一战略演变凸显了我们在不影响性能或灵活性的前提下推进安全范例的承诺。”

在架构上，该平台集成了统一的内存管理方法，在所有内存类型中都具有ECC保护功能，可在苛刻的操作条件下减少错误并确保可靠性。

空间计算

抗辐射(RH)型PIC64-HPSC非常适合那些需要实时处理的自主任务，比如月球车，同时也适用于需要低功耗并能在恶劣条件下长期运行的深空任务。耐辐射(RT)版本则适用于近地轨道(LEO)卫星，它在成本和可靠性方面取得了平衡，同时具备基础的容错能力和网络安全。MPU提供高达2TOPS(int8)或1TFLOPS(bfloat16)的矢量性能，能够支持复杂的AI/ML计算。240Gbps的TSN以太网交换机、可扩展的PCIe Gen 3和CXL 2.0接口，再加上兼容RMAP的SpaceWire端口，确保了系统的高速连接性。

新的MPU集成了RISC-V CPU和面向AI/ML应用的矢量处理指令扩展，为辐射环境下的空间计算带来了重大进步。在NASA的需求以及国防和商业航空航天应用的推动下，这些MPU采用64位架构，具有高速网络连接、低延迟数据传输、国防级安全性和高容错能力。它们还支持双核锁步(DCLS)操作、用于分区和隔离的WorldGuard硬件架构，以及用于故障监控和缓解的板载系统控制器，同时提供灵活的功耗调节。

Microchip的综合生态系统包括单板计算机、航天级器件和软件合作伙伴关系，有助于快速开发集成解决方案。正如诺斯罗普·格鲁曼公司的Kevin Kinsella所赞同的那样，这种方法旨在用可扩展、高性能、可重复使用的平台取代过时的专用解决方案。NASA于2022年选择Microchip开发高性能处理器，其计算能力是目前航天计算机的100倍，这凸显了PIC64-HPSC对未来任务的重要性。

在2024年IEEE空间计算大会上，NASA、Microchip、诺斯罗普·格鲁曼公司和其他行业合作伙伴的代表讨论了HPSC技术生态系统及其对未来空间计算的影响。美国宇航局的Prasun Desai也发表主题演讲，阐述了该机构的先进计算战略。

此外，Microchip的PIC64GX MPU面向各行各业的智能边缘设计，进一步巩固了该公司作为全面嵌入式解决方案提供商的地位——提供了全系列8位、16位、32位和64位解决方案。Microchip面向航空航天和国防市场的产品组合包括各种RT和RH器件，彰显了其对推动太空计算技术发展的承诺。

Microchip将扩展其PIC64系列，推出基于RISC-V和Arm架构的新器件。这一发展旨在为嵌入式设计人员提供更广泛的选择，提高性能和功能。通过利用Microchip全面的端到端解决方案(从硅片到嵌入式生态系统)，设计人员将受益于简化的设计、调试和验证流程。这种集成旨在大幅缩短新产品的上市时间。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Microchip Launches PIC64 Portfolio for Embedded and Space Apps，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。