如果盤點(diǎn)國產(chǎn)替代最難啃的骨頭，實(shí)時(shí)控制MCU一定榜上有名。

從納芯微公司上海總部的窗戶望出去，就能看到馬路對面大樓上友商公司的Logo。2024年11月，當(dāng)友商裁撤MCU部門的消息沸沸揚(yáng)揚(yáng)時(shí)，納芯微卻高調(diào)宣布進(jìn)軍實(shí)時(shí)控制MCU領(lǐng)域。

納芯微行嗎？這是很多人的第一反應(yīng)。因?yàn)槿藗兊挠∠笾校@是一家專注模擬信號鏈的芯片廠商，并沒有數(shù)字的基因。

此外，實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域多年來一直被TI C2000獨(dú)霸，多少人都在眼紅。中國有3000多家本土芯片公司，所以你能想到的每一塊可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的領(lǐng)域都被犁了個(gè)遍。雖然國產(chǎn)MCU的替代如火如荼，但在“實(shí)時(shí)控制”的細(xì)分賽道上，都沒折騰出名堂來。其實(shí)豈止國產(chǎn)難以替代，眾多國際大廠也紛紛摩拳擦掌，無奈都難以撼動(dòng)王者C2000。

和大哥掰掰手腕

NS800RT5039/5049框圖

Talk is cheap，show me the silicon.

NS800RT5039/5049，這是納芯微首次推出的產(chǎn)品。熟悉這個(gè)領(lǐng)域的工程師馬上就能聯(lián)想到TMS320F280039和TMS320F280049，這是C2000系列中被TI定義為“中級性能”的主力產(chǎn)品。如此命名，顯然是納芯微為了“方便”客戶。

據(jù)納芯微MCU市場總監(jiān)宋昆鵬介紹，雖說是直接對標(biāo)，但產(chǎn)品定義的環(huán)節(jié)，并非完全照搬，而是根據(jù)客戶痛點(diǎn)，在實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性及安全性等方面進(jìn)行了全面創(chuàng)新，這些顯然都是實(shí)時(shí)控制MCU的關(guān)鍵。當(dāng)然，考慮到TI這兩款產(chǎn)品都是幾年前推出的，后來者做出創(chuàng)新和升級也很自然。

根據(jù)TI和納芯微的官方數(shù)據(jù)，EEWORLD整理了兩顆049芯片的性能對比。

NS800RT5049U PK TMS320F28049

首先，在計(jì)算性能方面，NS800RT內(nèi)核選用了Arm Cortex-M7，結(jié)合自研的eMath數(shù)學(xué)加速器，在數(shù)學(xué)運(yùn)算上可與C28x+CLA相當(dāng)。特別是eMath內(nèi)核在FFT計(jì)算中，經(jīng)過實(shí)測 512 個(gè)點(diǎn)之內(nèi)算力可達(dá) C2000 對應(yīng)產(chǎn)品的 3 倍水平。

其次，在存儲方面，納芯微NS800RT在FLASH和RAM上都擴(kuò)充了一倍以上，F(xiàn)LASH從256KB提升到512KB，RAM從100KB提升到384KB。隨著程序越來越復(fù)雜，代碼量要求比較高，需要不停地對代碼進(jìn)行優(yōu)化，不如Flash直接足量給夠，當(dāng)然TI最近推出的產(chǎn)品也是加大了FLASH，方便程序存儲。另外，更大的RAM算起來確實(shí)快，NS800RT提供了32KB高速緩存(I-Cache, D-Cache)和最高256KB的超大緊耦合內(nèi)存(ITCM, DTCM / Tightly Coupled Memory)，解決了存儲與計(jì)算間的瓶頸。

另外，在關(guān)鍵實(shí)時(shí)外設(shè)上，納芯微也有了較大提升。比如ePWM通道數(shù)直接提升了一倍，同時(shí)高精度PWM（HRPWM）分辨率也從150ps提高到100ps。在電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制應(yīng)用中，高精度PWM是提高轉(zhuǎn)換效率、提高輸出準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。隨著對尺寸、功率密度等要求不斷提高，開關(guān)頻率也在提高，就需要更高精度的PWM進(jìn)行控制。100ps對應(yīng)10GHz頻率（1/100ps），而主頻僅為260MHz，需要一定的功底，其實(shí)PWM的通道數(shù)和精度一直是C2000最具特色的外設(shè)之一。

同時(shí)，得益于PWM以及主頻的提高，ADC采樣速度也從3.45MSPS提高到5MSPS，從而提高了信號吞吐率。

相比對標(biāo)產(chǎn)品，NS800RT的PWM和ADC通道數(shù)都進(jìn)行了提高，ePWM從16提升到32個(gè)通道，ADC由21提高到了34通道。在多合一車載充配電總成，或者帶儲能的逆變器中，需要驅(qū)動(dòng)更多的功率器件或者電機(jī)，并采集相應(yīng)的信息，因此通道數(shù)量越多越好，可以省去額外的MCU或者FPGA。

擴(kuò)展接口上增加了USB，同時(shí)其余接口數(shù)也有所提升，拓展了產(chǎn)品的連接性。

在信息安全上面則提供了AES和TRNG，滿足客戶安全需求，預(yù)計(jì)2025年底拿到ASIL-B認(rèn)證。

封裝上也額外提供128pin引腳，增加了IO數(shù)量。

“TI最新推出的F28P55在外設(shè)、存儲、引腳、安全性等方面都進(jìn)行了改進(jìn)，這和我們不謀而合。”宋昆鵬說，“實(shí)際上不止可以比對F280039和F280049，即使比對TI最新推出的P55，除了存儲和NPU上不足之外，其他外設(shè)資源包括算力都是可以PK的。”

“同時(shí)，我們加量不加價(jià)。”他補(bǔ)充道。

NS800RT5/3關(guān)鍵參數(shù)對比

DSP內(nèi)核，還是Arm內(nèi)核

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的用戶最關(guān)心的是內(nèi)核問題，眾所周知，C2000是TI自有的DSP 內(nèi)核，“最初C28x的DSP算法效率以及實(shí)時(shí)性確實(shí)比Arm強(qiáng)很多。” 宋昆鵬坦言。但是如今Cortex-M內(nèi)核已在電機(jī)、電源等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，驗(yàn)證了Arm的性能絕對能夠勝任實(shí)時(shí)控制MCU的任務(wù)，“隨著Cortex-M7的推出，相應(yīng)的DSP性能有了極大提升，同時(shí)也提高了主頻，甚至在實(shí)時(shí)性上已經(jīng)不輸R內(nèi)核。”

Cortex-M7在DMIPS性能上實(shí)現(xiàn)了大幅度提升，并且支持雙精度浮點(diǎn)以及硬件除法，中斷數(shù)也大幅提升。

如上圖TI官網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，480MHz M7內(nèi)核已與C28類似，考慮到eMath的額外數(shù)學(xué)運(yùn)算加速，內(nèi)核效率已經(jīng)旗鼓相當(dāng)。

攔住無數(shù)挑戰(zhàn)者的大山

在之前長達(dá)30年的市場供應(yīng)中，C2000迎來過不計(jì)其數(shù)的挑戰(zhàn)者。即使是Microchip、ST、瑞薩這些在電源和電機(jī)領(lǐng)域有所建樹的巨頭，在特定領(lǐng)域中，也都被攔在山腳下。

實(shí)時(shí)控制MCU的難點(diǎn)之一在于專用性極強(qiáng)。相比通用型產(chǎn)品，需要深入了解應(yīng)用，定義好每一個(gè)外設(shè)以及處理器架構(gòu)，使軟硬件達(dá)到深度耦合。同時(shí)，每個(gè)應(yīng)用的功率等級和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，對于處理性能、外設(shè)通道、代碼存儲量的需求各不相同，因此需要仔細(xì)審視市場的個(gè)性與共性，達(dá)到最優(yōu)化的定義。

難點(diǎn)之二在于對于數(shù)字處理和模擬外設(shè)的水平要求均較高，需要強(qiáng)大的模擬及數(shù)字團(tuán)隊(duì)、架構(gòu)師同步進(jìn)行設(shè)計(jì)。這一過程中，不能夠完全依靠外部通用IP搭建，需要許多定制化工作。

如圖所示，一個(gè)典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)信號鏈路圖，其中1、2和4（中斷響應(yīng)、文本存儲、控制算法）主要由CPU的架構(gòu)決定，而3和5（ADC、PWM）則同時(shí)依賴于CPU和外設(shè)。

難點(diǎn)之三在于客戶粘性。對于實(shí)時(shí)控制這種相對較大規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)而言，大家圖的就是穩(wěn)定可靠，如果不是實(shí)在無法忍受，客戶輕易不會動(dòng)這顆 MCU。宋昆鵬也坦言，“C2000占據(jù)了絕對主導(dǎo)地位，即使在當(dāng)時(shí)最缺貨的情況下，很多客戶也不愿去更換。”

難點(diǎn)之四在于生態(tài)，C2000建設(shè)了龐大的生態(tài)系統(tǒng)，從大學(xué)計(jì)劃到軟硬件合作伙伴，從成熟的CCS再到教育資源，這30年間通過C2000培養(yǎng)了大量的電源和電機(jī)工程師。即使宋昆鵬自己，當(dāng)年本科的畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的也是C2000。

必由之路

既然C2000如此強(qiáng)悍，納芯微為什么還一定要發(fā)起挑戰(zhàn)？事實(shí)上，全球領(lǐng)先的芯片公司里，大部分都同時(shí)擁有模擬和數(shù)字產(chǎn)品。如果中國有機(jī)會成長出一家有全球競爭力甚至領(lǐng)導(dǎo)力的芯片公司，那么進(jìn)入MCU賽道是一個(gè)必須的戰(zhàn)略。

正如納芯微CEO王升楊而言，即使納芯微把客戶電路板上的模擬芯片基本都覆蓋了，但如果沒有MCU，就很難與客戶真正深入交流，了解客戶的下一代應(yīng)用方案的演進(jìn)方向。因?yàn)榭蛻舴桨杆械难葸M(jìn)，背后主要的邏輯都是以主控為核心的。換而言之，“只有當(dāng)主控芯片跟外圍模擬芯片真正放在一起考慮的時(shí)候，才有可能發(fā)掘出給客戶的最優(yōu)解決方案。” 納芯微CTO盛云說。“實(shí)時(shí)控制MCU應(yīng)用于納芯微聚焦的泛能源和汽車，這個(gè)選擇的好處是顯而易見的。”

首先是產(chǎn)品協(xié)同。納芯微原有的產(chǎn)品，剛好都布局于此。隔離、傳感器、驅(qū)動(dòng)、接口等和MCU協(xié)同起來，可以在系統(tǒng)層面幫助客戶解決很多問題；其次，可以進(jìn)一步聚焦市場。為現(xiàn)有的客戶群體提供MCU之后，和客戶的合作會更加深入、穩(wěn)固。

那么為什么會是現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)呢？王升楊提到，缺芯的那幾年讓用戶意識到，“這么關(guān)鍵的品類產(chǎn)品，如果只有一家公司獨(dú)供，是非常不安全的。” 所以從供應(yīng)鏈安全的角度考量，如今很多客戶會在不缺貨的狀態(tài)下，非常愿意開啟MCU主控芯片的國產(chǎn)測試導(dǎo)入。“要有多元化的供應(yīng)鏈需求，這在行業(yè)內(nèi)已成為共識。”

還有非常重要的一點(diǎn)，得益于過去幾年中，整個(gè)本土產(chǎn)業(yè)鏈的快速進(jìn)步，同時(shí)也得益于下游數(shù)字電源、光伏類用戶的快速發(fā)展，中國客戶有能力去定義真正符合行業(yè)未來演進(jìn)趨勢要求的新產(chǎn)品。這使得納芯微可以在產(chǎn)品定義的早期，跟非常多的行業(yè)用戶深入交流，從而有機(jī)會做出真正有競爭力的產(chǎn)品。

但做數(shù)字和做模擬，無論商業(yè)模式還是團(tuán)隊(duì)的背景要求，包括整個(gè)開發(fā)生態(tài)，都截然不同。2022年，納芯微結(jié)識了芯弦團(tuán)隊(duì)，兩支年輕、有想法的隊(duì)伍非常契合，不僅敲定了投資，還直接立項(xiàng)合作開發(fā)了這顆產(chǎn)品。“我們還是相信專業(yè)的人做專業(yè)的事。”王升楊說。雙方此次是以品牌合作（NSSine）的形式發(fā)布了NS800RT系列。

在一起

事實(shí)上，此前前赴后繼的國際、國內(nèi)的C2000挑戰(zhàn)者基本可以分為兩類，一類是規(guī)模較大的傳統(tǒng)MCU公司，優(yōu)勢在于對MCU產(chǎn)品本身的理解，但他們往往都是以通用MCU的邏輯來開發(fā)產(chǎn)品，沒有為行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行大量優(yōu)化。另一類則是初創(chuàng)公司，很多團(tuán)隊(duì)的能力和經(jīng)驗(yàn)都很好，同納芯微相似，都是針對細(xì)分應(yīng)用，優(yōu)勢在于產(chǎn)品針對性強(qiáng)，但缺乏客戶資源和信任度。

那么納芯微+芯弦又有什么特點(diǎn)？據(jù)芯弦CEO楊維介紹，芯弦聚集了業(yè)界資深的數(shù)字設(shè)計(jì)和模擬設(shè)計(jì)的完整團(tuán)隊(duì)，有資深且完備的應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)，具有車規(guī)MCU量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在過去的兩年來，芯弦產(chǎn)品已經(jīng)在光儲逆變器、新能源汽車的三電應(yīng)用獲得了行業(yè)頭部客戶的初步測試和認(rèn)可。

而納芯微和泛能源、汽車行業(yè)的幾乎所有頭部客戶都有非常緊密的業(yè)務(wù)合作，可以拿到客戶最真實(shí)的產(chǎn)品需求反饋。此外，納芯微也建立了完整的質(zhì)量和供應(yīng)鏈管理體系，有足夠的資金支持。

“不會有人比我們更靠近客戶，我們不只是地理上靠近。納芯微相當(dāng)一部分銷售額就來自現(xiàn)在這些在用C2000的客戶。”靠近客戶，是所有本土廠商的優(yōu)勢，而宋昆鵬則直言納芯微才是所有C2000的挑戰(zhàn)者中距離客戶最近的。

1kW微型逆變器

對于替換C2000，納芯微有自己的理解和做法。首先在軟硬件遷移上，NS800RT與C2000引腳兼容，外設(shè)也達(dá)到了寄存器兼容水平，只是內(nèi)核編譯上有區(qū)別，這在Arm上并非難事，同時(shí)納芯微也提供遷移支持，總體而言“非常容易”，減輕了客戶更換平臺的隱憂。

納芯微可以依托Arm，打造生態(tài)與合作體系。目前，開發(fā)工具方面支持Arm KEIL、IAR EWARM以及GCC/Eclipse，提供評估板和燒錄器，支持FreeRTOS、uC/OSII、RT-thread。另外納芯微也正在積極尋找IDH方案商合作，為客戶提供完備的產(chǎn)業(yè)鏈。

目前，納芯微的硬件方案團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和芯弦的軟件團(tuán)隊(duì)深入合作，開發(fā)出基于NS800RT的單相雙向6.6kW OBC、三相10kW逆變器、1kW微型逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等方案。其MCU已經(jīng)得到了來自能源、汽車、電機(jī)等不同行業(yè)客戶的初步認(rèn)可，正在進(jìn)行測試工作，AEC-Q100的認(rèn)證也正在進(jìn)行中。

憑什么讓大家相信納芯微和芯弦可以和TI的開發(fā)團(tuán)隊(duì)一戰(zhàn)呢？“現(xiàn)在不需要大家一下子相信，等我們的成功案例就好了。”面對EEWorld的質(zhì)疑，宋昆鵬說。

雙向6.6kW OBC

必須成功的任務(wù)

當(dāng)然，追趕C2000的道路注定不是坦途，畢竟TI也在不斷進(jìn)化中。TI一直在增強(qiáng)其在工業(yè)和汽車中的市場機(jī)會，而且除了最新推出的帶NPU的P55之外，TI最近升級了DSP內(nèi)核，推出最新的64位C29x DSP，在處理性能、實(shí)時(shí)響應(yīng)、中斷響應(yīng)、功能安全與信息安全方面都做了重要革新。

不久前，德州儀器CEO Haviv Ilan在UBS全球技術(shù)和AI大會上，則直截了當(dāng)?shù)卣f：“我們不會設(shè)定市場價(jià)格，它是由競爭對手設(shè)定的，但我們可以做到非常非常有競爭力。”

理論上，沒有替代不了的產(chǎn)品，也沒有永遠(yuǎn)長盛不衰的產(chǎn)品，問題只是在什么時(shí)間、由誰來完成這個(gè)挑戰(zhàn)。

面對著C2000在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)根深蒂固的壟斷，納芯微和芯弦都很清楚難度有多大。實(shí)際上，納芯微自從選擇了泛能源與汽車這條路，每條產(chǎn)品線都會面臨與國際巨頭的競爭。但正是憑借著“以應(yīng)用和客戶為中心”的做事風(fēng)格，啃下了一個(gè)又一個(gè)的硬骨頭。

“國際廠商在這個(gè)領(lǐng)域里多年來做得很好，有很多值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。我們來做這事兒，有挑戰(zhàn)，但是也有信心。我覺得我和芯弦團(tuán)隊(duì)，面對這樣的一個(gè)挑戰(zhàn)，無論前面是萬丈深淵，還是刀山火海，都會一往無前、全力以赴。”楊維說。

“我們形成整體解決方案的目標(biāo)并不在于要打包產(chǎn)品一起賣，而是要增加我們對系統(tǒng)的理解能力。基于對客戶應(yīng)用系統(tǒng)的理解，我們才能夠不斷地去定義出符合客戶需要的、有競爭力的產(chǎn)品。”也許只有理解了王升楊說的這些話，才能明白他會為什么會說出下面這句話。

“對我們來說，做MCU是必須要成功的業(yè)務(wù)。”王升楊說道。