M85内核，MCU的新热点

随着厂商开始推出性能极高的MCU，我们越来越难分清MCU和MPU的界限了。

早在2022年，Arm推出Cortex-M85时候，有工程师曾言：“虽然是M85是Cortex-M ，但我觉得性能已经超越了早期的Cortex-A，后面M85的处理器不仅仅是一款单片机了，算的上是一款微应用处理器了。”

而在最近，厂商开始加码M85的MCU，这些产品似乎真的有着比肩MPU的能力。这些产品有什么亮点？EEWorld今天来盘点一下。

看懂M85的里子

性能，是M85最简单粗暴的优势之一。

M85是首款支持超过6 CoreMarks/MHz且超过3 DMIPS/MHz的Cortex-M，同时，通过Arm Helium技术与其前代M7相比M85实现了4倍的DSP和ML处理提升。这种标量性能水平得益于微架构层面的许多创新特性，包括优化的双发射和选择性三发射能力、改进的分支预测，以及包括数据预取在内的增强内存系统等。

根据Arm的说法，面对日益严苛的计算需求，Cortex-M微控制器系统开发者面临抉择：是优化软件以从现有微控制器中榨取更多时钟周期处理能力，还是将代码库迁移到性能更高的微处理器架构？Cortex-M微控制器具备多重优势，包括确定性执行、短中断延迟和先进低功耗管理模式。若转向Cortex-A的处理器，意味着将牺牲部分Cortex-M的固有优势。所以，Cortex-M才要推出一款性能如此“炸裂”的产品。

说白了，就是满足大家“既要又要”的想法，既要媲美MPU的高性能，又要保留MCU的低BOM成本控制、低功耗及开发易用性。

内存系统架构，是M85的另一个优势。

M85配备紧密耦合内存（TCM）的低延迟内存系统可保障确定性操作。该架构为SoC设计人员提供了四个32位数据TCM接口与一个64位指令TCM接口，所有接口均集成错误校正码（ECC）功能。新增的32位AHB访问接口端口允许外部DMA控制器与M85处理器内核并发访问TCM，从而支持多种常见的数据流处理应用场景。

M85内存系统还包含配备ECC的一级缓存系统，通过AMBA 5 AXI主接口连接外部存储器，在面对低速非确定性内存访问时仍能保持性能优化。

安全，则是M85另一大卖点。

M85引入了Armv8-M架构的TrustZone技术，同时成为首款集成Armv8.1-M指针验证与分支目标识别扩展（PACBTI）的Cortex-M处理器，显著降低开发者达成PSA安全认证2级的实现门槛。PACBTI通过验证函数调用与返回地址，为抵御面向返回和面向跳转的软件攻击提供增强防护。

总之，M85带来的空前性能水准为MCU开发者开辟了新天地，当时厂商也纷纷表示准备跟进。不过毕竟更新换代没有那么快的，而且M85如何定位也会是一个问题，而在现在，M85或许到了该爆发的时候了。

ST出手了

ST在前几日推出了STM32V8，引发了EEWorld许多网友的讨论，这款产品是STM32系列微处理器中性能最高的一款产品之一，EEMBC CoreMark评分达到了恐怖的5072，比STM32N6还要高上不少。

18nm、800Mhz Cortex-M85、4MB PCM（相变存储）、MVE（Arm Helium M-profile Vector Extension）——这些关键词都是这款产品实力的体现。

根据ST的说法，仅通过升级至M85内核，新品在实时控制应用的标量数学运算性能上就提升20%；对比与Cortex-M7产品，同主频下性能提升3.5倍；依赖DSP功能的应用性能增幅更高达300%~400%。

之所以能够拥有如此强大性能，与其采用的18nm FD-SOI PCM工艺息息相关，该工艺与汽车MCU Stellar系列同款。FD-SOI与同样提供高性能运算的FinFET形成竞争格局。该技术在MCU领域属于相对新兴的应用，不仅使STM32V8实现更高运行速度，还显著优化了功耗效率。

PCM作为一种嵌入式非易失性存储器 (NVM）技术已发展出多种形态，包括英特尔已停产的3D XPoint内存，PCM存储以速度著称。由于嵌入式闪存（eFlash）技术难以突破，MCU一直被卡在40nm这一制程节点，为了让缩小制程，业界盯上了新型存储。

PCM是与MRAM、FRAM、RRAM竞争的一种存储技术。PCM提供了同类最小的存储单元，可以在尽可能小的单位面积上，实现较之以往一倍以上的信息存储信息量提升，进一步带来物理优势，实现最小的存储区。它可以在不改变成本的情况之下，将整体的存储容量提升一倍，这毫无疑问就能够带来进一步的成本提升。

更重要的是，相较MRAM与FRAM，ST的PCM具备额外优势：支持最高140℃的工作温度，其抗辐射等特性使之既能适用于航天领域，也能满足严苛工业及汽车应用需求。所以我们看到，STM32V8一大重要应用就是航天。

该系列芯片支持最高4MB的ePCM与1.5MB RAM，片外串行存储器接口包括八线SPI（8位）与十六线SPI（16位），可支持串行NOR闪存、HyperRAM、PSRAM以及就地执行（XIP）操作。

AI能力的大提升是STM32V8的另一个优势。通过Arm Helium M-profile向量扩展（MVE）技术构筑AI能力基石。Helium作为基于打包单指令多数据（SIMD）和单元素标量指令的Arm数学架构，支持整数与浮点数运算，涵盖8位至64位整型操作及128位向量中的16/32位浮点运算。该技术为高性能微控制器带来增强的机器学习（ML）与数字信号处理（DSP）能力，Arm更将MVE封装成适用于C/C++开发的函数库与代码生成工具。

伴随新品发布，ST还为其边缘AI产品线升级了AI模型库。该模型库汇集经过预训练的AI模型，覆盖多种AI应用场景。这些模型专为适配意法半导体AI微控制器产品组合而优化，可加速边缘AI开发进程。据官方介绍，模型库现有140余个模型，应用范围涵盖可穿戴设备、智能摄像头与传感器、安防设备及机器人等设备所需的视觉、音频与感知功能，模型库支持PyTorch、TensorFlow、RSCI框架、LiteRT及Onex格式模型开发。

STM32V8还有其他一些细节上的升级，包括：集成Chrom-ART图形加速器、TFT LCD控制器及JPEG加速器；千兆以太网控制器支持时间敏感网络（TSN），同时配备FD-CAN、高速USB和HDMI-CEC等接口；包含12位ADC与DAC接口以及两组SAI与四组I2S音频接口；涵盖安全存储、安全启动与安全调试支持；配备唯一身份标识与防篡改机制，并通过PSA Level 3与SESIP 3安全认证。

瑞萨更早布局

瑞萨对于M85的布局更早，而且更新产品也异常勤奋和频繁。

2023年10月，瑞萨推出业界首款基于Arm Cortex-M85处理器的RA8系列MCU——RA8M1，备突破性的3000 CoreMark，并可满足客户应用所需的完全确定性、低延迟及实时操作要求。根据瑞萨的说法，6.39 CoreMark/MHz（注）性能水平，将使系统设计人员能够使用RA MCU替代应用中常用的MPU。

当时，瑞萨的第一代RA8主要还是围绕M85内核扩大产品线，这款产品采用的是480MHz M85搭载Helium MVE，在存储方面也没有上新型存储，搭载1MB~2MB闪存和 1MB SRAM（包括TCM）。

今年6月，瑞萨就在官网悄然上线了“全球最强MCU”RA8P1系列。

第二代的RA8把工艺提升到22nm ULL 工艺，搭载了新型存储的0.5/1MB MRAM（可选 4/8MB 闪存），主频也跟着工艺有了大提升，M85内核的主频达到了1GHz，对比起来，RT1170采用的则是28nm FD-SOI制程工艺。

根据瑞萨的说法，相较于闪存，MRAM具备更快的写入速度、更高的耐用性和更强的数据保持能力。不光如此，为了追求更好的AI性能，第二代的RA8还集成了Ethos-U55 NPU和另一颗250MHz的M33。

在推出RA8P1的同时，瑞萨也同步推出了RA8D2，这款产品同样是搭载了1GHz的M85内核以及新型存储MRAM。

今年10月，瑞萨继续迭代，推出1GHz RA8T2 Cortex-M85微控制器，集成MRAM与EtherCAT赋能工业电机控制微控制器。该产品集成1MB MRAM、2MB带 ECC校验的SRAM，同时为双内核分别配置256KB（M85）和 128KB（M33）紧耦合内存（TCM），并支持SiP封装扩展至8MB外部闪存。

紧接着没几天，瑞萨又给RA8系列新增两款产品RA8M2和RA8D2，并且还刷新了跑分，达到了恐怖的7300 CoreMark。

瑞萨表示，RA8M2和RA8D2搭载嵌入式MRAM，相较闪存技术具备多重优势——高耐用性与更强的数据保持能力、更快的写入速度、无需擦除操作、支持字节寻址，同时具备更低的漏电流和制造成本。对于要求更高的应用，还提供单个封装中带有4或8MB外部闪存的SIP选项。此外，RA8M2和RA8D2两款MCU均包含千兆以太网接口和双端口TSN交换机，可满足工业网络应用场景的需求。

可以说，最近的瑞萨真的是死磕高算力MCU，而且为了让MCU的制程更高，性能更强，还同时还死磕了MRAM。

写在最后

从M85落子到MCU中，我们真的快分不清是MCU，还是MPU了。很明显，这些布局，是为了AI，AI真的是为产品升级提供了很大的动力。

而M85正以超越传统MCU的极致性能与异构集成能力，重新定义高性能嵌入式系统的边界，引领MCU迈向“算力无界”的新纪元。

参考文献

[1]Arm：https://developer.arm.com/community/arm-community-blogs/b/internet-of-things-blog/posts/introducing-cortex-m85

[2]All About Circuits：https://www.allaboutcircuits.com/news/stmicro-unveils-first-18-nm-mcu-for-high-performance-designs/

[3]Electronic Design：https://www.electronicdesign.com/technologies/embedded/article/55332065/electronic-design-stmicroelectronics-stm32v8-utilizes-fd-soi-and-phase-change-memory

[4]ST：https://www.st.com/resource/en/product_presentation/stm32v8-presentation.pdf

[5]Renasas：https://www.renesas.cn/

本文来自微信公众号“电子工程世界”（ID：EEworldbbs），作者：付斌，36氪经授权发布。