RISC-V アーカイブ - IoT MCUのHappyTech

64ビットMCU得失

2022年11月11日2022年11月12日 WithHappy

今年春の3月2日、ルネサスが64ビットRISC-Vコア搭載の汎用MPU：RZ-Fiveを発表しました（!=MCU）。

本稿は、RISC-Vの簡単な紹介と、MCUの64ビット化得失についてまとめました。

RISC-V

リスクファイブ（RISC-V）は、2010年にカルフォルニア大学バークレイ校（2022年世界大学ランキング第4位）で開始されたプロジェクト。オープン標準命令セットアーキテクチャ（ISA）でオープンソースライセンス。使用料無料。用途に応じた32/64/128ビット対応アーキテクチャで、RISC-Vチップや派生成果物の作成も許可。（Wikipediaより）。

ルネサスなどのMPU/MCUチップ製造側にとっては、ARMコアベースに比べ、ライセンス料が無く競合他社差別化や独自性も出し易いのがRISC-Vコアと言えそうです。※RZファミリには、ARMコア（Cortex-A55とCortex-M33ディアルコア）のRZ/G2ULもあるため、ArmベースMPUが最初の右グラフに記載。

日経xTECH記事（2022-09-13）によると、ルネサス以外にも、既に多くのRISC-V利用MPUや32ビットMCUが発表されています。RISC-V CPU搭載ノートPCも販売中です。

IoT MCU要件

CPUやMPUは、64ビット化が進んでいます。Windows 11は、32ビット対応版がありません。また、ルネサスRZ-Five同様、NXPやSTマイクロでもMPUは全て64ビットです。

これは、CPU/MPUに要求されるセキュリティ機能や性能を満たすには、先行するサーバやデータセンタで開発したソフトウェア資産の移植が、64ビットの方が容易だからです。

一方、MCUは、性能・機能の向上と消費電力増加のバランスが、MPUに比べ重視されます。MCU設置個数は、MPUよりも桁違いに多いため既存MCU資産を活かすバイアスが働くためです。最初の右側グラフで、16ビットRL78が低消費電力の代表として表示されていることからも解ります。

このバランスのため現状のIoT MCU主流は、32ビットMCUです。

しかし、MCU製造プロセス改良や、電力供給の世界情勢、自動車ADASと半導体供給状況などにより、IoTセキュリティ機能への要求や、低消費電力への要求バランスは大きく変わる可能性もあります。場合よっては、CPU/MPU同様、64ビットMCUがIoTに適すかもしれません。

アクティブ消費電力とスリープ消費電力両方を減らせるSOTBプロセス（出典：ルネサスサイト）

関連投稿：ルネサスのMCU新製造プロセス SOTB

また、IoT必須のRTOSをMCUへ適用する場合には、32ビットカウンタでは、タイマー満了周期が短い問題も指摘されています。

結論：64ビットMCU見通し

既存MCU資産（特にソフトウェア）をそのまま活かしMCU性能を上げるには、同一コア高速化が適します。一方、サーバやデータセンタのセキュリティ機能移植を考えると、64ビットMCUも有力です。また、IoT MCUのRTOS開発時は、32ビットカウンタの短さに注意が必要かもしれません。

ビット幅を意識することは、Cなどの高級言語でMCU開発する限り稀です。しかし、RTOS開発時や更なる性能・機能向上（例えばエッジAI）、効率的セキュリティ導入を求める時は、32ビットMCU限界が現れることもあり得ます。

アーキテクチャ変更で得るものと失うものバランス、トータル開発コスト、これらが次世代IoT MCUを決めます。今後主流のIoT MCUが32/64ビットいずれになるかは、流動的です。だからこそ、最新IoT MCUやMPU、RISC-V動向を注意深く観察する必要があるというのが結論です。

Cortex-MとRISC-V

2022年1月21日2022年1月29日 WithHappy

NVIDIA買収先で成立見通しが未だに不透明なARM社Cortex-Mと非営利団体運営のRISC-V、両MCUコアの顧客利用動向記事が公開されました（2022年1月14日、ITmedia）。

極簡単に要約すると、ARM顧客の多くが現在NVIDIAと競合関係にあるため、買収成立時、Cortex-M利用の顧客将来製品の代替コア用意（＝Plan B）が必要で、代替コアにRISC-Vが急浮上している、という内容です。

ARM顧客とは、エッジAIや車載半導体製品を供給中のMCUベンダ（Renesas、NXP、STマイクロなど）を指します。Plan Bは、代替案と訳されます。これは、実行案Aのトラブル時、Aの次のBが、第2の案という意味です。

半導体業界は常に変化し、これに伴い案A達成に何らトラブルが無くても、その将来性に変化が生じる可能性もあります。“Backup”としてのPlan B必要性を感じた記事です。

オープンアーキテクチャRISC-V

RISV-Vは、カルフォルニア大学バークレイ校開発のオープンアーキテクチャMCUコアで、Cortex-MのようなCISC（Complex Instruction Set Computer）命令系を、より縮小した命令系（Reduce Instruction Set Computer）へ変え、低電力動作に適すなどの特徴を持ちます。

Cなどの高級言語ソフトウェア開発者にとっては、CISC/RISC差はあまり気になりませんが、コンパイラを開発するMCUベンダにとっては、他社差別化を生む重要なパラメタです。

MCU性能の支配項は、

・MCUコア（CISC or RISC）
・コンパイラ
・製造プロセス（≒最高動作周波数）
・内蔵周辺回路

の4項目で、ARM Cortex-M使用中ベンダなら、MCUコアとコンパイラはARM供給品なので各社共通です。つまり、製造プロセスと内蔵周辺回路でしか他社差別化手段がありません。

NVIDIAがARMを買収した場合、競合他社へのMCUコアやコンパイラ供給に、自社利用品と差を付ける可能性もあります。Cortex-M使用中のMCUベンダ各社が、ARM買収成立を嫌う理由が、これです。

そこで、オープンアーキテクチャでコンパイラ開発自由度も高いRISC-Vコアが、競合他社のCortex-M将来製品コアのPlan Bとして急浮上した訳です。

ARMコアMCU開発で出遅れたRenesasは、早々とRISC-V対応MCU開発を発表しました。NXPやSTマイクロのRISC-Vコア利用は不明ですが、Renesas同様、Plan Bを持っているのは確実です。

我々開発者が、今すぐRISC-V開発を始める必要性は低いと思います。むしろ、Cortex-M代替に、低価格高性能無線機能付きESP-WROOM-32を習得した方が役立つと個人的には思います。RISC-V、ESP-WROOM-32の関連投稿は、リンク先を参照してください。

MicrosoftのOffice、Windows分離売却可能性

Microsoftが買収を発表した大手ゲーム会社Activision Blizzard

半導体業界の大きな一角を占めるMicrosoftの大手ゲーム会社Activision Blizzard買収ニュースが1月19日発表されました。買収理由は、コチラの記事が示すメタバースです。COVID-19が大きく影響しているコンタクトレス・テクノロジのメタバースは、関連投稿の3章を参照してください。

Microsoft動向で気になるのは、確定内容ではありませんが「OfficeとWindowsを売却すべき」という1月17日発表記事です。Microsoftは営利団体です。Windows 11不具合の多さ、新機能の魅力無さなど、最近のWindowsに対するMicrosoftの力の入れようの低下とも符合します。

OfficeやWindows（特にGUI）は、既に製品完成の域に達しています。手間暇が掛かるDOS-VベースのコンシューマーOS企業と、最新コンタクトレス・テクノロジやAzure、高度セキュリティ投資との親和性も高いパブリッククラウド企業とは、別会社の方が、利用者、投資家にとっても判り易いと思います。

エンタープライズ顧客重視で将来性も高いパブリッククラウド企業地位を、MicrosoftがAmazonやGoogleよりも高めたいなら、足枷の可能性もあるOffice、Windows分離売却も可能性ありと思います。

Plan B評価の違い

M&A：Mergers（合併）and Acquisitions（買収）は、半導体業界では当たり前です。激変する半導体業界のMCUベンダとMicrosoft動向記事を紹介しました。

日本社会では、Plan B評価がまだ低いのですが、MCU開発者として、「個人レベルのPlan B必要性」を感じた記事でした。日本人と外国人上司のPlan B評価の違いは、コチラの記事を参照してください。

新IoT MCU：SubRISC+と組込みJava開発

2021年2月26日2021年3月12日 WithHappy

2021年2月19日、東工大は、ARM Cortex-M0比1.4倍、電力効率2.7倍、エネルギー効率3.8倍のIoT向き新MCU：SubRISC+を65nmプロセスで開発しました。本稿は、このIoT MCU：SubRISC+と、IoTエッジ端末ソフトウェア開発にJavaを使う手法を紹介します。

これらが何をIoTエッジ端末の開発課題にとらえ、それにどのように対処しているかを知るメリットを示します。

様々なIoT開発課題と対処方法

開発プロジェクトが始まると、数か月～数年はその対象デバイスや開発方法に、開発者は係りっきりになります。具体的なIoT開発課題や対象デバイスを深く知ることができますが、問題のとらえ方や視野が狭くなる弊害もあります。

開発と並行して競合する別のアプローチを知ると、この弊害を抑え、課題や問題を多角的、効果的に解決する手立てになります。

例えば、開発中のCOVID-19ワクチンが、変異済み、または変異が予想されるウイルスへも十分な効果が見込めれば、人類にとって役立つでしょう。このための第一歩が、変異ウイルスを知ることと同じです。

SubRISC+

IoTエッジ端末の課題を、「小型化と低消費電力性」と捉え、解を示したのが東工大のSubRISC+です。

従来のプロセサは、実務アプリケーションでは殆ど使われないムダな命令も準備されています。このムダを削減し開発されたプロセサをRISC（リスク、Reduced Instruction Set Computer）プロセサと呼びます。従来プロセサは、RISCに対してCISC（シスク、Complex Instruction Set Computer）と呼ばれます。

Java利用の組込みソフトウェア開発

「C/C++を使った組込みIoTソフトウェア開発の困難さ」の課題に対して、Java開発キット（JDK）で解を示したのが、Azul System社の“IoT組み込みソフトウェア開発に、オープンソースJavaの利用が最適である理由”です。

IoTエッジ端末にもC/C++の代わりにJava利用の仮想マシン（JVM）開発を提案し、ハードウエア非依存のIoTアプリケーション開発ができること、C/C++特有のポインタ利用なし、メモリ管理不要、マルチスレッド環境の無料またはオープンソースIoT APIがあること、などの特徴があります。

結果として、IoT市場への製品投入時間短縮、組込み以外のルータ/クラウド開発者採用が可能、開発コスト削減が可能になるそうです。

他社を知るメリット

例えば、Cortex-M0よりも電力効率が良いCortex-M0+コアとLR44電池を使ってIoTエッジ端末を開発中なら、「100日連続稼働がセールスポイント」になることがSubRISC+から判ります。1個のLR44で足りないなら、複数並列で使うなどの対策も開発中にとれます。

また、IDEシミュレーションを活用し「センサセンシングの電力消費を抑える工夫」を重点的に行うと差別化に効果的など、製品改良プライオリティを付ける手掛りにもなります。

筆者はJava利用開発経験がありませんが、IoTエッジ端末開発に必要となる無線機能やセキュリティなども含めたAPIが提供され、しかもハードウエア非依存だとすると、「本来のIoTエッジ端末アプリケーションそのものに注力した開発」ができます。また、顧客対応に横展開するのも容易でしょう。

IoT市場の変化は激しく、無線やセキュリティ仕様などは、国や地域により大きく変わる可能性もあります。少しでも早く低コストでIoTエッジ端末を市場投入できれば、デファクトスタンダード製品になる可能性もあります。

東工大開発IoT MCU：SubRISC+とAzul 社IoT端末ソフトウェア開発Java利用を例に、IoTエッジ端末開発中に陥りがちな視野狭窄を防ぎ、課題を効果的、プライオリティ付けて解決するために、開発と並行して他社アプローチを知るメリットを示しました。

中国製STM32互換MCU

2020年1月31日2020年2月3日 WithHappy

1月28日、EE Times Japanに“互換チップが次々と生まれる中国、半導体業界の新たな潮流”という記事が掲載されました。スイス・ジュネーヴ本社のSTマイクロエレクトロニクス（以下STM）のSTM32互換MCUが、中国で製造プロセス縮小、ローコスト化し販売中だそうです。

STM32F030、STM32F103互換MCU

記事記載の互換デバイスは、STM32F030（Cortex-M0、64KB Flash、8KB RAM）と、STM32F103（Cortex-M3、７2MHz、128KB Flash、20KB RAM）の2種。どちらもSTM純正180nmプロセス製造MCUを、130nmプロセスで製造しており、ローコスト化、低電力化、動作周波数アップが狙いです。

さらに、ARM Cortex-Mコア部分のみをオープン仕様RISC-Vコアへ変えた、STM32互換RISC-V MCUもあるそうです（記事、図４参照）。

記事筆者の清水氏（テカナリエ）は、これら中国製互換デバイスを否定するのが目的ではなく、現状の事実、互換製造ができる高い技術力、STM32MCUが汎用MCUデファクトスタンダードであること、中国半導体業界のこの方向性が、ますます加速する可能性があると報告しています。

日本が見習うべきもの

RISC-Vはオープン仕様ですが、Cortex互換MCU販売には、ARMライセンスフィーなど気になる事柄もあります。但し、本ブログ筆者も清水氏と同じく、その背景にある技術力、ビジネスセンスについて見習うべきものが多いと思います。

STM互換MCUは、純正品よりも安く、しかも高性能です。開発環境や評価ボード、開発ソフトウェアはそのまま互換MCUでも動作します。欧州ベンダのSTM互換MCU開発・販売は、米国ベンダ互換よりもハードルが低いでしょう。世界情勢なども反映された成功事例だと思います。

例え安く高性能な部品（BOM：Bill Of Matrix）が提供されても、それを使って開発できる技術者がいなければ製品化はできません。技術者スキルが最も伸びるのは、開発中です。中国技術者は、高性能製品を低価格で、次々と提供できている事実があります。

もちろん失敗事例もたくさんあるハズです。しかし、技術者にとっては、成功失敗を問わずどんな事例でも開発経験はスキルに直結します。

一方、日本の環境は、時短や効率化など見た目の生産性や成功例のみに注目しがちです。ただ、技術者スキルは世界レベルで評価されるので、このままの環境では、先々の日本開発案件は無くなるのではと危惧しています。

例えば自動車は、日本メーカを選択する人はいても、それが日本開発かは問題にしません。むしろ世界各地で開発されています。
※日産の先進自動運転技術（ADAS）は、米国女性技術者が中心で開発されたと、何かで読んだ記憶があります。

5G、6G世代のネット高速化、自動翻訳やAIなどの環境変化で、日本開発に拘るユーザは、減少の一途となるでしょう。

日本技術者は、次世代の自分自身のため、世界で通用するスキルを身に付ける必要があります。

弊社STM32F0/F1に使えるSTM32FxテンプレートやSTM32G0xテンプレート、その他ベンダのMCUテンプレートは、初心者～中級レベルソフトウェア技術者向きです。初級～中級技術を効率的に習得し、さらに高度なスキル獲得に少しでもお役立てれば幸いです。と、最後は自社広告になってしまいました😌。

ARM MCU変化の背景

2019年12月13日2019年12月20日 WithHappy

“昨今のARM MCU事情、そして今後の方向性”という記事が、2019年11月22日TechFactoryに掲載されました。詳細は記事を参照して頂き、この中で本ブログ筆者が留意しておきたい箇所を抜粋します。その結果、ARM MCU変化の背景を理解できました。

現在のARM MCUモデル

Cortex-Mコアだけでなく、周辺回路も含めた組み合わせARM MCUモデルが、端的に整理されています。

・メインストリームは、Cortex-M4コアに周辺回路搭載
・ローパワーは、Cortex-M0+に低消費電力周辺回路搭載
・ローコストは、Cortex-M0に周辺回路を絞って搭載

例えば、STマイクロエレクトロニクスの最新STM32G0xシリーズのLPUART搭載は、ローパワーモデルに一致します。各Cortex-Mコアの特徴は、コチラの投稿の5章：Cortex-M0/M0+/M3の特徴などを参照してください。

ARM MCUの新しい方向性

2019年10月時点で記事筆者：大原雄介氏が感じた今後のARM MCU方向性が、下記4項目です。

ハイエンドMCU動作周波数高速化、マルチコア化
RTOS普及
セキュリティ対応
RISC-Vとの競合

以下、各項目で本ブログ筆者が留意しておきたい箇所を抜粋します。

1．ハイエンドMCU動作周波数高速化、マルチコア化

動作周波数高速化は、NXPのi.MX RT 1170のことで、Cortex-M7が1GHzで動作。i.MX RT1170は400 MHz動作のCortex-M4も搭載しているディアルコアMCU。

これらハイエンドMCUの狙いは、性能重視の車載MCU比べ、コスト最重視の産業機器向け高度GUIやHMI：Human Machine Interface用途。従来の簡単な操作パネルから、車載のような本格的なGUIを、現状の製造プロセスで提供するには、動作周波数の高速化やマルチコア化は必然。

2．RTOS普及

普通はベアメタル開発だが、アプリケーション要件でRTOS使用となり、ポーティング例は、Amazon FreeRTOSが多い。マルチコアMCUでは、タスク間同期や通信機能実現には、ベアメタルよりもRTOS利用の方が容易。また、クラウド接続は、RTOS利用が前提となっている。

3．セキュリティ対応

PAS：Platform Security Architectureというセキュリティ要件定義があり、これが実装済みかを認証するPSA Certifiedがある。PAS Certified取得にはTrustZoneを持つATM v8-MコアCortex-M23/33が必須ではなく、Cortex-M0やＭ4でも取得可能。但し、全MCUで取得するかは未定で、代表的なMCUのみになる可能性あり。

4．RISC-Vとの競合

ARM CMSISからずれるCustom Instruction容認の狙いは、競合するRISC-Vコアへの対抗措置。RISC-V採用製品は、中国では既に大量にあり、2021年あたりに日本でもARMかRISC-Vかの検討が発生するかも？

ARM MCU変化背景

本ブログ対象の産業機器向けMCUの1GHz動作や、ディアルコアMCUの狙いは、ADAS（先進運転支援システム）が引っ張る車載MCU＋NVIDIA社などのグラフィックボードで実現しつつある派手なGUIを、10ドル以下のBOM：Bill Of Matrixで実現するのが目的のようです。また、産業機器向のMCUのAIへの対応も気になる点です。これにら向け、各種ツールなども各ベンダから提供されつつあります。

ハイエンドMCU開発でRTOS利用が一般的になれば、下位MCUへもRTOSが利用される場面は多くなると思います。タクス分離したRTOSソフトウェア開発は、タスク自体の開発はベアメタルに比べ簡単で、移植性や再利用性も高いからです。ベアメタル開発は、RAMが少ない低コストMCUのみになるかもしれません。

RTOS MCU開発も、Windowsアプリケーション開発のようにOS知識が（無く!?）少なくても可能になるかもしれません。

MCUベンダのセキュリティ対応は、まだ明確な方針が無さそうです。RTOSと同様、IoTアプリケーション要件がポイントになるでしょう。総務省による2020年4月以降IoT機器アップデート機能義務化予定などもその要件の1つになる可能性があります。

Custom Instructionは、コチラの投稿の5章でベンダ独自のカスタム命令追加の動きとして簡単に紹介しましたが、その理由は不明でした。これが、競合RISC-Vコアへの対抗策とは、記事で初めて知りました。

本ブログ記事範囲を超えた、広い視野でのMCU記事は貴重です。

来年開発予定のベアメタルCortex-M4テンプレートへ、RTOSの同期や通信機能を簡易実装できれば、より役立ち、かつRTOS普及へも対抗できるかもしれないと考えています。クラウド接続IoT MCUは、Amazon FreeRTOSやMbed OS実装かつ専用ライブラリ利用が前提なのは、ひしひしと感じています。