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从飞思卡尔到NXP,经久不衰的i.MX系列产品背后的“成功学”

从飞思卡尔到NXP,i.MX系列经久不衰

近日,恩智浦半导体(NXP)宣布其EdgeVerse™产品系列新增了跨界应用处理器,包括i.MX 8ULP、经Microsoft Azure Sphere认证的i.MX 8ULP-CS(云安全)系列和新一代高性能智能应用处理器i.MX 9系列。至此,NXP的i.MX系列已经逐步壮大,并应用于多种领域。其实,i.MX系列早在20年前就已经在各领域有所应用,并深受用户喜爱。下面我们就了解一下i.MX是如何诞生的。

i.MX系列的身世涉及到了三大公司:摩托罗拉、飞思卡尔和NXP。

i.MX的诞生地——摩托罗拉

i.MX前世是DragonBall,不要以为是动漫神剧《七龙珠》,它是摩托罗拉的DragonBall,即 MC68328,DragonBall出现于1995年,设计者为当时在摩托罗拉公司实习的香港城市理工学院的电子工程 系学生。MC68328基于摩托罗拉68000内核,但这款产品功耗与同类产品比较,功耗极低,因此非常适合于手持型设备。这是一款SoC,其中包括显示控制器(Display controller)、通用异步收发传输器(UART)、红外线资料传送(IrDa)、实时时钟(RTC)等,大大节省了芯片空间,成本及功耗。

1960年代摩托罗拉在半导体行业保持领先,那个时代的英特尔还是一家危机重重的存储器制造商。直到1978年英特尔和摩托罗拉几乎同时推出16位的第三代微处理器8086和68000,后者集成的晶体管数目(68000个)是前者的(不到3万个)两倍还多。MC68000在早期得到了很多高端产品的青睐。在升阳公司的Sun workstation等多种Unix工作站中,MC68000一度占统治地位。市场领先的其他一些计算机,包括Amiga(阿米加)、Atari ST、Apple Lisa 和 Macintosh(麦金托什),以及第一代激光打印机,如苹果公司的LaserWriter都在使用MC68000。1982年,摩托罗拉进一步更新了MC68000的指令集以支持虚拟内存,并使其能够满足由Popek和Goldberg于1974年提出的虚拟化标准。

68000首先被应用于许多高端产品中,如多用户微型计算机WICAT 150及阿尔法微系统的一些早期计算机等。单用户工作站如惠普公司的HP 9000/200、太阳微系统的Sun-1;图形终端如DEC的VAXstation 100和Silicon Graphics的IRIS 1000均使用68000。许多Unix系统也开始使用68K系列CPU。在80年代中期,68000又成为首先应用于个人/家庭计算机的CPU。先后有苹果的Apple Lisa与麦金塔(Macintosh 128K)、Amiga的海军准将(Commodore)、雅达利ST及夏普的Sharp X68000采用68000。

68000最主要的成功在于控制器领域。早在1981年Imagen公司就把68000用作其激光打印机Imprint-10外部控制器的CPU。惠普于1984年发布的第一款LaserJet打印机亦使用一片8MHz的68000作为内置控制器。类似的基于68000的整合控制器也被广泛用在其他多款打印机中。到90年代,68000仍在许多低端打印机中被使用。

还记得以前玩的游戏机吗?正式MC68000让街机游戏机风靡一时,游戏容量很小,效果却出乎意料的好。

铱星计划把摩托罗拉“坑惨”了

随后在移动通信市场上,铱星计划事件导致摩托罗拉滑入深渊。随后,诺基亚、三星的崛起,最终让摩托罗拉走向了衰败。到了2002年,一直排名世界前三的摩托罗拉半导体业务不仅销售额已不在全球前10名之内,而且运营亏损高达15亿美元,占到整个公司亏损额的 4/5。集团不得已做出剥离半导体业务的打算。2011年,摩托罗拉拆分成两家公司:摩托罗拉移动和摩托罗拉方案。摩托罗拉的半导体部门,早在2004年就被分拆出来,成立了飞思卡尔。飞思卡尔继承了摩托罗拉全部的数字 IC 业务以及射频和传感器业务,在消费电子、医疗、网络和汽车电子方面均有完整的产品线。

改朝换代:i.MX 正式起飞

当时arm架构兴起,飞思卡尔开始弃用68000,全面转向ARM内核,投入ARM怀抱之后,产品命名也正式更为i.MX系列。i.MX全名叫做innovaTIve MulTImedia eXtension,意思是创新的多媒体扩展体验。i.MX应用处理器是基于ARM®的单核/多核解决方案,适用于汽车电子、工业控制、中高端消费电子、电子书、ePOS、医疗设备、多媒体和显示、以及网络通信等应用,具有可扩展性、高性能和低功耗的特点。

随后,飞思卡尔先后产出了6个系列的i.MX处理器:

i.MX1系列,基于ARM920T,频率从100MHz至200MHz。

i.MX2系列,基于ARM9,处理频率400MHz、454MHz,90nm制程,包含工业及车用级产品,带有视频处理单元,安全控制单元,液晶触控驱动,电源管理,音频解码,Can/以太网接口,支持DDR。

i.MX3系列:基于ARM11,90nm制程,处理频率532MHz,带有视频解码,3D图像处理单元。

i.MX5系列:基于ARM Cortex-A8,65nm制程,处理速度大于800 MHz,支持720P硬解码,DDR2,支持电子墨水显示屏驱动。

i.MX6系列:基于ARM Cortex A9,支持单核,双核,以及四核,采用40nm工艺,支持高清视频解码。

凭借 i.MX系列的出色表现,飞思卡尔在半导体领域可谓是风生水起。独立后的第2年,飞思卡尔就从净亏3.7亿美元转为赢利2.1亿美元,并在纽交所成功上市,借助老东家在消费电子领域的影响力,飞思卡尔获得了大量手机芯片订单,一时间出尽风头。2005年其净收入又扩大 到5.63亿美元,飞思卡尔当时生产的半导体应用广泛,是诸如汽车的仪表板、手机、游戏机等数以万计电子产品的核心元件。

手机业务拖垮飞思卡尔

作为资本市场上的“香饽饽”,2006年,私人股权基金黑石集团最终以176亿美元的适中价格将飞思卡尔拿下,此时飞思卡尔变身为负债最多且负债率最高的半导体公司。谁知几个月之后,全球经济开始上演“过山车”。2007年最大的客户摩托罗拉手机业务低迷,原因是iPhone的横空出世。占有飞思卡尔30%收入的手机芯片业务全年颗粒无收。受此影响,飞思卡尔收入大幅下跌,排名也从第9名下滑到了第16。

飞思卡尔万般无奈之下,决定退出手机芯片市场,但壮士断腕后,飞思卡尔并没有找到出路,缺少流动资金致使飞思卡尔的负债达到了惊人的75亿美元,把汽车电子芯片市场作为救命稻草的飞思卡尔也没有泛起更大的浪花。虽然车联网的概念,飞思卡尔的市值也借着东风增长些许,但最终还是没有缓解飞思卡尔的债务危机。

飞思卡尔转型受阻,NXP救急

2015年3月,NXP向岌岌可危的飞思卡尔递上了橄榄枝,最终达成收购飞思卡尔的协议。以118亿美元的价格完成了对美国车载半导体巨头飞思卡尔(Freescale Semiconductor)的收购,从而整合拥有了完整的汽车半导体解决方案(包括汽车AMS、传感器、车载娱乐系统)一举跃升为全球第一大汽车芯片厂商,辉煌一时的飞思卡尔半导体品牌正式停止使用,退出市场。

合并后,其互补的产品系列将是物联网解决方案的理想选择,包括安全性、MCU、软件、连接和广泛的客户群基础。重点领域将是汽车。而飞思卡尔的明星产品 i.MX系列也在汽车应用方面帮了大忙。比如,汽车信息娱乐系统方面,i.MX的口碑那在业界是杠杠的,据悉,全球前十名的OEM汽车原厂都使用了飞思卡尔i.MX应用处理器。

i.MX系列遍布千行百业

如今,NXP针对物联网,边缘计算,IIoT,AI等方面都推出了i.MX系列,同时具有高性能和低功耗、可扩展、安全可靠等特点。据了解,i.MX应用处理器已发售5亿多件,正在改变着人类的交互方式。

恩智浦i.MX产品背后的“成功学”

丰富的产品组合、完善的软件生态、安全和低功耗方面的行业标杆、独树一帜的跨界处理器……恩智浦这些年在i.MX系列应用处理器和跨界处理器领域的诸多成功故事,你是否探究过其背后更深刻的“成功学”要义?

一直以来,恩智浦与Arm的合作都会给业界带来很多惊喜。作为领先的技术合作伙伴,恩智浦与Arm对 Ethos-U65 microNPU(神经处理单元)架构进行了升级改造,以便更好地支持应用处理器。据悉,Ethos-U65 microNPU架构已经被集成到了恩智浦的下一代i.MX应用处理器中,以提供高能效的经济高效型机器学习解决方案,满足快速增长的工业和物联网边缘应用需求。

与此同时,自2016年面市以来,i.MX RT跨界微控制器(MCU)系列产品也取得了优秀的市场表现,该系列最新产品i.MX RT1170,是恩智浦i.MX RT的第二代产品。

而如果我们仔细去观察,这些优秀的i.MX产品,它们的诞生以及后续的成功都不是偶然的,在其背后自有一套内在的逻辑在做支撑和驱动。今天我们就一起来探究一下。

边缘计算:催生丰富的产品组合

5G技术、互联网技术和边缘计算使得全球智能及互联设备快速增长,万物互联的时代已经到来。根据预测,全球互联设备的数量在2025年会达到500亿。

恩智浦大中华区工业与物联网市场高级总监金宇杰表示,现阶段,数十亿的互联网设备组成了一个互联网世界,智能设备在未来的几年里会翻倍增长。“这样的增长需要每个网络节点和边缘设备都具有处理能力,也需要融入人工智能和机器学习技术。这样一来,对于我们的消费和工作,尤其是在移动设备和支付领域会发生巨大的变化。”

边缘计算对互联设备提出了更高的要求,单一硬件架构已经无法满足边缘计算的要求,因此恩智浦推出了丰富的产品组合以应对这一发展趋势。

金宇杰介绍说,i.MX系列应用处理器是恩智浦的一个广为人知的产品线,其市场占有率非常高;恩智浦还推出了适用于通讯领域的MPU产品;此外,基于Cortex-M核的LPC微控制器,以及包含BLE和ZigBee等连接技术的无线微控制器都是恩智浦面向边缘计算的解决方案。

而跨界处理器更是恩智浦着力打造的产品。在跨界处理器上,恩智浦在MCU的实时性及低功耗基础上,引入了应用处理器的算力。借此,恩智浦致力于把在云端运用的技术推广到边缘端,甚至推广到MCU平台上。“接下来我们的很多产品都是基于i.MX架构的单核到多核(如16核)器件,以支持不同的应用。同时,为了支持这些硬件,我们还提供了很多配套的软件产品。”金宇杰说。

特别值得一提的是,近期恩智浦推出了i.MX 8ULP、i.MX 8ULP-CS以及i.MX 9系列产品,这些产品将很快进入市场。其中,i.MX 9是在i.MX 8系列基础上构建的新一代产品,NPU(网络神经加速器)的融入使得其在边缘端的AI计算能力进一步加强,内置的MCU内核能够实现实时响应,并对整个器件的功耗进行控制。此外,EdgeLock安全区域和Energy Flex技术是新增的两项新技术——EdgeLock安全区域能够保障数据的安全性,Energy Flex技术则在提供更强算力的同时降低了功耗,有效控制整个系统的功率水平。

安全和功耗:提升用户体验的关键

万物互联,安全为先。恩智浦特别强调产品的安全性,推出的EdgeLock技术能够为用户的数据安全保驾护航。恩智浦边缘处理事业部软件研发总监翁铁成表示,从安全策略启动和信任根来看,恩智浦提供了EdgeLock2Go技术,该技术的信任根包含在EdgeLock中,用户可以通过信任根与EdgeLock的云服务做交互,以确保认证安全。

此外,微软的Azure Sphere也被集成到恩智浦最新的产品中。“不只是云服务,它本身也是一个操作系统。”翁铁成表示,“基于我们和微软战略合作伙伴的关系,它能够给我们持续提供10年以上的升级和改进,包括安全策略提升等服务,从而保证产品在工业物联网领域十年以上的使用寿命。”

创新的高效节能技术是恩智浦产品的另一个亮点。翁铁成介绍,比起异构架构,新产品包含了Cortex-A35处理器内核,具备既高效又节能的特点。在实时处理方面,产品则集成了Cortex-M33内核。基于Energy Flex架构处理时有多种可选择的配置,比如可以针对Cortex-M进行处理,也可以针对Cortex-M加上Cortex-A核进行处理,还可以结合GPU、DSP形成统一的能耗管理配置,能够满足物联网和工业领域多样化的需求。

硬件之外,打造完善的软件生态

除了底层的芯片设计和参考电路板设计,恩智浦还为客户提供软件方面的支持,以最大限度提升用户体验,最大程度上发挥出芯片的能力。

针对故障检测、语音识别、人脸识别等场景,恩智浦提供了可直接调用的相应API。针对MPU、MCU芯片,恩智浦的产品具备很多计算模块,如GPU、NPU、图像处理和视频处理等。此外,针对MCU的PXP、VGLite也能很好地在AI和ML中充分发挥计算能力。总的来说,利用工具和客户想搭载的推理模型,能够在生成的模型中最大化地利用这些计算加速引擎,最大限度地发挥出AI和ML的作用。

为了让客户更容易打造自己的产品,恩智浦还针对广泛的工业应用做了一些工具集,其中部分工具集是特别为国内市场工业协议提供支持的,例如对EtherCAT、IGH整个协议提供完整的解决方案。就CAN总线而言,恩智浦基于MPU针对CANOpen也提供了一套完整的支持方案。由于工业领域正在向TSN转型,恩智浦还在提供的工业协议里推出了针对EtherCAT、CAN、Modbus等Over TSN的支持。

跨界的i.MX RT:带来无限可能

“探索跨界处理器的星辰大海,i.MX RT为你带来无限可能”,跨界处理器带来的诸多变化,让包括恩智浦边缘处理事业部系统工程总监王朋朋在内的众多MCU从业者感到惊奇与讶异。

王朋朋介绍,在性能方面,恩智浦最新的i.MX RT1170主频已经达到了1GHz。此外,作为Cortex-M7 + Cortex-M4双核的MCU产品,它的DMIPS在MCU领域无出其右,远远超出了其它同类的产品。

与前代产品相比,i.MX RT1170拥有更的高性能和更加丰富外设,在图形图像音频处理、电机控制等方面的表现均有非常大的提升。与此同时,恩智浦面向一些特定的应用领域,研发出了一些针对性更强的跨界处理器。“比如,i.MX RT600就集成了HiFi4的DSP,增强了音频处理;即将发布的i.MX RT500集成FUSION的DSP可做更多的传感处理,因此更适合低功耗的应用。”王朋朋表示

这些强大的产品需要得到来自强大的软件、工具以及生态系统的支持,恩智浦在软件赋能方面同样取得了很大的进展。王朋朋向记者介绍,这些进展涵盖AI机器学习、机器视觉、语音和音频处理,以及图形图像视频处理技术、电机控制、操作系统等多个方面。

在音频上,i.MX RT支持多个麦克风、PDM解调以及多个低麦克音频的输入;i.MX RT600集成了HiFi4 DSP的处理,具备非常多的Flex接口和高精度的定时器,能够相互配合实现转换。

恩智浦MCU的强劲实力在音频处理方面体现得淋漓尽致。在Cortex-M7内核或HiFi4的DSP上进行语音解码,CPU的占用率只有百分之零点几或者是百分之几,因此用户有充足的带宽去做其他事情。另外,i.MX RT在语音识别方面也具备不少优势——在安静的情况下,依靠软件的配合可以达到99%的识别率,即使是嘈杂的环境下也有80%的识别率。

视频方面也是i.MX RT的强项。王朋朋表示,MIPI的CSI、DSI接MIPI的显示输出,外加并行的LCD接口可以支持多种色彩,可支持24位、32位色彩;多个硬件涂层可以实现混层、多层效果。“原来在MCU上所做的界面比较简单,但现在它显示的效果却非常酷炫。”王朋朋举例道,“比如,手机或者其他高端显示设备上的3D、滑动、模糊背景处理等功能,都可以做得比较好看了。”

除了消费类的音频、视频领域,工业、家电、电机控制领域也是恩智浦非常看中的市场。i.MX RT在这些领域的表现也同样非常优秀。王朋朋表示,这是因为它有非常多的PWM通道,也有非常多的串行接口,因此可以支持多电机控制,相当于一颗芯片同时做很多事情。

得益于较高的实时性和效率,i.MX RT还可以实现更加快速的闭环电流环控制。随着在多领域大显身手,相信i.MX RT的生态会愈发完善,我们也有理由相信后续恩智浦会推出在性能和应用性等方面表现更强的新产品。

本文分享自微信公众号 - 人人都是极客(rrgeek)

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原始发表时间:2021-04-03

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