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MCU越來越強大，從AI擴充套件到了GPU。
前幾年，隨著邊緣計算、（IoT）和智慧裝置的興起，MCU廠商的一大工作重點是加速引入AI功能，MCU逐漸能夠處理更復雜的任務，如智慧感測、資料分析、模式識別等。而現在，隨著使用者對圖形使用者介面（GUI）的要求日益增加，尤其是在智慧家庭、可穿戴裝置、汽車儀表盤等場景中，傳統MCU的已經無法滿足需求。在這樣的背景下，GPU（圖形處理單元）開始嶄露頭角，成為推動MCU進化的重要力量，為嵌入式裝置開闢了新的發展方向。
GPU成為MCU廠商競爭的新焦點
GPU已經成為主流MCU廠商佈局的重要一環。
2024年1月17日，ST釋出了第一款用於通用MCU的向量圖形加速器NeoChromVG GPU，將在即將推出的STM32U5G9和STM32U5F9上使用。ST在其部落格中指出，釋出加速向量運算的特定硬體IP的原因是，越來越多的客戶希望減少對外部快閃記憶體模組的依賴。記憶體市場一直波動很大，但據《福布斯》報道，許多分析師預計 2024 年快閃記憶體需求將強勁，部分原因是新的 AI 應用程式試圖建立“全快閃記憶體物件儲存系統”。因此，購買力較弱的小型企業可能會在採購模組時遇到嚴重問題，或者只是面臨價格過高而無法使其產品可行的問題。因此，許多公司都希望減少對外部NAND的需求，甚至完全消除它們，這促使ST在新的STM32U5F9和STM32U5G9 MCU中提供NeoChromVG GPU。
其實這不是第一次ST涉足圖形領域。早在2010年，ST就釋出了Chrom-ART這款嵌入式圖形加速器。Chrom-ART嵌入在多個STM32 MCU中的2D加速器 (DMA2D)，可最佳化記憶體訪問以更快地處理影象。後來，ST又收購了TouchGFX，並利用TouchGFX Designer、Simulator和 Generator構建了整個生態系統。而NeoChrom GPU是Chrom-ART的下一代產品，該產品於2022年12月推出。NeoChrom GPU借鑑了Chrom-ART的理念，不過提供了更大的最佳化範圍。
圖源：ST官網
而最新發布的NeoChromVG GPU是ST的第二代GPU。如同ST在部落格中所述：由於採用了雙線性和點取樣的紋理對映，新技術提供了新的繪圖加速並支援動畫。因此，過去需要臺式電腦GPU卡才能執行的功能現在已經可以在MCU上執行。
除了ST，Microchip在這一領域也早有佈局。2017年Microchip就釋出了一款整合2D GPU和DDR2記憶體的MCU——PIC32MZ DA，該產品是MCU發展史上的一個重要里程碑，它打破了傳統MCU在圖形處理能力上的限制，彌補了MCU與MPU之間的圖形界限，為嵌入式裝置構建GUI介面帶來了更多的可能性。雖然Microchip釋出該產品已久，但目前尚未看到其在該領域的進一步進展。
與消費類和工業嵌入式裝置相比，汽車MCU對GPU能力的需求更為突出。隨著汽車智慧化和數字化程序的不斷推進，汽車電子系統對圖形處理的需求顯著增長，尤其是在儀表盤、中控顯示、駕駛輔助系統（ADAS）以及車載娛樂等領域。為了滿足這些需求，汽車MCU的效能要求已經遠遠超出了傳統的控制任務，開始向整合GPU能力方向發展。
英飛凌在2023年12月8日推出的 TRAVEO T2G-C系列汽車 MCU 就是這種趨勢的代表之一。這款MCU以“以MCU的成本為汽車圖形應用提供堪比MPU的效能”為口號。TRAVEO T2G-C系列MCU配備了專用的圖形加速器，內建圖形引擎能夠將圖形處理所需的記憶體減少3到5倍，從而有效降低功耗和成本。得益於最佳化的2.5D圖形引擎，該MCU可以支援解析度高達1920x1080的全虛擬儀表盤。此外，採用英飛凌專利的行快取處理技術，相比傳統幀快取方案，該系列MCU僅需10%的快取大小，從而進一步降低了功耗、記憶體需求和BOM成本。
從消費類電子到汽車應用，GPU整合MCU的趨勢正在快速發展，推動著嵌入式裝置的圖形處理能力不斷突破。MCU廠商透過將GPU與MCU結合，不僅能夠降低成本和功耗，還能在更小型、資源受限的裝置上實現更高效的圖形處理。
GPU IP廠商也在助推
LVGL（Light and Versatile Graphics Library）是目前最受歡迎的免費開源嵌入式圖形庫，廣泛應用於各種MCU、MPU和顯示器型別的使用者介面（UI）開發。近年來，我們觀察到，越來越多的GPU IP廠商與開源圖形庫LVGL進行深度合作，以推動低功耗、高效能的嵌入式圖形解決方案。
近日，GPU IP提供商Think Silicon和免費開源嵌入式圖形庫LVGL正在合作開發用於MCU的高效能低功耗圖形庫。在過去，嵌入式系統的圖形處理大多依賴純軟體渲染，但這種方式效率較低，難以滿足現代裝置對圖形效能的需求。雙方透過合作優化了LVGL的超輕量級圖形庫，使其適用於Think Silicon的NEMA GPU系列，以提高效能並顯著降低MCU上圖形使用者介面 (GUI) 的功耗。
與純軟體渲染相比，Think Silicon 的 NEMA gfx-api 軟體開發套件可以將LVGL的圖形庫加速高達 5 倍。此外，與在 MCU 邏輯上執行相同工作負載相比，Think Silicon 的專有有失真壓縮技術可將記憶體使用量減少高達 8 倍，同時將 GPU 功率效率提高高達 10 倍。
2024年11月29日，芯原科技也宣佈與LVGL建立戰略合作伙伴關係，以支援LVGL庫中的芯原低功耗3D和VGLite 2.5D GPU 技術。
LVGL執行長Gabor Kiss-Vamosi的一番話，代表了GPU正在加入進入MCU。他表示：“VeriSilicon 的 VGLite 2.5D GPU 技術開創了嵌入式領域的新紀元，能夠以超快的速度和低功耗實現複雜的向量圖形。現在，我們正站在一場新革命的邊緣：3D GPU 進入 MCU。這一突破將改變嵌入式 UI 格局，為小型、資源受限和電池供電裝置上的使用者介面帶來前所未有的可能性。在 LVGL，我們很高興能夠採用這項技術並在各種平臺上發揮其潛力。我們的目標是為 VeriSilicon 的 3D GPU 提供出色的開發人員體驗，實現 2D、2.5D 和 3D 內容的無縫整合，這無疑將帶來一些非凡的嵌入式應用。”
炬力整合成為首批在其智慧手錶片上系統（SoC）中採用芯原科技與LVGL整合解決方案的公司之一。如今的可穿戴裝置（如智慧手錶）正在不斷整合越來越多的功能，如健康監測、GPS定位等，使用者介面（UI）的互動性和資訊傳達變得愈發重要。由於這些裝置的顯示屏尺寸小且需要長時間使用電池，如何在確保豐富圖形效果的同時保持低功耗，是設計時面臨的關鍵挑戰。3D圖形技術的引入為智慧手錶等可穿戴裝置提供了更強的視覺表現力，並在電池續航和效能之間找到了平衡。
LVGL作為一個開源專案，能夠吸引大規模的開發者社群參與，這增強了GPU在MCU中的應用潛力，對於推動嵌入式圖形庫的普及至關重要。
為什麼不直接使用MPU
來替代MCU+GPU？
可能很多人會問，MCU加入GPU，那MPU就可以滿足，為什麼不直接使用MPU來替代MCU+GPU？這一問題背後涉及幾個關鍵原因，MCU廠商的選擇也反映了這些考量。
第一，成本。MCU的成本遠低於MPU，一些低端智慧裝置、感測器、家電等應用可能只需要基礎的控制能力和簡單的圖形介面，而不需要MPU那種強大的計算能力。加上GPU後，MCU就能以更低的成本提供足夠的圖形處理能力。
第二，功耗。MCU的功耗遠低於MPU，這對於很多嵌入式裝置尤其重要。MCU+GPU的組合，能夠在提供適當圖形處理能力的同時保持低功耗，這在電池驅動的裝置中尤為重要。
第三，實時性要求。許多嵌入式應用，如工業控制和汽車嵌入式系統，要求實時響應能力。而MPU通常依賴於作業系統（如Linux），這種系統雖然功能強大，但實時性較差，不能滿足對時效性要求非常高的應用場景。而MCU本身支援實時作業系統（RTOS）或裸機操作，能夠更好地提供實時響應，因此對於實時性要求高的應用，MCU更為適合。
第四，圖形需求問題。如果裝置僅需支援一些基礎的2D圖形介面（如簡單的圖示顯示、選單、動態效果等），則使用MCU+GPU的組合非常合適。MPU雖然在圖形處理上更強大，但對於這類應用來說，其強大的計算能力可能是過度設計，不僅增加了成本，還可能帶來不必要的功耗和複雜性。因此，MCU+GPU提供了一種價效比更高、足夠滿足需求的方案。
結語
GPU與MCU的結合不僅僅是硬體能力的提升，更是軟體生態和行業需求雙向驅動的結果。產業界的所有這些趨勢標誌著嵌入式圖形處理的新時代。隨著MCU在更多高階應用領域（如AI、AR/VR、智慧製造等）中的逐步應用，GPU的整合將變得越來越重要。未來，GPU不僅將為MCU提供更強大的圖形渲染能力，還將支援更多的資料處理和計算任務，成為MCU的“超級助手”。
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