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MCU越來越強大，從AI擴展到了GPU。

前幾年，隨著邊緣計算、物聯網和智能設備的興起，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，如智能傳感、數據分析、模式識別等。而現在，隨著用戶對圖形用戶界面(GUI)的要求日益增加，尤其是在智能家居、可穿戴設備、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，為嵌入式設備開辟了新的發展方向。

GPU成為MCU廠商競爭的新焦點

GPU已經成為主流MCU廠商布局的重要一環。

2024年1月17日，ST發布了第一款用于通用MCU的矢量圖形加速器NeoChromVG GPU，將在即將推出的STM32U5G9和STM32U5F9上使用。ST在其博客中指出，發布加速矢量運算的特定硬件IP的原因是，越來越多的客戶希望減少對外部閃存模塊的依賴。內存市場一直波動很大，但據《福布斯》報道，許多分析師預計 2024 年閃存需求將強勁，部分原因是新的 AI 應用程序試圖創建“全閃存對象存儲系統”。因此，購買力較弱的小型企業可能會在采購模塊時遇到嚴重問題，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就發布了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 ，可優化內存訪問以更快地處理圖像。后來，ST又收購了TouchGFX，并利用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，該產品于2022年12月推出。NeoChrom GPU借鑒了Chrom-ART的理念，不過提供了更大的優化范圍。

而最新發布的NeoChromVG GPU是ST的第二代GPU。如同ST在博客中所述:由于采用了雙線性和點采樣的紋理映射，新技術提供了新的繪圖加速并支持動畫。因此，過去需要臺式電腦GPU卡才能運行的功能現在已經可以在MCU上運行。

除了ST，Microchip在這一領域也早有布局。2017年Microchip就發布了一款集成2D GPU和DDR2內存的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，為嵌入式設備構建GUI界面帶來了更多的可能性。雖然Microchip發布該產品已久，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設備相比，汽車MCU對GPU能力的需求更為突出。隨著汽車智能化和數字化進程的不斷推進，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、駕駛輔助系統以及車載娛樂等領域。為了滿足這些需求，汽車MCU的性能要求已經遠遠超出了傳統的控制任務，開始向集成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的性能”為口號。TRAVEO T2G-C系列MCU配備了專用的圖形加速器，內置圖形引擎能夠將圖形處理所需的內存減少3到5倍，從而有效降低功耗和成本。得益于優化的2.5D圖形引擎，該MCU可以支持分辨率高達1920x1080的全虛擬儀表盤。此外，采用英飛凌專利的行緩存處理技術，相比傳統幀緩存方案，該系列MCU僅需10%的緩存大小，從而進一步降低了功耗、內存需求和BOM成本。

從消費類電子到汽車應用，GPU集成MCU的趨勢正在快速發展，推動著嵌入式設備的圖形處理能力不斷突破。MCU廠商通過將GPU與MCU結合，不僅能夠降低成本和功耗，還能在更小型、資源受限的設備上實現更高效的圖形處理。

GPU IP廠商也在助推

LVGL是目前最受歡迎的免費開源嵌入式圖形庫，廣泛應用于各種MCU、MPU和顯示器類型的用戶界面(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、高性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正在合作開發用于MCU的高性能低功耗圖形庫。在過去，嵌入式系統的圖形處理大多依賴純軟件渲染，但這種方式效率較低，難以滿足現代設備對圖形性能的需求。雙方通過合作優化了LVGL的超輕量級圖形庫，使其適用于Think Silicon的NEMA GPU系列，以提高性能并顯著降低MCU上圖形用戶界面 的功耗。

與純軟件渲染相比，Think Silicon 的 NEMA gfx-api 軟件開發套件可以將LVGL的圖形庫加速高達 5 倍。此外，與在 MCU 邏輯上運行相同工作負載相比，Think Silicon 的專有有損壓縮技術可將內存使用量減少高達 8 倍，同時將 GPU 功率效率提高高達 10 倍。

2024年11月29日，芯原科技也宣布與LVGL建立戰略合作伙伴關系，以支持LVGL庫中的芯原低功耗3D和VGLite 2.5D GPU 技術。

LVGL首席執行官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復雜的矢量圖形。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設備上的用戶界面帶來前所未有的可能性。在 LVGL，我們很高興能夠采用這項技術并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 內容的無縫集成，這無疑將帶來一些非凡的嵌入式應用。”

炬力集成成為首批在其智能手表片上系統中采用芯原科技與LVGL集成解決方案的公司之一。如今的可穿戴設備(如智能手表)正在不斷集成越來越多的功能，如健康監測、GPS定位等，用戶界面(UI)的交互性和信息傳達變得愈發重要。由于這些設備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能手表等可穿戴設備提供了更強的視覺表現力，并在電池續航和性能之間找到了平衡。

LVGL作為一個開源項目，能夠吸引大規模的開發者社區參與，這增強了GPU在MCU中的應用潛力，對于推動嵌入式圖形庫的普及至關重要。

為什么不直接使用MPU

來替代MCU+GPU？

可能很多人會問，MCU加入GPU，那MPU就可以滿足，為什么不直接使用MPU來替代MCU+GPU？這一問題背后涉及幾個關鍵原因，MCU廠商的選擇也反映了這些考量。

第一，成本。MCU的成本遠低于MPU，一些低端智能設備、傳感器、家電等應用可能只需要基礎的控制能力和簡單的圖形界面，而不需要MPU那種強大的計算能力。加上GPU后，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的功耗遠低于MPU，這對于很多嵌入式設備尤其重要。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，這在電池驅動的設備中尤為重要。

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通常依賴于操作系統，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本身支持實時操作系統(RTOS)或裸機操作，能夠更好地提供實時響應，因此對于實時性要求高的應用，MCU更為適合。

第四，圖形需求問題。如果設備僅需支持一些基礎的2D圖形界面，則使用MCU+GPU的組合非常合適。MPU雖然在圖形處理上更強大，但對于這類應用來說，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復雜性。因此，MCU+GPU提供了一種性價比更高、足夠滿足需求的方案。

結語

GPU與MCU的結合不僅僅是硬件能力的提升，更是軟件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志著嵌入式圖形處理的新時代。隨著MCU在更多高端應用領域中的逐步應用，GPU的集成將變得越來越重要。未來，GPU不僅將為MCU提供更強大的圖形渲染能力，還將支持更多的數據處理和計算任務，成為MCU的“超級助手”。

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