Cortex-M85强势崛起：MCU性能逼近MPU，ST与瑞萨竞相布局

近年来，随着芯片厂商不断推出性能飙升的MCU产品，传统上MCU与MPU之间的界限正变得越来越模糊。

回溯到2022年，Arm发布Cortex-M85之际，便有工程师评论道："尽管M85隶属于Cortex-M家族，但其性能表现已超越早期的Cortex-A处理器，未来的M85芯片将不再局限于传统单片机范畴，堪称一款微应用处理器。"

时至今日，各大厂商纷纷加码基于M85内核的MCU，这些新品展现出了足以媲美MPU的性能实力。那么这些产品究竟有何过人之处？本文将为您详细解析。

深入解读M85内核的硬实力

性能提升，无疑是M85最直接且最显著的优势。

M85作为首款突破6 CoreMarks/MHz和3 DMIPS/MHz的Cortex-M处理器，凭借Arm Helium技术，其DSP与机器学习处理性能相比前代M7提升了高达4倍。如此卓越的标量性能，源于微架构的多项创新，例如优化的双发射与选择性三发射能力、改进的分支预测机制，以及包含数据预取功能在内的增强型内存系统。

Arm指出，在当前计算需求日益严苛的背景下，Cortex-M微控制器开发者面临两难选择：要么优化现有软件以挖掘MCU的极限性能，要么将代码迁移至更高性能的MPU架构。然而，Cortex-M拥有确定性执行、短中断延迟和先进低功耗管理等独特优势，转向Cortex-A将不可避免地牺牲这些特性。正是为了在保留MCU优势的同时满足性能需求，Cortex-M才推出了这款性能‘炸裂’的新内核。

简而言之，M85旨在满足开发者‘鱼与熊掌兼得’的期望——既提供堪比MPU的高性能，又保留MCU的低BOM成本、低功耗和易开发性。

除了性能，M85的内存系统架构同样是一大亮点。

M85采用包含紧密耦合内存（TCM）的低延迟内存系统，确保操作的确定性。架构设计为SoC开发者提供四个32位数据TCM接口和一个64位指令TCM接口，所有接口均集成ECC错误校正码。新增的32位AHB访问接口端口支持外部DMA控制器与M85内核并发访问TCM，适用于多种数据流处理场景。

此外，M85内存系统还集成了带ECC的一级缓存，通过AMBA 5 AXI主接口连接外部存储器，有效应对低速非确定性内存访问，维持性能优化。

安全性也是M85的一大核心卖点。

M85引入了Armv8-M架构的TrustZone技术，并首次在Cortex-M处理器中集成Armv8.1-M指针验证与分支目标识别扩展（PACBTI），大幅降低了开发者通过PSA安全认证2级的门槛。PACBTI通过验证函数调用和返回地址，有效防范面向返回和面向跳转的软件攻击。

总而言之，M85所展现的空前性能为MCU开发者开辟了全新的应用领域，当时众多厂商纷纷表态将跟进。然而，产品迭代需要时间，M85的市场定位也曾引发讨论。时至今日，随着新品陆续推出，M85或许正迎来爆发期。

ST出手了

近日，ST正式发布STM32V8系列，在EEWorld社区引发热议。作为STM32家族性能最强的产品之一，其EEMBC CoreMark跑分高达5072，远超此前的STM32N6。

18nm制程、800MHz主频的Cortex-M85内核、4MB PCM相变存储、MVE（Arm Helium M-profile Vector Extension）——这些技术参数充分彰显了STM32V8的强大实力。

据ST官方介绍，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就提升了20%；与同主频的Cortex-M7产品相比，性能提升高达3.5倍；对于依赖DSP功能的应用，性能增幅更是达到300%至400%。

如此强悍的性能得益于其采用的18nm FD-SOI PCM工艺，该工艺与汽车MCU Stellar系列同源。FD-SOI与FinFET在高性能运算领域形成竞争，作为MCU领域相对新兴的技术，它不仅助力STM32V8实现更高运行频率，还大幅优化了功耗效率。

PCM（相变存储器）作为一种嵌入式非易失性存储器技术，已衍生出多种形态，例如英特尔已停产的3D XPoint内存。PCM以高速存取著称。由于传统嵌入式闪存（eFlash）技术难以突破40nm制程瓶颈，业界开始将目光转向新型存储技术以实现制程微缩。

PCM与MRAM、FRAM、RRAM等新型存储技术展开竞争。PCM具备最小的存储单元，能够在单位面积上实现翻倍的存储容量，从而带来物理尺寸优势。在不增加成本的前提下，PCM可使整体存储容量翻倍，进而有效控制成本。

更关键的是，相较于MRAM和FRAM，ST的PCM技术拥有独特优势：支持高达140℃的工作温度，且具备抗辐射特性，使其不仅适用于航天领域，还能满足严苛的工业和汽车应用需求。因此，STM32V8的一大重要应用场景便是航天。

STM32V8系列芯片最高配备4MB ePCM和1.5MB RAM，片外串行存储器接口支持八线SPI（8位）和十六线SPI（16位），可连接串行NOR闪存、HyperRAM、PSRAM，并支持就地执行（XIP）功能。

AI性能的飞跃是STM32V8的另一大亮点。其AI能力基于Arm Helium M-profile向量扩展（MVE）技术构建。Helium是一种基于打包SIMD和单元素标量指令的Arm数学架构，支持整数与浮点运算，涵盖8位至64位整型操作以及128位向量中的16/32位浮点运算。该技术为高性能MCU带来了增强的机器学习与数字信号处理能力，Arm还提供了适用于C/C++开发的MVE函数库与代码生成工具。

伴随STM32V8的发布，ST同步升级了其边缘AI产品线的AI模型库。该模型库汇集了经过预训练的AI模型，覆盖多种应用场景，并针对ST的AI微控制器产品组合进行了优化，可显著加速边缘AI开发。据官方介绍，模型库目前已包含140余个模型，应用范围涵盖可穿戴设备、智能摄像头、传感器、安防设备及机器人等领域的视觉、音频与感知功能，支持PyTorch、TensorFlow、RSCI框架、LiteRT及Onex等模型格式。

此外，STM32V8还具备诸多细节升级：集成Chrom-ART图形加速器、TFT LCD控制器和JPEG加速器；千兆以太网控制器支持TSN，并提供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和四组I2S音频接口；支持安全存储、安全启动和安全调试；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

相比之下，瑞萨对M85的布局更早，产品迭代也更为频繁。

2023年10月，瑞萨率先推出业界首款基于Arm Cortex-M85的RA8系列MCU——RA8M1，其CoreMark跑分突破3000，同时满足确定性、低延迟和实时操作需求。瑞萨表示，6.39 CoreMark/MHz的性能水平使得系统设计者可以用RA MCU替代传统应用中常用的MPU。

第一代RA8主要围绕M85内核扩展产品线，采用480MHz主频的M85搭配Helium MVE，存储方面仍使用传统闪存，配备1MB~2MB闪存和1MB SRAM（含TCM）。

今年6月，瑞萨在官网悄然上线了号称‘全球最强MCU’的RA8P1系列。

第二代RA8将工艺升级至22nm ULL，并引入新型存储——0.5/1MB MRAM（可选配4/8MB闪存），主频随之大幅提升，M85内核频率达到1GHz。相比之下，恩智浦的RT1170仍采用28nm FD-SOI工艺。

瑞萨指出，与闪存相比，MRAM拥有更快的写入速度、更高的耐用性和更强的数据保持能力。此外，为提升AI性能，第二代RA8还集成了Ethos-U55 NPU和一颗250MHz的Cortex-M33协处理器。

在推出RA8P1的同时，瑞萨还发布了RA8D2，同样搭载1GHz M85内核和MRAM存储。

今年10月，瑞萨再次迭代，推出1GHz主频的RA8T2系列Cortex-M85微控制器，集成MRAM和EtherCAT，专为工业电机控制优化。该产品集成1MB MRAM、2MB带ECC的SRAM，并为M85和M33内核分别配置256KB和128KB TCM，同时支持通过SiP封装扩展至8MB外部闪存。

仅隔数日，瑞萨再度为RA8系列增添两款新品——RA8M2和RA8D2，并将CoreMark跑分刷新至惊人的7300。

瑞萨表示，RA8M2和RA8D2采用嵌入式MRAM，相比闪存具备高耐用性、强数据保持、快速写入、无需擦除、字节寻址以及更低漏电和成本等优势。针对高性能应用，还提供集成4或8MB外部闪存的SiP封装选项。此外，这两款MCU均集成千兆以太网接口和双端口TSN交换机，满足工业网络需求。

可以说，瑞萨近期在高算力MCU领域持续发力，不仅追求更高制程和性能，还深耕MRAM技术。

写在最后

随着M85内核全面落地MCU，MCU与MPU的界限已然模糊。显而易见，这些布局的背后推手正是AI——AI为产品升级注入了强劲动力。

M85凭借超越传统MCU的极致性能和异构集成能力，正重新定义高性能嵌入式系统的边界，引领MCU迈向‘算力无界’的新时代。

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/