MCU，卷向GPU

MCU越来越强大，从AI扩展到了GPU。

前几年，随着边缘计算、物联网（IoT）和智能设备的兴起，MCU厂商的一大工作重点是加速引入AI功能，MCU逐渐能够处理更复杂的任务，如智能传感、数据分析、模式识别等。而现在，随着用户对图形用户界面（GUI）的要求日益增加，尤其是在智能家居、可穿戴设备、汽车仪表盘等场景中，传统MCU的已经无法满足需求。在这样的背景下，GPU（图形处理单元）开始崭露头角，成为推动MCU进化的重要力量，为嵌入式设备开辟了新的发展方向。

GPU成为MCU厂商竞争的新焦点

GPU已经成为主流MCU厂商布局的重要一环。

2024年1月17日，ST发布了第一款用于通用MCU的矢量图形加速器NeoChromVG GPU，将在即将推出的STM32U5G9和STM32U5F9上使用。ST在其博客中指出，发布加速矢量运算的特定硬件IP的原因是，越来越多的客户希望减少对外部闪存模块的依赖。内存市场一直波动很大，但据《福布斯》报道，许多分析师预计 2024 年闪存需求将强劲，部分原因是新的 AI 应用程序试图创建“全闪存对象存储系统”。因此，购买力较弱的小型企业可能会在采购模块时遇到严重问题，或者只是面临价格过高而无法使其产品可行的问题。因此，许多公司都希望减少对外部NAND的需求，甚至完全消除它们，这促使ST在新的STM32U5F9和STM32U5G9 MCU中提供NeoChromVG GPU。

其实这不是第一次ST涉足图形领域。早在2010年，ST就发布了Chrom-ART这款嵌入式图形加速器。Chrom-ART嵌入在多个STM32 MCU中的2D加速器 (DMA2D)，可优化内存访问以更快地处理图像。后来，ST又收购了TouchGFX，并利用TouchGFX Designer、Simulator和 Generator构建了整个生态系统。而NeoChrom GPU是Chrom-ART的下一代产品，该产品于2022年12月推出。NeoChrom GPU借鉴了Chrom-ART的理念，不过提供了更大的优化范围。

图源：ST官网

而最新发布的NeoChromVG GPU是ST的第二代GPU。如同ST在博客中所述：由于采用了双线性和点采样的纹理映射，新技术提供了新的绘图加速并支持动画。因此，过去需要台式电脑GPU卡才能运行的功能现在已经可以在MCU上运行。

除了ST，Microchip在这一领域也早有布局。2017年Microchip就发布了一款集成2D GPU和DDR2内存的MCU——PIC32MZ DA，该产品是MCU发展史上的一个重要里程碑，它打破了传统MCU在图形处理能力上的限制，弥补了MCU与MPU之间的图形界限，为嵌入式设备构建GUI界面带来了更多的可能性。虽然Microchip发布该产品已久，但目前尚未看到其在该领域的进一步进展。

与消费类和工业嵌入式设备相比，汽车MCU对GPU能力的需求更为突出。随着汽车智能化和数字化进程的不断推进，汽车电子系统对图形处理的需求显著增长，尤其是在仪表盘、中控显示、驾驶辅助系统（ADAS）以及车载娱乐等领域。为了满足这些需求，汽车MCU的性能要求已经远远超出了传统的控制任务，开始向集成GPU能力方向发展。

英飞凌在2023年12月8日推出的 TRAVEO T2G-C系列汽车 MCU 就是这种趋势的代表之一。这款MCU以“以MCU的成本为汽车图形应用提供堪比MPU的性能”为口号。TRAVEO T2G-C系列MCU配备了专用的图形加速器，内置图形引擎能够将图形处理所需的内存减少3到5倍，从而有效降低功耗和成本。得益于优化的2.5D图形引擎，该MCU可以支持分辨率高达1920×1080的全虚拟仪表盘。此外，采用英飞凌专利的行缓存处理技术，相比传统帧缓存方案，该系列MCU仅需10%的缓存大小，从而进一步降低了功耗、内存需求和BOM成本。

从消费类电子到汽车应用，GPU集成MCU的趋势正在快速发展，推动着嵌入式设备的图形处理能力不断突破。MCU厂商通过将GPU与MCU结合，不仅能够降低成本和功耗，还能在更小型、资源受限的设备上实现更高效的图形处理。

GPU IP厂商也在助推

LVGL（Light and Versatile Graphics Library）是目前最受欢迎的免费开源嵌入式图形库，广泛应用于各种MCU、MPU和显示器类型的用户界面（UI）开发。近年来，我们观察到，越来越多的GPU IP厂商与开源图形库LVGL进行深度合作，以推动低功耗、高性能的嵌入式图形解决方案。

近日，GPU IP提供商Think Silicon和免费开源嵌入式图形库LVGL正在合作开发用于MCU的高性能低功耗图形库。在过去，嵌入式系统的图形处理大多依赖纯软件渲染，但这种方式效率较低，难以满足现代设备对图形性能的需求。双方通过合作优化了LVGL的超轻量级图形库，使其适用于Think Silicon的NEMA GPU系列，以提高性能并显著降低MCU上图形用户界面 (GUI) 的功耗。

与纯软件渲染相比，Think Silicon 的 NEMA gfx-api 软件开发套件可以将LVGL的图形库加速高达 5 倍。此外，与在 MCU 逻辑上运行相同工作负载相比，Think Silicon 的专有有损压缩技术可将内存使用量减少高达 8 倍，同时将 GPU 功率效率提高高达 10 倍。

2024年11月29日，芯原科技也宣布与LVGL建立战略合作伙伴关系，以支持LVGL库中的芯原低功耗3D和VGLite 2.5D GPU 技术。

LVGL首席执行官Gabor Kiss-Vamosi的一番话，代表了GPU正在加入进入MCU。他表示：“VeriSilicon 的 VGLite 2.5D GPU 技术开创了嵌入式领域的新纪元，能够以超快的速度和低功耗实现复杂的矢量图形。现在，我们正站在一场新革命的边缘：3D GPU 进入 MCU。这一突破将改变嵌入式 UI 格局，为小型、资源受限和电池供电设备上的用户界面带来前所未有的可能性。在 LVGL，我们很高兴能够采用这项技术并在各种平台上发挥其潜力。我们的目标是为 VeriSilicon 的 3D GPU 提供出色的开发人员体验，实现 2D、2.5D 和 3D 内容的无缝集成，这无疑将带来一些非凡的嵌入式应用。”

炬力集成成为首批在其智能手表片上系统（SoC）中采用芯原科技与LVGL集成解决方案的公司之一。如今的可穿戴设备（如智能手表）正在不断集成越来越多的功能，如健康监测、GPS定位等，用户界面（UI）的交互性和信息传达变得愈发重要。由于这些设备的显示屏尺寸小且需要长时间使用电池，如何在确保丰富图形效果的同时保持低功耗，是设计时面临的关键挑战。3D图形技术的引入为智能手表等可穿戴设备提供了更强的视觉表现力，并在电池续航和性能之间找到了平衡。

LVGL作为一个开源项目，能够吸引大规模的开发者社区参与，这增强了GPU在MCU中的应用潜力，对于推动嵌入式图形库的普及至关重要。

为什么不直接使用MPU

来替代MCU+GPU？

可能很多人会问，MCU加入GPU，那MPU就可以满足，为什么不直接使用MPU来替代MCU+GPU？这一问题背后涉及几个关键原因，MCU厂商的选择也反映了这些考量。

第一，成本。MCU的成本远低于MPU，一些低端智能设备、传感器、家电等应用可能只需要基础的控制能力和简单的图形界面，而不需要MPU那种强大的计算能力。加上GPU后，MCU就能以更低的成本提供足够的图形处理能力。

第二，功耗。MCU的功耗远低于MPU，这对于很多嵌入式设备尤其重要。MCU+GPU的组合，能够在提供适当图形处理能力的同时保持低功耗，这在电池驱动的设备中尤为重要。

第三，实时性要求。许多嵌入式应用，如工业控制和汽车嵌入式系统，要求实时响应能力。而MPU通常依赖于操作系统（如Linux），这种系统虽然功能强大，但实时性较差，不能满足对时效性要求非常高的应用场景。而MCU本身支持实时操作系统（RTOS）或裸机操作，能够更好地提供实时响应，因此对于实时性要求高的应用，MCU更为适合。

第四，图形需求问题。如果设备仅需支持一些基础的2D图形界面（如简单的图标显示、菜单、动态效果等），则使用MCU+GPU的组合非常合适。MPU虽然在图形处理上更强大，但对于这类应用来说，其强大的计算能力可能是过度设计，不仅增加了成本，还可能带来不必要的功耗和复杂性。因此，MCU+GPU提供了一种性价比更高、足够满足需求的方案。

结语

GPU与MCU的结合不仅仅是硬件能力的提升，更是软件生态和行业需求双向驱动的结果。产业界的所有这些趋势标志着嵌入式图形处理的新时代。随着MCU在更多高端应用领域（如AI、AR/VR、智能制造等）中的逐步应用，GPU的集成将变得越来越重要。未来，GPU不仅将为MCU提供更强大的图形渲染能力，还将支持更多的数据处理和计算任务，成为MCU的“超级助手”。

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