Процессоры обращаются к конвергенции IoT и AI

Производители микропроцессоров (MPU) и микроконтроллеров (MCU) продолжают обращать внимание на растущие приложения Интернета вещей с помощью новых устройств, ориентированных на сверхнизкое энергопотребление, более высокую производительность системы и усиленную безопасность, включая активное обнаружение несанкционированного доступа и безопасную установку прошивки. Эти микросхемы должны обрабатывать огромные объемы данных от все большего и большего числа датчиков при низком энергопотреблении. Чтобы снизить энергопотребление, производители микросхем используют такие методы, как адаптивное масштабирование напряжения, стробирование мощности и несколько режимов работы с пониженным энергопотреблением.

Согласно прогнозам исследовательской компании Statista, к 2025 году мировой рынок подключенных к Интернету вещей устройств достигнет примерно 38,6 миллиарда единиц по сравнению с 22 миллиардами в 2018 году. Эти подключенные устройства теперь используются в разных отраслях, от смартфонов, интеллектуальных устройств и домашних систем безопасности до подключенных автомобилей, умных городов и промышленного Интернета вещей.

Благодаря конвергенции искусственного интеллекта и Интернета вещей во многих отраслях, дополнительный интеллект создает некоторые проблемы, связанные с безопасностью, надежностью, производительностью и, конечно же, стоимостью. Эти микросхемы должны обеспечивать высокоскоростную обработку с улучшенными характеристиками при одновременном снижении энергопотребления. Некоторые из этих производителей микросхем также применяют такие методы, как расширенное сжатие для снижения энергопотребления и модели машинного обучения (ML).

Вот несколько примеров MPU и MCU, предназначенных для IoT и конвергентных приложений AI.

Семейство микроконтроллеров PIC18-Q43 от Microchip Technology Inc., предназначенное для различных подключенных приложений, объединяет более настраиваемые периферийные устройства, не зависящие от ядра (CIP), которые перекладывают многие программные задачи на оборудование для более быстрой работы системы и ускорения вывода на рынок. CPI предлагают большую гибкость проектирования при создании настраиваемых аппаратных функций, чтобы разработчикам было проще настраивать свои конкретные конфигурации проекта. Они разработаны с дополнительными возможностями для обработки задач без необходимости вмешательства со стороны ЦП.

Конфигурируемые периферийные устройства соединены между собой, чтобы обеспечить совместное использование данных, логических входов или аналоговых сигналов с почти нулевой задержкой без дополнительного кода для улучшения реакции системы. Приложения включают в себя множество приложений для управления в реальном времени и подключенных приложений, включая бытовую технику, системы безопасности, управление двигателями и промышленным оборудованием, освещение и Интернет вещей.

Микроконтроллеры Microchip PIC18-Q43 (Изображение:Microchip Technology)

CIP, включая таймеры, упрощенный выход с широтно-импульсной модуляцией (PWM), CLC, аналого-цифровой преобразователь с вычислением (ADCC) и несколько последовательных коммуникаций, позволяют разработчикам сократить время разработки и улучшить производительность системы. CLC позволяет разработчикам настраивать такие функции, как генерация сигналов и временные измерения. По словам Microchip, CIP также позволяют реализовать целые контуры управления в настраиваемом аппаратном обеспечении на кристалле.

Семейство продуктов PIC18-Q43 доступно в различных объемах памяти, упаковках и ценовых категориях.

Renesas Electronics Corp., оптимизированная для обеспечения безопасности и беспроводной связи, недавно выпустила RX23W - 32-разрядный микроконтроллер с Bluetooth 5.0 для оконечных устройств IoT, таких как бытовая техника и медицинское оборудование. MCU также включает в себя Trusted Secure IP Renesas, входящий в семейство MCU RX, для устранения угроз безопасности Bluetooth, таких как подслушивание, вмешательство и вирусы.

RX23W основан на ядре Renesas RXv2, которое обеспечивает высокую производительность 4,33 Coremark / МГц, с улучшенным блоком операций с плавающей запятой (FPU) и функциями DSP. Чип работает на максимальной тактовой частоте 54 МГц. Оптимизированный для управления системой и беспроводной связи, RX23W обеспечивает полную поддержку Bluetooth 5.0 с низким энергопотреблением, включая функции большой дальности и ячеистой сети, и заявляет о самом низком в отрасли уровне пикового энергопотребления в режиме приема - 3 мА.

32-разрядный микроконтроллер Renesas RX23W с Bluetooth 5.0 (Изображение:Renesas Electronics)

RX23W также объединяет ряд периферийных функций для оборудования IoT, включая функции безопасности, сенсорной клавиши, USB и CAN. Эти функции позволяют RX23W реализовывать как управление системой, так и функции беспроводной связи Bluetooth для оконечного оборудования IoT, такого как бытовая техника, медицинское оборудование, спортивное и фитнес-оборудование, на одном чипе, - сказал Ренесас. Кроме того, функции сети Bluetooth делают его оптимальным для промышленного оборудования Интернета вещей, собирающего данные датчиков на заводе или в здании.

RX23W теперь доступен в корпусах 7 × 7 мм с 56 выводами QFN и 5,5 × 5,5 мм с 85 выводами BGA с 512 КБ встроенной флеш-памяти.

Также на обеспечение лучшей защиты устройств, подключенных к IoT, являются микроконтроллеры STMicroelectronics со сверхнизким энергопотреблением STM32L5x2, основанные на 32-битном ядре RISC Arm Cortex-M33 с аппаратной безопасностью Arm TrustZone. Надежные вычисления аутентифицируют устройства, подключенные к сети, путем создания защищенной среды выполнения для киберзащиты и конфиденциального кода (криптография и хранилище ключей), который блокирует попытки повредить устройства или программное обеспечение, в то время как вторая, независимая среда выполнения позволяет запускать ненадежный код - сообщили в компании.

С новыми микроконтроллерами серии STM32L5, работающими на тактовых частотах до 110 МГц, ST позволяет разработчикам включать или исключать каждый ввод / вывод, периферийное устройство, область флэш-памяти или SRAM из защиты TrustZone. По словам ST, это позволяет полностью изолировать чувствительные рабочие нагрузки для обеспечения максимальной безопасности.

Кроме того, TrustZone была разработана для поддержки безопасной загрузки, специальной защиты от чтения и записи для интегрированной SRAM и флэш-памяти, а также криптографического ускорения, включая аппаратное ускорение AES 128- / 256-битного ключа, ускорение открытого ключа (PKA) и AES- 128 дешифрование на лету (OTFDEC) для защиты внешнего кода или данных. Другие функции включают активное обнаружение несанкционированного доступа и безопасную установку прошивки. Вместе эти функции безопасности обеспечивают сертификацию PSA Certified Level 2.

Микроконтроллеры STMicroelectronics STM32L5 (Изображение:STMicroelectronics)

Семейство STM32L5 также обеспечивает сверхнизкое энергопотребление благодаря добавлению таких технологий, как адаптивное масштабирование напряжения, ускорение в реальном времени, стробирование мощности и несколько режимов работы с пониженным энергопотреблением. Эти методы позволяют микроконтроллерам обеспечивать высокую производительность и длительное время автономной работы вне зависимости от того, питаются ли устройства от батарейных блоков или даже от аккумуляторов энергии, сказал ST.

Импульсный понижающий стабилизатор также может включаться или понижаться "на лету", чтобы улучшить характеристики с низким энергопотреблением, когда напряжение VDD достаточно высокое. ULPMark оценки, которые измеряют эффективность сверхнизкого энергопотребления на основе реальных тестов, разработанных EEMBC:370 ULPMark-CoreProfile и 54 ULPMark-PeripheralProfile при 1,8 В.

Другие функции MCU включают в себя двухбанковую флеш-память емкостью 512 Кбайт, которая позволяет выполнять операции чтения во время записи и поддерживает код коррекции ошибок (ECC) с диагностикой, 256-Кбайтную SRAM и поддержку высокоскоростной внешней памяти, включая одинарную, двойную, четырехъядерную. или восьмеричный SPI и Hyperbus flash или SRAM, а также интерфейс для SRAM, PSRAM, NOR, NAND или FRAM.

Цифровые периферийные устройства включают USB Full Speed ​​с выделенным источником питания, что позволяет клиентам поддерживать USB-соединение даже при питании системы от 1,8 В, и контроллер UCPD, совместимый со спецификациями USB Type-C Rev.1.2 и USB Power Delivery Rev. 3.0. Интеллектуальные аналоговые функции включают аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два стробируемых цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), два компаратора сверхмалой мощности и два операционных усилителя с внешней или внутренней маршрутизацией повторителя и программируемыми:возможность усиления усилителя (PGA).

Серия STM32L5 предлагает собственный универсальный программный пакет STM32CubeL5, который включает уровень аппаратной абстракции и низкоуровневые драйверы, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot and Secure Firmware Update (SBSFU), USB- Драйвер устройства PD, MbedTLS и MbedCrypto, файловая система FatFS и драйверы Touch Sensing.

Микроконтроллеры STM32L5x2 хорошо подходят для промышленных приложений IoT, включая измерения, мониторинг здоровья (человека или машины) и мобильные точки продаж. Микроконтроллеры STM32L5x2 доступны в стандартном температурном диапазоне (от -40 ° C до 85 ° C) для потребительских и коммерческих приложений или в высокотемпературном классе, указанном в диапазоне от -40 ° C до 125 ° C.

Конвергентный ИИ и Интернет вещей

Основываясь на своей платформе искусственного интеллекта, Arm недавно представила свой процессор Cortex-M55 и блок нейронной обработки (NPU) Ethos-U55, который рекламируется как первый в отрасли microNPU для Cortex-M. Для требовательных приложений машинного обучения Cortex-M55 может быть соединен с микропроцессором Ethos-U55, что в совокупности обеспечивает увеличение производительности машинного обучения в 480 раз по сравнению с существующими процессорами Cortex-M.

Cortex-M55 называют процессором Cortex-M с наибольшей поддержкой ИИ и первым процессором, основанным на архитектуре Armv8.1-M с технологией векторной обработки Arm Helium, которая обеспечивает более энергоэффективную производительность DSP и ML. Cortex-M55 обеспечивает повышение производительности машинного обучения до 15 раз и повышение производительности DSP в 5 раз при большей эффективности по сравнению с предыдущими поколениями Cortex-M.

По заявлению компании, новая функция для процессоров Cortex-M, пользовательские инструкции Arm, будет доступна для расширения возможностей процессора для оптимизации конкретных рабочих нагрузок.

Ethos-U55 обладает широкими возможностями настройки и специально разработан для логического вывода машинного обучения во встроенных устройствах и устройствах Интернета вещей с ограниченной площадью. По словам компании, он предлагает передовые методы сжатия для экономии энергии и значительного уменьшения размеров моделей машинного обучения, чтобы обеспечить выполнение нейронных сетей, которые ранее работали только в более крупных системах.

Эти процессоры работают с Arm TrustZone, чтобы упростить включение безопасности во всю систему на кристалле.

Семейство кроссоверных микроконтроллеров i.MX RT600 от NXP Semiconductors, разработанное для безопасных периферийных приложений со сверхнизким энергопотреблением, включая аудио, голосовую связь и машинное обучение, устраняет разрыв между высокой производительностью и интеграцией, одновременно отвечая требованиям затрат на встроенную обработку периферийных устройств. (I.MX RT1170 стал победителем конкурса EP's Product of the Year Awards 2019.)

Расширение основано на предложениях компании по машинному обучению, включая недавно анонсированные процессоры приложений i.MX 8M Plus со специальным NPU. Это первое устройство в семействе i.MX, в котором интегрирован выделенный NPU для расширенного логического вывода машинного обучения в промышленной сфере и на границе Интернета вещей. Он также включает в себя независимую подсистему реального времени, двухкамерный интернет-провайдер, высокопроизводительный DSP и 3D-графический процессор для периферийных приложений.

Плата для разработки NXP i.MX RT600 (Изображение:NXP Semiconductors)

Семейство многоядерных кроссоверных процессоров i.MX RT600 включает Arm Cortex-M33 с частотой до 300 МГц и дополнительный процессор аудио / голосовых сигналов (DSP) Cadence Tensilica HiFi 4 с частотой до 600 МГц, четыре MACS и аппаратное обеспечение:на основе трансцендентальных и активационных функций.

Построенный на основе 28-нм процесса FD-SOI, оптимизированного для активной мощности и мощности утечки, i.MX RT600 поддерживает высокопроизводительные ядра с 4,5 МБ встроенной SRAM с низким уровнем утечки, которая была настроена для одновременного состояния нулевого ожидания доступ, что делает его пригодным для выполнения в реальном времени приложений на основе аудио / голоса, машинного обучения и нейронных сетей.

Микроконтроллеры кроссовера также оснащены EdgeLock, передовой встроенной технологией безопасности NXP и поддержкой машинного обучения с использованием компилятора нейронной сети eIQ for Glow.

Функции безопасности включают безопасную загрузку с неизменяемым аппаратным «корнем доверия», хранилище уникальных ключей на основе физически неклонируемой функции (PUF) SRAM, безопасную отладочную аутентификацию на основе сертификатов, ускорение AES-256 и SHA2-256, а также реализацию стандарта безопасности DICE для обеспечения безопасности. межсетевое взаимодействие. Чип также включает дополнительный механизм хранения корневых ключей на основе плавких предохранителей для безопасной загрузки и операций шифрования, а также инфраструктуру открытых ключей (PKI) или асимметричную криптографию, обеспечивающую выделенный асимметричный ускоритель для алгоритмов ECC и RSA.

Процессоры кроссовера включают в себя подсистему аудио / голоса с поддержкой до восьми каналов DMIC, с оборудованием для обнаружения голосовой активации (VAD) и до восьми I ² Периферийные устройства S. Другие периферийные устройства включают SDIO для беспроводной связи, высокоскоростной USB со встроенным PHY, 12-разрядный АЦП с датчиком температуры и несколько последовательных интерфейсов, включая SPI 50 Мбит / с, I3C и шесть настраиваемых последовательных интерфейсов (USART, SPI , I2C или I2S) с индивидуальной поддержкой запросов на обслуживание FIFO и DMA.

NXP планирует внедрить Ethos U-55 в свои микроконтроллеры на базе Cortex-M, кроссоверные микроконтроллеры и подсистемы реального времени в процессорах приложений, ориентируясь на ограниченные по ресурсам промышленные устройства и периферийные устройства IoT.

По заявлению NXP, высоко настраиваемый ускоритель машинного обучения Ethos-U55 работает с ядром Cortex-M, занимая мало места, обеспечивая более чем 30-кратное повышение производительности логического вывода по сравнению с высокопроизводительными микроконтроллерами.

Заявленный как первый многоядерный процессор искусственного интеллекта для приложений со встроенными датчиками, процессор нейронных датчиков (NSP) ECM3532 от Eta Compute Inc. оснащен запатентованным компанией Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) и обеспечивает постоянное потребление активной мощности всего 100 мкВт. по приложениям. Многоядерный NSP ECM3532 сочетает в себе MCU и DSP, оба с CVFS, для оптимизации выполнения с максимальной эффективностью, что делает его подходящим для узлов датчиков IoT.

NSP от Eta Compute, предназначенный для непрерывной работы с изображениями и датчиками, предлагает полный набор программного и аппаратного обеспечения. Платформа доставляет ИИ на периферийные устройства и превращает данные датчиков в полезную информацию для таких приложений, как голос, активность, жесты, звук, изображение, температура, давление и биометрия. Платформа решает проблемы периферийных вычислений, включая меньшее время отклика, повышенную безопасность и более высокую точность.

Автономная платформа AI включает в себя многоядерный процессор, который включает в себя флэш-память, SRAM, ввод-вывод, периферийные устройства и платформу разработки программного обеспечения для машинного обучения. CVFS существенно увеличивает производительность и эффективность периферийных устройств. Самосинхронная архитектура CVFS автоматически и непрерывно регулирует внутреннюю тактовую частоту и напряжение питания, чтобы максимизировать энергоэффективность для данной рабочей нагрузки. ECM3532 упакован в корпус BGA размером 5 × 5 мм с 81 шариком.