Процессоры обеспечивают бесшовную интеграцию IoT и ИИ

Производители микропроцессоров (MPU) и микроконтроллеров (MCU) продолжают адресовать растущие интернет-вещей приложения с новыми устройствами, фокусирующимися на ультра-низком потреблении, более быстрой системной производительности и усиленной безопасности, включающей активное обнаружение манипуляций и безопасную установку прошивки. Эти чипы должны обрабатывать массивные объемы данных от всё большего числа датчиков при низком потреблении энергии. Для снижения потребления чипмейкеры используют техники такие как адаптивное масштабирование напряжения, power gating и множественные reduced-power режимы работы.

Глобальный рынок IoT подключенных устройств прогнозируется достичь около 38,6 млрд единиц к 2025 году, вверх от 22 млрд в 2018, по данным исследовательской фирмы Statista. Эти подключенные устройства теперь охватывают индустрии, варьирующие от смартфонов, умных приборов и систем домашней безопасности до подключенных автомобилей, умных городов и промышленного IoT.

Со сходимостью искусственного интеллекта и IoT по многим индустриям, дополнительный интеллект добавляет некоторые вызовы вокруг безопасности, надежности, производительности и, конечно, стоимости. Эти чипы должны доставлять высокоскоростную обработку с улучшенной производительностью при снижении потребления энергии. Некоторые из этих чипмейкеров также принимают техники такие как передовое сжатие для снижения потребления энергии и машинного обучения (ML) моделей.

Здесь представлена выборка MPU и MCU, нацеленных на IoT и сходящиеся ИИ приложения.

Нацеленные на разнообразие подключенных приложений, семейство микроконтроллеров PIC18-Q43 от Microchip Technology Inc. интегрирует больше настраиваемых core independent периферий (CIP), которые разгружают многие программные задачи в железо для более быстрой системной производительности и time to market. CPI предлагают большую гибкость дизайна при создании кастомных железно-базированных функций для облегчения разработчикам кастомизации их специфических конфигураций дизайна. Они спроектированы с дополнительными возможностями для обработки задач без необходимости вмешательства от CPU.

Настраиваемые периферии взаимосвязаны для обеспечения near-zero-latency обмена данными, логическими входами или аналоговыми сигналами без дополнительного кода для улучшенного системного отклика. Приложения включают разнообразие реального времени контроль и подключенных приложений, включая бытовые приборы, системы безопасности, моторный и промышленный контроль, освещение и IoT.

Микроконтроллеры Microchip PIC18-Q43 (Изображение: Microchip Technology)

CIP включая таймеры, упрощенный pulse-width-modulation (PWM) вывод, CLC, analog-to-digital конвертер с вычислением (ADCC) и множественные последовательные коммуникации позволяют разработчикам сократить время разработки и улучшить системную производительность. CLC позволяет разработчикам адаптировать функции такие как генерация волн и измерения тайминга. CIP также позволяют целые контрольные циклы быть реализованными в кастомизируемом on-чип железе, сказал Microchip.

Продуктовое семейство PIC18-Q43 доступно в ряде размеров памяти, корпусов и ценовых точек.

Оптимизированные для безопасности и беспроводных коммуникаций, Renesas Electronics Corp. недавно запустила RX23W — 32-битный MCU с Bluetooth 5.0 для IoT конечных устройств таких как бытовые приборы и медицинское оборудование. MCU также включает Trusted Secure IP Renesas,featured в его RX MCU семействе, для адресации Bluetooth рисков безопасности таких как перехват, манипуляции и вирусы.

RX23W основан на ядре RXv2 Renesas, достигающем высокой производительности 4,33 Coremark/МГц, с улучшенными floating-point unit (FPU) и DSP функциями. Чип работает на максимальной тактовой частоте 54 МГц. Оптимизированный для системного контроля и беспроводной коммуникации, RX23W предоставляет полную поддержку Bluetooth 5.0 Low Energy включая long-range и mesh networking функции и претендует на индустриальный наименьший пиковый уровень потребления в режиме приема 3 мА.

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

RX23W также интегрирует ряд периферийных функций для IoT оборудования, включая безопасность, touchkey, USB и CAN функции. Эти функции позволяют RX23W реализовывать как системный контроль, так и Bluetooth беспроводные функции для IoT конечного оборудования таких как бытовые приборы, медицинское оборудование и спортивное/фитнес оборудование на одном чипе, сказал Renesas. Кроме того, Bluetooth mesh функции делают его оптимальным для промышленного IoT оборудования собирающего сенсорные данные на заводе или в здании.

RX23W доступен сейчас в 7 × 7-мм 56-пиновом QFN и 5,5 × 5,5-мм 85-пиновом BGA корпусах с 512 КБ on-chip флеш памяти.

Также нацеленные на доставку лучшей защиты для IoT-подключенных устройств — ультра-низкопотребляющие STM32L5x2 MCU от STMicroelectronics, основанные на Arm Cortex-M33 32-битном RISC ядре с Arm TrustZone аппаратной безопасностью. Trusted computing аутентифицирует устройства, подключенные к сети, создавая защищенную среду выполнения для кибер-защиты и чувствительного кода (криптография и хранение ключей), блокируя попытки коррупции устройств или ПО, в то время как вторая, независимая среда выполнения позволяет запуск недоверенного кода, сказала компания.

С новой серией STM32L5 MCU, работающими на тактовых частотах до 110 МГц, ST позволяет дизайнерам включать или исключать каждый I/O, периферию или область флеш или SRAM из TrustZone защиты. Это позволяет чувствительным нагрузкам быть полностью изолированными для максимальной безопасности, сказал ST.

Кроме того, TrustZone был спроектирован для поддержки secure boot, специальной защиты чтения/записи для интегрированных SRAM и флеш, и криптографического ускорения, включая AES 128-/256-бит аппаратное ускорение ключей, public key acceleration (PKA) и AES-128 on-the-fly дешифровку (OTFDEC), для защиты внешнего кода или данных. Другие функции включают активное обнаружение манипуляций и безопасную установку прошивки. Вместе эти функции безопасности доставляют сертификацию PSA Certified Level 2.

STM32L5 микроконтроллеры STMicroelectronics (Изображение: STMicroelectronics)

Семейство STM32L5 также доставляет ультра-низкую мощность благодаря добавлению техник таких как адаптивное масштабирование напряжения, real-time ускорение, power gating и множественные reduced-power режимы работы. Эти техники позволяют MCU доставлять высокую производительность и длинные runtimes независимо от того, запитаны ли устройства монетными элементами или даже energy harvesting, сказал ST.

Switched-mode step-down регулятор также может быть включен или выключен на лету для улучшения низкопотребляющей производительности когда VDD напряжение достаточно высоко. ULPMark оценки, измеряющие ультра-низкую мощность эффективность на основе real-world бенчмарков, разработанных EEMBC: 370 ULPMark-CoreProfile и 54 ULPMark-PeripheralProfile при 1,8 В.

Другие особенности MCU включают 512-Кбайт dual-bank флеш, позволяющий read-while-write операцию и поддерживающий error correction code (ECC) с диагностикой, 256-Кбайт SRAM, и поддержку высокоскоростной внешней памяти включая single, dual, quad или octal SPI и Hyperbus флеш или SRAM, а также интерфейс для SRAM, PSRAM, NOR, NAND или FRAM.

Цифровая периферия включает USB Full Speed с выделенным питанием, позволяющим клиентам сохранять USB коммуникацию даже когда система запитана на 1,8 В, и UCPD контроллер, совместимый с USB Type-C Rev. 1.2 и USB Power Delivery Rev. 3.0 спецификациями. Умные аналоговые функции включают analog-to-digital конвертер (ADC), два power-gated digital-to-analog конвертера (DAC), два ультра-низкопотребляющих компаратора и два операционных усилителя с внешней или внутренней follower маршрутизацией и programmable-gain усилитель (PGA) способностью.

Серия STM32L5 предлагает свой STM32CubeL5 one-stop-shop программный пакет, включающий hardware abstraction layer и low-level драйверы, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot и Secure Firmware Update (SBSFU), USB-PD устройство драйвер, MbedTLS и MbedCrypto, FatFS файловую систему и Touch Sensing драйверы.

STM32L5x2 MCU хорошо подходят для промышленных IoT приложений, включая измерение, здоровье (человеческое или машинное) мониторинг и mobile point-of-sale. STM32L5x2 MCU доступны в стандартном температурном классе (−40°C до 85°C) для потребительских и коммерческих приложений или высокотемпературном классе указанном от −40°C до 125°C.

Сходящиеся ИИ и IoT

Строя на своей ИИ платформе, Arm недавно представила свой процессор Cortex-M55 и Ethos-U55 neural processing unit (NPU), заявленные как индустриальный первый microNPU для Cortex-M. Для требовательных ML приложений, Cortex-M55 может быть парный с Ethos-U55 microNPU, которые вместе доставляют комбинированный 480× рост ML производительности над существующими Cortex-M процессорами.

Cortex-M55 называется самым AI-capable Cortex-M процессором и первым на базе архитектуры Armv8.1-M с Arm Helium векторной технологией обработки, которая доставляет более энергоэффективную DSP и ML производительность. Cortex-M55 доставляет до 15× улучшения ML производительности и 5× увеличения DSP производительности, с большей эффективностью, по сравнению с предыдущими поколениями Cortex-M.

Новая функция для Cortex-M процессоров, Arm Custom Instructions, будет доступна для расширения возможностей процессора для специфической оптимизации нагрузки, сказала компания.

Ethos-U55 высококонфигурируем и специально спроектирован для ML вывода в area-constrained встроенных и IoT устройствах. Он предлагает передовые техники сжатия для экономии энергии и значительного снижения размеров ML моделей для возможности выполнения нейросетей, которые ранее запускались только на более крупных системах, согласно компании.

Эти процессоры работают с Arm TrustZone для обеспечения того, что безопасность может быть легче включена в полную system-on-chip.

Спроектированные для ультра-низкопотребляющих, безопасных краевых приложений включая аудио, голос и ML, семейство кроссовер MCU NXP Semiconductors i.MX RT600 мостит разрыв между высокой производительностью и интеграцией, встречая требования стоимости для встроенной обработки на краю. (i.MX RT1170 — победитель EP 2019 Product of the Year Awards.)

Расстрой строится на ML предложениях компании, включая недавно анонсированные i.MX 8M Plus приложения процессоры с выделенным NPU. Это первое устройство в i.MX семье интегрирующее выделенный NPU для передовых машинного обучения вывода на промышленном и IoT краю. Он также упаковывает независимую real-time подсистему, dual camera ISP, высокопроизводительный DSP и 3D GPU для краевых приложений.

Разработочная плата NXP i.MX RT600 (Изображение: NXP Semiconductors)

Многоядерная кроссовер процессорная семейство i.MX RT600 обладает Arm Cortex-M33 до 300 МГц и опциональным Cadence Tensilica HiFi 4 аудио/голосовым digital signal processor (DSP) до 600 МГц, с четырьмя MACS и аппаратными transcendental и activation функциями.

Построенные на 28-нм FD-SOI процессе, оптимизированном для активной и утечки мощности, i.MX RT600 поддерживает высокопроизводительные ядра с 4,5 МБ on-chip low-leakage SRAM, которое было сконфигурировано для одновременного zero-wait state доступа, делая его подходящим для real-time исполнения аудио/голосовых, ML и нейросетных-базированных приложений.

Кроссовер MCU также обладают EdgeLock, передовым встроенным технологией безопасности NXP, и ML поддержкой используя eIQ for Glow neural network компилятор.

Функции безопасности включают secure boot с immutable hardware "root of trust", SRAM physically unclonable function (PUF)-базированное уникальное хранение ключей, certificate-based secure debug аутентификацию, AES-256 и SHA2-256 ускорение и DICE security стандарт реализацию для безопасного cloud-to-edge коммуникации. Чип также включает опциональный fuse-based root key механизм хранения для secure boot и crypto операций и public key infrastructure (PKI), или асимметричную криптографию, предоставляющую выделенный асимметричный ускоритель для ECC и RSA алгоритмов.

Кроссовер процессоры включают аудио/голосовую подсистему с поддержкой до восьми DMIC каналов, с железом для voice activation detect (VAD) и до восьми I² S периферий. Другие периферии включают SDIO для беспроводной коммуникации, high-speed USB с on-chip PHY, 12-битный АЦП с датчиком температуры и несколько последовательных интерфейсов включая 50-Мбит/с SPI, I3C и шесть настраиваемых последовательных интерфейсов (USART, SPI, I2C или I2S) с индивидуальными FIFO и DMA service request поддержкой.

NXP планирует реализовать Ethos U-55 в своих Cortex-M-базированных микроконтроллерах, кроссовер MCU и real-time подсистемах в приложениях процессоров, нацеленных на ресурсо-ограниченные промышленные и IoT крайовые устройства.

Высококонфигурируемый Ethos-U55 машинного обучения ускоритель работает с Cortex-M ядром для достижения малого фуутпринта, доставляя более 30× улучшение производительности вывода по сравнению с высокопроизводительными MCU, сказал NXP.

Заявленный как первый ИИ мультиядровый процессор для встроенных сенсорных приложений, ECM3532 neural sensor processor (NSP) Eta Compute Inc. обладает запатентованным Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) и доставляет до 100-мкВт активного потребления энергии в always-on приложениях. ECM3532 multicore NSP комбинирует MCU и DSP, оба с CVFS, для оптимизации исполнения для лучшей эффективности, делая его подходящим для IoT сенсорных узлов.

Спроектированный для always-on образных и сенсорных приложений, NSP Eta Compute предлагает полное ПО и железо предложение. Платформа доставляет ИИ к краевым устройствам и превращает сенсорные данные в действенную информацию для приложений таких как голос, активность, жест, звук, образ, температура, давление и биометрия. Платформа решает вызовы в краевых вычислениях, включая более низкое время отклика, повышенную безопасность и более высокую точность.

Автономная ИИ платформа включает multicore процессор, который включает флеш память, SRAM, I/O, периферию и машинное обучение software development платформу. CVFS существенно увеличивает производительность и эффективность для краевых устройств. Self-timed CVFS архитектура автоматически и непрерывно регулирует внутреннюю тактовую частоту и напряжение питания для максимизации энергоэффективности для данной нагрузки. ECM3532 упакован в 5 × 5-мм, 81-шаровый BGA.