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处理器随着物联网和人工智能在演进

2022-08-12 16:54:38 Gina Roos 阅读:
随着人工智能和物联网在许多行业的融合,额外的智能在安全性、可靠性、性能以及成本方面增加了一些挑战。这些芯片需要在降低功耗的同时提供具有增强性能的高速处理。其中一些芯片制造商还采用了高级压缩等技术来降低功耗,以及机器学习(ML)模型。

微处理器(MPU)和微控制器(MCU)制造商继续通过专注于超低功耗、更快系统性能和增强安全性(包括主动篡改检测和安全固件安装)的新器件来解决不断增长的物联网应用。这些芯片需要处理来自越来越多的传感器的大量数据,同时还要实现低功耗。为了降低功耗,芯片制造商正在使用自适应电压缩放、电源门控和多种低功耗工作模式等技术。OTRednc

根据市场研究公司Statista的数据,到2025年,全球物联网连接设备市场预计将达到约386亿台。这些联网设备现在跨越多个行业,从智能手机、智能家电和家庭安全系统到网联汽车、智能城市和工业物联网。OTRednc

随着人工智能和物联网在许多行业的融合,额外的智能在安全性、可靠性、性能以及成本方面增加了一些挑战。这些芯片需要在降低功耗的同时提供具有增强性能的高速处理。其中一些芯片制造商还采用了高级压缩等技术来降低功耗,以及机器学习(ML)模型。OTRednc

以下是针对物联网和融合AI应用的MPU和MCU示例。OTRednc

针对各种连接应用,Microchip公司的PIC18-Q43系列微控制器集成了更多可配置的内核独立外设(CIP),可将许多软件任务卸载到硬件上,从而加快系统性能并缩短上市时间(图1)。在创建基于硬件的自定义功能时,CIP提供了更大的设计灵活性,从而使开发人员能够更轻松地自定义其特定的设计配置。它们被设计为具有额外的功能来处理任务,而无需CPU的干预。OTRednc

可配置的外设相互连接,以实现数据、逻辑输入或模拟信号的接近零延迟共享,而无需额外的代码来改善系统响应。其应用包括各种实时控制和连接应用,包括家用电器、安全系统、电机和工业控制、照明和物联网。OTRednc

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图1:Microchip的PIC18-Q43 MCU。(图片来源:Microchip)OTRednc

CIP包括定时器、简化的脉宽调制(PWM)输出、CLC、带计算功能的模数转换器(ADCC)和多种串行通信,这使开发人员能够缩短开发时间并提高系统性能。CLC支持开发人员定制波形生成和定时测量等功能。Microchip表示,CIP还可以在可定制的片上硬件中实现整个控制回路。OTRednc

PIC18-Q43产品系列提供多种存储器大小、封装和价位。OTRednc

瑞萨电子(Renesas)针对安全和无线通信进行了优化,最近推出了RX23W,这是一款支持蓝牙5.0的32位MCU,适用于家用电器和医疗保健设备等物联网端点设备(图2)。该MCU还包括Renesas的Trusted Secure IP,这是其RX MCU系列中的一项功能,可以解决蓝牙安全风险,例如窃听、篡改和病毒。OTRednc

RX23W基于瑞萨电子的RXv2内核,可实现4.33Coremark/MHz的高性能,并具有改进的浮点单元(FPU)和DSP功能。该芯片的最大时钟频率为54MHz。RX23W针对系统控制和无线通信进行了优化,提供了完整的蓝牙5.0低功耗支持,包括远程和网状网络功能,并声称其具有业界最低水平的3mA接收模式峰值功耗。OTRednc

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图2:瑞萨电子支持蓝牙5.0的RX23W 32位MCU。(图片来源:瑞萨电子)OTRednc

RX23W还集成了物联网设备的一系列外设功能,包括安全、触摸键、USB和CAN功能。瑞萨电子表示,这些功能使RX23W能够以单个芯片为物联网端点设备(如家用电器、医疗保健设备以及运动和健身设备)实现系统控制和蓝牙无线功能。此外,蓝牙网状网络功能还使其成为了在工厂或建筑物中收集传感器数据的工业物联网设备的最佳选择。OTRednc

RX23W现已采用7mm×7mm 56引脚QFN和5.5mm×5.5mm 85引脚BGA封装并以512KB片上闪存进行供货。OTRednc

意法半导体(ST)超低功耗STM32L5x2 MCU也旨在为物联网连接设备提供更好的保护,它基于Arm Cortex-M33 32位RISC内核设计并具有Arm TrustZone基于硬件的安全性(图3)。可信计算通过为网络保护和敏感代码(加密和密钥存储)创建受保护的执行环境来验证连接到网络的设备,以阻止破坏设备或软件的尝试,而第二个独立的执行环境则支持运行不受信任的代码,该公司表示。OTRednc

凭借新的STM32L5系列MCU,其时钟频率高达110MHz,ST使设计人员能够将每个I/O、外设或闪存或SRAM区域纳入或排除在TrustZone保护范围内。这样就可以完全隔离敏感的工作负载,从而实现最大的安全性,ST表示。OTRednc

此外,TrustZone旨在支持安全启动、集成SRAM和闪存的特殊读写保护以及加密加速,包括AES 128/256位密钥硬件加速、公钥加速(PKA)和AES-128即时解密(OTFDEC),用于保护外部代码或数据。其他功能包括主动篡改检测和安全固件安装。这些安全功能共同提供了PSA Certified 2级认证。OTRednc

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图3:ST的STM32L5 MCU。(图片来源:ST)OTRednc

由于增加了自适应电压调节、实时加速、电源门控和多种低功耗工作模式等技术,STM32L5系列还提供了超低功耗。这些技术使MCU能够提供高性能和长运行时间,无论该器件是用纽扣电池还是能量收集供电,ST表示。OTRednc

当VDD电压足够高时,开关模式降压稳压器也可以动态上电或断电,以提高低功耗性能。其ULPMark分数(用于根据EEMBC开发的实际基准衡量超低功耗效率)为370ULPMark-CoreProfile和54ULPMark-PeripheralProfile(1.8V)。OTRednc

其他MCU功能包括512KB双存储区闪存,支持读写操作、具有诊断功能的纠错码(ECC)、256KB SRAM,并支持高速外部存储器,包括单、双、四或八进制SPI和Hyperbus闪存或SRAM,以及用于SRAM、PSRAM、NOR、NAND或FRAM的接口。OTRednc

数字外设包括带有专用电源的USB全速接口——即使系统以1.8V供电,客户也能保持USB通信——以及符合USB Type-C 1.2版本和USB Power Delivery 3.0版本规范的UCPD控制器。智能模拟功能包括一个模数转换器(ADC)、两个电源门控数模转换器(DAC)、两个超低功耗比较器和两个具有外部或内部跟随器路由和可编程增益放大器(PGA)功能的运算放大器。OTRednc

STM32L5系列提供了自己的STM32CubeL5一站式软件包,其中包括硬件抽象层和底层驱动程序、FreeRTOS、可信固件M(TF-M)、安全启动和安全固件更新(SBSFU)、USB-PD设备驱动程序、MbedTLS和MbedCrypto、FatFS文件系统和触摸感应驱动程序。OTRednc

STM32L5x2 MCU非常适合工业物联网应用,包括计量、健康(人或机器)监控和移动销售点。STM32L5x2 MCU可提供面向消费和商业应用的标准温度等级(-40℃至85℃)产品或-40℃至125℃的高温等级产品。OTRednc

人工智能和物联网融合

Arm在其AI平台的基础上,最近推出了其Cortex-M55处理器,以及Ethos-U55神经处理单元(NPU),这被誉为业界首款用于Cortex-M的microNPU。对于要求苛刻的ML应用,Cortex-M55可以与Ethos-U55 microNPU搭配使用,与现有的Cortex-M处理器相比,它们共同提供了480倍的ML性能提升。OTRednc

Cortex-M55被称为人工智能能力最强的Cortex-M处理器,它也是第一款基于Armv8.1-M架构并采用Arm Helium矢量处理技术的处理器,可提供更节能的DSP和ML性能。与前几代Cortex-M相比,Cortex-M55的ML性能提高了15倍,DSP性能提高了5倍,效率更高。OTRednc

Cortex-M处理器还将提供Arm自定义指令的新功能,其将可用于扩展处理器功能以优化特定的工作负载,该公司表示。OTRednc

Ethos-U55具有高度可配置性,它专为区域受限的嵌入式和物联网设备中的机器学习推理而设计。据该公司称,它提供了先进的压缩技术来节省电力并显著减小了ML模型的大小,从而能够执行以前只能在大型系统上运行的神经网络。OTRednc

这些处理器与Arm TrustZone配合使用,可确保更轻松地将安全性集成到完整的片上系统中。OTRednc

恩智浦半导体(NXP)的i.MX RT600跨界MCU系列专为超低功耗、安全的边缘应用(包括音频、语音和机器学习)而设计,其在满足边缘嵌入式处理的成本要求的同时弥合了高性能和集成之间的差距(图4)。OTRednc

这项扩展基于该公司的ML产品,包括带有专用NPU的i.MX 8M Plus应用处理器。这是i.MX系列中第一款集成了专用NPU的器件,用于在工业和物联网边缘进行高级机器学习推理。它还封装了一个独立的实时子系统、双摄像头ISP、高性能DSP和用于边缘应用的3D GPU。OTRednc

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图4:NXP的i.MX RT600开发板。(图片来源:NXP)OTRednc

i.MX RT600多核跨界处理器系列具有运行速度高达300MHz的Arm Cortex-M33和运行速度高达600MHz的可选Cadence Tensilica HiFi 4音频/语音数字信号处理器(DSP),具有四个MAC和基于硬件的超越函数和激活函数。OTRednc

i.MX RT600基于针对有源和漏电功率优化的28nm FD-SOI工艺制作,支持具有4.5MB片上低漏电SRAM的高性能内核,该SRAM已配置为同步零等待状态访问,这使其适合实时执行音频/语音、机器学习和基于神经网络的应用。OTRednc

跨界MCU还具有恩智浦先进的嵌入式安全技术EdgeLock,以及使用面向Glow神经网络编译器的eIQ的机器学习支持。OTRednc

其安全功能包括具有不可变硬件“信任根”的安全启动、基于SRAM物理不可克隆功能(PUF)的唯一密钥存储、基于证书的安全调试身份验证、AES-256和SHA2-256加速,以及用于安全云到边缘通信的DICE安全标准实现。该芯片还包括一个可选的基于熔丝的根密钥存储机制,用于安全启动和加密操作,以及一个公钥基础设施(PKI)或非对称加密,为ECC和RSA算法提供专用的非对称加速器。OTRednc

交叉处理器包括一个音频/语音子系统,支持多达8个DMIC通道、用于语音激活检测(VAD)的硬件和多达8个I2S外设。其他外设包括用于无线通信的SDIO、带片上PHY的高速USB、带温度传感器的12位ADC,以及多个串行接口,包括50Mbps SPI、I3C和六个可配置串行接口(USART、SPI、I2C或I2S),并具有单独的FIFO和DMA服务请求支持。OTRednc

恩智浦计划针对资源受限的工业和物联网边缘设备,在其基于Cortex-M的MCU、跨界MCU和应用处理器中的实时子系统中实施Ethos U-55。OTRednc

高度可配置的Ethos-U55机器学习加速器与Cortex-M内核配合使用,可实现小尺寸,与高性能MCU相比,推理性能提高了30倍以上,NXP表示。OTRednc

Eta Compute公司的ECM3532神经传感器处理器(NSP)号称是首款用于嵌入式传感器应用的AI多核处理器,它具有该公司专利的连续电压频率缩放(CVFS)功能,并能在始终在线的应用中提供低至100μW的有功功耗。ECM3532多核NSP将均具有CVFS的MCU和DSP相结合,以优化执行而获得最佳效率,这使其适用于物联网传感器节点。OTRednc

Eta Compute的NSP专为始终在线的图像和传感器应用而设计,并提供了完整的软件和硬件产品。该平台可向边缘设备提供人工智能,并可将传感器数据转化为可操作的信息,用于语音、活动、手势、声音、图像、温度、压力和生物识别等应用。该平台解决了边缘计算中的挑战,包括更短的响应时间、更高的安全性和更高的准确性。OTRednc

独立的AI平台包括一个多核处理器,其中包括闪存、SRAM、I/O、外设和机器学习软件开发平台。CVFS显著提高了边缘设备的性能和效率。自定时CVFS架构可自动、连续地调整内部时钟速率和电源电压,以最大限度地提高给定工作负载的能效。ECM3532采用5mm×5mm、81球的BGA封装供货。OTRednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products,参考链接:Processors roll for IoT and AI,由Franklin Zhao编译。)OTRednc

本文为《电子技术设计》2022年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里OTRednc

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