Processors stroomlijnen de naadloze integratie van IoT en AI

Microprocessor (MPU) en microcontroller (MCU) fabrikanten blijven de groeiende internet-of-things-toepassingen adresseren met nieuwe apparaten die focussen op ultra-laag vermogen, snellere systeemprestaties en versterkte beveiliging die actieve tamper-detectie en veilige firmware-installatie omvat. Deze chips moeten massive hoeveelheden data van steeds meer sensoren afhandelen terwijl ze laag verbruik tonen. Om stroomverbruik te reduceren, gebruiken chipmakers technieken zoals adaptieve spanningschaling, power-gating en meerdere reduced-power-bedrijfsmodi.

De wereldwijde markt voor IoT-verbonden apparaten wordt verwacht om ongeveer 38,6 miljard units te bereiken tegen 2025, op van 22 miljard in 2018, volgens marktonderzoeksbureau Statista. Deze verbonden apparaten strekken zich nu uit over industrieën, variërend van smartphones, slimme apparaten en huishoudelijke beveiligingssystemen tot verbonden auto's, slimme steden en industriële IoT.

Met de convergentie van kunstmatige intelligentie en IoT over veel industrieën, voegt de additionele intelligentie enkele uitdagingen toe rond beveiliging, betrouwbaarheid, prestaties en, natuurlijk, kost. Deze chips moeten hoge-snelheidsverwerking leveren met verbeterde prestaties terwijl ze stroomverbruik reduceren. Sommige van deze chipmakers adopteren ook technieken zoals geavanceerde compressie om stroomverbruik te reduceren en machine-learning (ML)-modellen.

Hier is een steekproef van MPUs en MCUs die IoT- en geconverteerde AI-toepassingen targeten.

Gericht op een verscheidenheid aan verbonden toepassingen, integreert Microchip Technology Inc.'s PIC18-Q43-familie van microcontrollers meer configureerbare core-independent peripherals (CIPs), wat veel software-taken naar hardware verplaatst voor snellere systeemprestaties en time-to-market. De CPIs bieden grotere ontvrijheid bij het creëren van custom hardware-gebaseerde functies om het voor ontwikkelaars gemakkelijker te maken hun specifieke ontwerpconfiguraties aan te passen. Ze zijn ontworpen met additionele mogelijkheden om taken af te handelen zonder de noodzaak voor interventie van de CPU.

De configureerbare peripherieën zijn interconnected om near-zero-latentie sharing van data, logische inputs of analoge signalen zonder additionele code toe te staan voor verbeterde systeemrespons. Toepassingen omvatten een verscheidenheid aan realtime-controle en verbonden toepassingen, inclusief huishoudelijke apparaten, beveiligingssystemen, motor- en industriële controle, verlichting en IoT.

Microchip's PIC18-Q43 microcontrollers (Afbeelding: Microchip Technology)

CIPs inclusief timers, vereenvoudigde pulse-width-modulatie (PWM)-uitgang, CLCs, analog-naar-digitaal-converter met berekening (ADCC), en meerdere seriële communicaties stellen ontwikkelaars in staat ontwikkeltijd te reduceren en systeemprestaties te verbeteren. De CLC stelt ontwikkelaars in staat functies zoals golfvormgeneratie en timing-metingen aan te passen. CIPs maken ook gehele controllussen in customiseerbare on-chip-hardware realiseerbaar, zei Microchip.

De PIC18-Q43-productfamilie is beschikbaar in een reeks geheugengroottes, pakketten en prijspunten.

Geoptimaliseerd voor beveiliging en draadloze communicatie, lanceerde Renesas Electronics Corp. recent de RX23W – een 32-bit MCU met Bluetooth 5.0 voor IoT-endpoint-apparaten zoals huishoudelijke apparaten en gezondheidszorgapparatuur. De MCU bevat ook Renesas's Trusted Secure IP, geïntegreerd in zijn RX MCU-familie, om Bluetooth-beveiligingsrisico's zoals afkluisteren, manipulatie en virussen aan te pakken.

De RX23W is gebaseerd op Renesas's RXv2-kern, die de hoge prestaties van 4,33 Coremark/MHz bereikt, met verbeterde floating-point unit (FPU) en DSP-functies. De chip werkt op een maximum klokfrequentie van 54 MHz. Geoptimaliseerd voor systeemcontrole en draadloze communicatie, biedt de RX23W volledige Bluetooth 5.0 Low Energy-ondersteuning inclusief long-range en mesh-netwerkfuncties en claimt de laagste ontvangstmodus-piekstroomverbruik in de industrie van 3 mA.

Renesas's RX23W 32-bit microcontroller met Bluetooth 5.0 (Afbeelding: Renesas Electronics)

De RX23W integreert ook een reeks peripheral-functies voor IoT-apparatuur, inclusief beveiliging, touchkey, USB en CAN-functies. Deze functies staan de RX23W toe om zowel systeemcontrole als Bluetooth-draadloze functies voor IoT-endpoint-apparatuur zoals huishoudelijke apparaten, gezondheidszorgapparatuur en sport- en fitnessapparatuur op een enkele chip te implementeren, zei Renesas. Daarnaast maken de Bluetooth-mesh-functies het optimaal voor industriële IoT-apparatuur die sensordata in een fabriek of gebouw verzamelt.

De RX23W is nu beschikbaar in 7 × 7-mm 56-pin QFN en 5,5 × 5,5-mm 85-pin BGA-pakketten met 512 KB on-chip flash-geheugen.

Ook gericht op het leveren van betere bescherming voor IoT-verbonden apparaten zijn de STMicroelectronics ultra-laagstroom STM32L5x2 MCUs, gebaseerd op de Arm Cortex-M33 32-bit RISC-kern met Arm TrustZone hardware-gebaseerde beveiliging. Trusted computing authenticatieert apparaten verbonden met een netwerk door een beschermde uitvoeringsomgeving te creëren voor cyber-bescherming en gevoelige code (cryptografie en sleutelopslag) die pogingen om apparaten of software te corrumperen blokkeert, terwijl een tweede, onafhankelijke uitvoeringsomgeving het draaien van onvertrouwde code toestaat, zei het bedrijf.

Met de nieuwe STM32L5-serie MCUs, werkend op klokfrequenties tot 110 MHz, stelt ST ontwerpers in staat om elk I/O, peripheral, of gebied van flash of SRAM van TrustZone-bescherming in- of uit te sluiten. Dit stelt gevoelige workloads in staat om volledig geïsoleerd te worden voor maximale beveiliging, zei ST.

Daarnaast was TrustZone geïnjineerd om secure boot, speciale read-out en write-bescherming voor geïntegreerde SRAM en flash, en cryptografische versnelling te ondersteunen, inclusief AES 128-/256-bit sleutel hardware-versnelling, public key-versnelling (PKA) en AES-128 on-the-fly-decryptie (OTFDEC), om externe code of data te beschermen. Andere functies omvatten actieve tamper-detectie en veilige firmware-installatie. Samen leveren deze beveiligingsfuncties certificering tot PSA Certified Level 2.

STMicroelectronics' STM32L5 microcontrollers (Afbeelding: STMicroelectronics)

De STM32L5-familie levert ook ultra-laag vermogen dankzij de toevoeging van technieken zoals adaptieve spanningschaling, realtime-versnelling, power-gating en meerdere reduced-power-bedrijfsmodi. Deze technieken stellen de MCUs in staat om hoge prestaties en lange looptijden te leveren of de apparaten nu gevoed worden door muntcellen of zelfs energy harvesting, zei ST.

De switched-mode step-down-regulator kan ook on-the-fly geactiveerd of gedeactiveerd worden om low-power-prestaties te verbeteren wanneer de VDD-spanning hoog genoeg is. De ULPMark-scores, die ultra-laagstroom-efficiëntie meten op basis van real-world-benchmarks ontwikkeld door EEMBC, zijn: 370 ULPMark-CoreProfile en 54 ULPMark-PeripheralProfile bij 1,8 V.

Andere MCU-functies omvatten 512-Kbyte dual-bank flash die read-while-write-operatie toestaat en error-correction-code (ECC) met diagnostiek ondersteunt, een 256-Kbyte SRAM, en ondersteuning voor high-speed externe geheugen inclusief single, dual, quad of octal SPI en Hyperbus flash of SRAM, alsook een interface voor SRAM, PSRAM, NOR, NAND of FRAM.

Digitale peripherieën omvatten USB Full Speed met toegewijde voeding, wat klanten in staat stelt USB-communicatie te behouden zelfs wanneer het systeem gevoed wordt op 1,8 V, en een UCPD-controller compliant met USB Type-C Rev. 1.2 en USB Power Delivery Rev. 3.0-specificaties. Slimme analoge functies omvatten een analog-naar-digitaal-converter (ADC), twee power-gated digitale-naar-analoge-converters (DACs), twee ultra-laagstroom-comparators en twee operationele versterkers met externe of interne follower-routing en programmeerbare-gain-versterker (PGA)-capaciteit.

De STM32L5-serie biedt zijn eigen STM32CubeL5 one-stop-shop softwarepakket, wat hardware-abstraction-layer en low-level-drivers, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot en Secure Firmware Update (SBSFU), USB-PD-device-driver, MbedTLS en MbedCrypto, FatFS-bestandssysteem en Touch-Sensing-drivers omvat.

De STM32L5x2 MCUs zijn goed geschikt voor industriële IoT-toepassingen, inclusief metering, gezondheid (mens of machine) monitoring, en mobile point-of-sale. De STM32L5x2 MCUs zijn beschikbaar in standaard-temperatuurgraad (−40°C tot 85°C) voor consumenten- en commerciële toepassingen of hoge-temperatuurgraad gespecificeerd van −40°C tot 125°C.

Geconverteerde AI en IoT

Bouwend op zijn AI-platform, introduceerde Arm recent zijn Cortex-M55-processor en Ethos-U55 neural processing unit (NPU), getouted als de industrie's eerste microNPU voor de Cortex-M. Voor veeleisende ML-toepassingen kan de Cortex-M55 gekoppeld worden met de Ethos-U55 microNPU, die samen een gecombineerde 480× toename in ML-prestaties leveren ten opzichte van bestaande Cortex-M-processoren.

De Cortex-M55 wordt de meest AI-capable Cortex-M-processor genoemd en de eerste gebaseerd op de Armv8.1-M-architectuur met Arm Helium vector-verwerkingstechnologie, wat een meer energie-efficiënte DSP en ML-prestaties levert. De Cortex-M55 levert tot een 15× verbetering in ML-prestaties en een 5× toename in DSP-prestaties, met grotere efficiëntie, vergeleken met eerdere Cortex-M-generaties.

Een nieuwe functie voor Cortex-M-processoren, de Arm Custom Instructions, zal beschikbaar komen om processorcapaciteiten uit te breiden voor specifieke workload-optimalisatie, zei het bedrijf.

De Ethos-U55 is hoog configureerbaar en specifiek ontworpen voor ML-inferentie in oppervlakte-beperkte embedded en IoT-apparaten. Het biedt geavanceerde compressietechnieken om stroom te besparen en ML-modelformaten significant te reduceren om uitvoering van neurale netwerken mogelijk te maken die eerder alleen op grotere systemen liepen, volgens het bedrijf.

Deze processoren werken met Arm TrustZone om ervoor te zorgen dat beveiliging makkelijker in het complete system-on-chip geïntegreerd kan worden.

Ontworpen voor ultra-laagstroom, veilige edge-toepassingen inclusief audio, stem en ML, overbrugt NXP Semiconductors' i.MX RT600 crossover MCU-familie de kloof tussen hoge prestaties en integratie terwijl ze aan kosteisen voldoen voor embedded-verwerking aan de edge. (De i.MX RT1170 is winnaar van EP's 2019 Product of the Year Awards.)

De uitbreiding bouwt voort op het bedrijfs ML-aanbod, inclusief de onlangs aangekondigde i.MX 8M Plus-applicatieprocessors met een toegewijde NPU. Dit is het eerste apparaat in de i.MX-familie dat een toegewijde NPU integreert voor geavanceerde machine-learning-inferentie aan de industriële en IoT-edge. Het verpakt ook een onafhankelijke real-time-subsysteem, dual-camera ISP, hoge-prestaties DSP en 3D GPU voor edge-toepassingen.

NXP's i.MX RT600-ontwikkelbord (Afbeelding: NXP Semiconductors)

De i.MX RT600 multi-core crossover-processorfamilie heeft een Arm Cortex-M33 draaiend tot 300 MHz en een optionele Cadence Tensilica HiFi 4 audio/stem digital signal processor (DSP) draaiend tot 600 MHz, met vier MACs en hardware-gebaseerde transcendentaal- en activatiefuncties.

Gebouwd op een 28-nm FD-SOI-proces geoptimaliseerd voor actieve en lekstroom, ondersteunt de i.MX RT600 de high-performance-kernen met 4,5 MB on-chip low-leakage SRAM, geconfigureerd voor gelijktijdige zero-wait-state-toegang, wat het geschikt maakt voor realtime-uitvoering van audio/stem, ML en neurale-netwerk-gebaseerde toepassingen.

De crossover MCUs hebben ook EdgeLock, NXP's geavanceerde embedded-beveiligingstechnologie, en ML-ondersteuning met behulp van de eIQ voor Glow neural network-compiler.

Beveiligingsfuncties omvatten secure boot met onveranderlijke hardware „root of trust,” SRAM physically unclonable function (PUF)-gebaseerde unieke sleutelopslag, certificaat-gebaseerde secure debug-authenticatie, AES-256 en SHA2-256-versnelling, en DICE-beveiligingsstandaard-implementatie voor veilige cloud-to-edge-communicatie. De chip bevat ook een optioneel fuse-gebaseerde root-sleutelopslagmechanisme voor secure boot en crypto-operaties en een public-key-infrastructuur (PKI), of asymmetrische cryptografie, die een toegewijde asymmetrische accelerator biedt voor ECC- en RSA-algoritmen.

De crossover-processors omvatten een audio/stem-subsysteem met ondersteuning voor tot acht DMIC-kanalen, met hardware voor voice-activation-detect (VAD) en tot acht I²S-peripherieën. Andere peripherieën omvatten SDIO voor draadloze communicatie, high-speed USB met on-chip PHY, een 12-bit ADC met temperatuursensor, en diverse seriële interfaces inclusief 50-Mbits/s SPI, I3C en zes configureerbare seriële interfaces (USART, SPI, I2C of I2S) met individuele FIFO en DMA-service-request-ondersteuning.

NXP plannet de Ethos U-55 te implementeren in zijn Cortex-M-gebaseerde microcontrollers, crossover MCUs en real-time-subsystemen in applicatieprocessors, gericht op resource-beperkte industriële en IoT-edge-apparaten.

De hoog configureerbare Ethos-U55 machine-learning-accelerator werkt met de Cortex-M-kern om een kleine voetafdruk te bereiken, wat een meer dan 30× verbetering in inferentie-prestaties levert vergeleken met hoog-presterende MCUs, zei NXP.

Behaald als de eerste AI-multicore-processor voor embedded-sensor-toepassingen, heeft Eta Compute Inc.'s ECM3532 neural sensor processor (NSP) het bedrijfs gepatenteerde Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) en levert zo laag als 100-µW actief stroomverbruik in always-on-toepassingen. De ECM3532 multicore NSP combineert een MCU en een DSP, beide met CVFS, om uitvoering te optimaliseren voor de beste efficiëntie, wat het geschikt maakt voor IoT-sensorknooppunten.

Ontworpen voor always-on beeld- en sensortoepassingen, biedt Eta Compute's NSP een complete software- en hardware-aanbieding. Het platform levert AI aan edge-apparaten en zet sensordata om in actionable informatie voor toepassingen zoals stem, activiteit, gebaren, geluid, beeld, temperatuur, druk en biometrie. Het platform lost uitdagingen in edge-computing op, inclusief lagere reactietijd, verhoogde beveiliging en hogere nauwkeurigheid.

Het standalone AI-platform bevat een multicore-processor, die flash-geheugen, SRAM, I/O, peripherieën en een machine-learning-software-ontwikkelplatform omvat. De CVFS verhoogt prestaties en efficiëntie voor edge-apparaten aanzienlijk. De self-timed CVFS-architectuur past interne kloksnelheid en voedingsspanning continu en automatisch aan om de energie-efficiëntie te maximaliseren voor de gegeven workload. De ECM3532 is verpakt in een 5 × 5-mm, 81-ball BGA.