Processors pakken de convergentie van IoT en AI aan

Fabrikanten van microprocessors (MPU) en microcontrollers (MCU's) blijven de groeiende internet of things-toepassingen aanpakken met nieuwe apparaten die zich richten op ultralaag stroomverbruik, snellere systeemprestaties en verbeterde beveiliging met actieve sabotagedetectie en veilige firmware-installatie. Deze chips moeten enorme hoeveelheden gegevens van steeds meer sensoren verwerken en daarbij weinig stroom verbruiken. Om het stroomverbruik te verminderen, gebruiken chipmakers technieken zoals adaptieve spanningsschaling, power-gating en meerdere bedrijfsmodi met verminderd vermogen.

Volgens marktonderzoeksbureau Statista zal de wereldwijde markt voor met IoT verbonden apparaten in 2025 naar verwachting 38,6 miljard stuks bereiken, tegen 22 miljard in 2018. Deze verbonden apparaten omvatten nu verschillende sectoren, variërend van smartphones, slimme apparaten en huisbeveiligingssystemen tot verbonden auto's, slimme steden en industriële IoT.

Met de convergentie van kunstmatige intelligentie en IoT in veel industrieën, voegt de extra intelligentie een aantal uitdagingen toe op het gebied van beveiliging, betrouwbaarheid, prestaties en, natuurlijk, kosten. Deze chips moeten een snelle verwerking met verbeterde prestaties leveren en tegelijkertijd het stroomverbruik verminderen. Sommige van deze chipmakers passen ook technieken toe zoals geavanceerde compressie om het stroomverbruik te verminderen en modellen voor machine learning (ML).

Hier is een voorbeeld van MPU's en MCU's die gericht zijn op IoT- en geconvergeerde AI-toepassingen.

De PIC18-Q43-familie van microcontrollers van Microchip Technology Inc., gericht op een verscheidenheid aan verbonden toepassingen, integreert meer configureerbare core-onafhankelijke randapparatuur (CIP's), die veel softwaretaken overdraagt ​​aan hardware voor snellere systeemprestaties en time-to-market. De CPI's bieden meer ontwerpflexibiliteit bij het maken van aangepaste, op hardware gebaseerde functies om het voor ontwikkelaars gemakkelijker te maken om hun specifieke ontwerpconfiguraties aan te passen. Ze zijn ontworpen met extra mogelijkheden om taken uit te voeren zonder tussenkomst van de CPU.

De configureerbare randapparatuur is onderling verbonden om het delen van gegevens, logische ingangen of analoge signalen met bijna nul latentie mogelijk te maken zonder extra code voor een verbeterde systeemrespons. Toepassingen omvatten een verscheidenheid aan realtime besturing en verbonden toepassingen, waaronder huishoudelijke apparaten, beveiligingssystemen, motor- en industriële besturing, verlichting en IoT.

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

CIP's inclusief timers, vereenvoudigde PWM-uitgang (pulsbreedtemodulatie), CLC's, analoog-naar-digitaalomzetter met berekening (ADCC) en meerdere seriële communicatie stellen ontwikkelaars in staat de ontwikkelingstijd te verkorten en de systeemprestaties te verbeteren. Met de CLC kunnen ontwikkelaars functies aanpassen, zoals het genereren van golfvormen en timingmetingen. Met CIP's kunnen ook hele regelkringen worden gerealiseerd in aanpasbare on-chip hardware, zei Microchip.

De productfamilie PIC18-Q43 is verkrijgbaar in verschillende geheugenformaten, pakketten en prijsklassen.

Geoptimaliseerd voor beveiliging en draadloze communicatie, heeft Renesas Electronics Corp. onlangs de RX23W gelanceerd - een 32-bits MCU met Bluetooth 5.0 voor IoT-eindpuntapparaten zoals huishoudelijke apparaten en apparatuur voor de gezondheidszorg. De MCU bevat ook Renesas' Trusted Secure IP, onderdeel van de RX MCU-familie, om Bluetooth-beveiligingsrisico's zoals afluisteren, sabotage en virussen aan te pakken.

De RX23W is gebaseerd op de RXv2-kern van Renesas, die de hoge prestaties van 4,33 Coremark/MHz bereikt, met verbeterde floating-point unit (FPU) en DSP-functies. De chip werkt op een maximale klokfrequentie van 54 MHz. De RX23W is geoptimaliseerd voor systeembesturing en draadloze communicatie en biedt volledige Bluetooth 5.0 Low Energy-ondersteuning, inclusief lange-afstands- en mesh-netwerkfuncties en claimt het laagste piekstroomverbruik in de sector voor de ontvangstmodus van 3 mA.

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

De RX23W integreert ook een reeks randfuncties voor IoT-apparatuur, waaronder beveiligings-, touchkey-, USB- en CAN-functies. Deze functies stellen de RX23W in staat om zowel systeemcontrole als draadloze Bluetooth-functies voor IoT-eindpuntapparatuur zoals huishoudelijke apparaten, gezondheidsapparatuur en sport- en fitnessapparatuur op één chip te implementeren, zei Renesas. Bovendien maken de Bluetooth-mesh-functies het optimaal voor industriële IoT-apparatuur die sensorgegevens verzamelt in een fabriek of een gebouw.

De RX23W is nu verkrijgbaar in 7 × 7 mm 56-pins QFN en 5,5 × 5,5 mm 85-pins BGA-pakketten met 512 KB on-chip flashgeheugen.

De STMicroelectronics ultra-low-power STM32L5x2 MCU's, gebaseerd op de Arm Cortex-M33 32-bit RISC-kern met op hardware gebaseerde Arm TrustZone-beveiliging, zijn ook gericht op het leveren van betere bescherming voor IoT-verbonden apparaten. Trusted computing verifieert apparaten die zijn aangesloten op een netwerk door een beveiligde uitvoeringsomgeving te creëren voor cyberbescherming en gevoelige code (cryptografie en sleutelopslag) die pogingen om apparaten of software te beschadigen, blokkeert, terwijl een tweede, onafhankelijke uitvoeringsomgeving het uitvoeren van niet-vertrouwde code mogelijk maakt , zei het bedrijf.

Met de nieuwe STM32L5-serie MCU's, die werken met klokfrequenties tot 110 MHz, stelt ST ontwerpers in staat om elke I/O, randapparatuur of gebied van flash of SRAM op te nemen of uit te sluiten van TrustZone-beveiliging. Hierdoor kunnen gevoelige workloads volledig worden geïsoleerd voor maximale beveiliging, zei ST.

Daarnaast is TrustZone ontworpen om veilig opstarten, speciale uitlees- en schrijfbeveiliging voor geïntegreerde SRAM en flash en cryptografische versnelling te ondersteunen, inclusief AES 128-/256-bits hardwareversnelling, openbare sleutelversnelling (PKA) en AES- 128 on-the-fly decodering (OTFDEC), om externe code of gegevens te beschermen. Andere functies zijn onder meer actieve sabotagedetectie en veilige firmware-installatie. Samen zorgen deze beveiligingsfuncties voor certificering tot PSA Certified Level 2.

STMicroelectronics' STM32L5-microcontrollers (Afbeelding:STMicroelectronics)

De STM32L5-familie levert ook ultralaag vermogen dankzij de toevoeging van technieken zoals adaptieve spanningsschaling, realtime acceleratie, power-gating en meerdere bedrijfsmodi met verminderd vermogen. Deze technieken stellen de MCU's in staat om hoge prestaties en lange looptijden te leveren, of de apparaten nu worden aangedreven door knoopcellen of zelfs energie oogsten, zei ST.

De step-down-regelaar met geschakelde modus kan ook on-the-fly worden in- of uitgeschakeld om de prestaties bij laag vermogen te verbeteren wanneer de VDD-spanning hoog genoeg is. De ULPMark scores, die ultra-low-power 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 zijn 512-Kbyte dual-bank flash die lees-en-schrijfbewerkingen mogelijk maakt en foutcorrectiecode (ECC) met diagnostiek ondersteunt, een 256-Kbyte SRAM en ondersteuning voor snel extern geheugen, inclusief single, dual, quad , of octale SPI en Hyperbus flash of SRAM, evenals een interface voor SRAM, PSRAM, NOR, NAND of FRAM.

Digitale randapparatuur omvat USB Full Speed ​​met speciale voeding, waardoor klanten USB-communicatie kunnen behouden, zelfs wanneer het systeem op 1,8 V wordt gevoed, en een UCPD-controller die voldoet aan de specificaties van USB Type-C Rev. 1.2 en USB Power Delivery Rev. 3.0. Slimme analoge functies omvatten een analoog-naar-digitaal converter (ADC), twee power-gated digitaal-naar-analoog converters (DAC's), twee ultra-low-power comparatoren en twee operationele versterkers met externe of interne volger-routing en programmeerbare versterkingsversterker (PGA) vermogen.

De STM32L5-serie biedt zijn eigen STM32CubeL5 one-stop-shop softwarepakket, inclusief hardware-abstractielaag en low-level drivers, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot en Secure Firmware Update (SBSFU), USB- PD-apparaatstuurprogramma, MbedTLS en MbedCrypto, FatFS-bestandssysteem en Touch Sensing-stuurprogramma's.

De STM32L5x2 MCU's zijn zeer geschikt voor industriële IoT-toepassingen, waaronder meting, bewaking van de gezondheid (mens of machine) en mobiele verkooppunten. De STM32L5x2 MCU's zijn verkrijgbaar in standaard temperatuurklasse (−40°C tot 85°C) voor consumenten- en commerciële toepassingen of hoge temperatuurklasse gespecificeerd van −40°C tot 125 °C.

Geconvergeerde AI en IoT

Voortbouwend op zijn AI-platform introduceerde Arm onlangs zijn Cortex-M55-processor en Ethos-U55 neurale verwerkingseenheid (NPU), aangeprezen als de eerste microNPU in de branche voor de Cortex-M. Voor veeleisende ML-toepassingen kan de Cortex-M55 worden gecombineerd met de Ethos-U55 microNPU, die samen een gecombineerde 480× hogere ML-prestaties leveren ten opzichte van bestaande Cortex-M-processors.

De Cortex-M55 wordt de Cortex-M-processor met de meeste AI genoemd en de eerste is gebaseerd op de Armv8.1-M-architectuur met Arm Helium-vectorverwerkingstechnologie, die een energiezuinigere DSP- en ML-prestaties levert. De Cortex-M55 levert tot 15× verbetering in ML-prestaties en 5× hogere DSP-prestaties, met grotere efficiëntie, in vergelijking met eerdere Cortex-M-generaties.

Een nieuwe functie voor Cortex-M-processors, de Arm Custom Instructions, zal beschikbaar zijn om de processormogelijkheden uit te breiden voor specifieke werkbelastingoptimalisatie, aldus het bedrijf.

De Ethos-U55 is zeer configureerbaar en specifiek ontworpen voor ML-inferentie in embedded en IoT-apparaten met beperkte ruimte. Het biedt geavanceerde compressietechnieken om energie te besparen en ML-modelgroottes aanzienlijk te verkleinen om uitvoering van neurale netwerken mogelijk te maken die voorheen alleen op grotere systemen draaiden, aldus het bedrijf.

Deze processors werken samen met Arm TrustZone om ervoor te zorgen dat beveiliging gemakkelijker kan worden geïntegreerd in het volledige system-on-chip.

De i.MX RT600 crossover MCU-familie van NXP Semiconductors, ontworpen voor ultra-low-power, veilige edge-applicaties, waaronder audio, spraak en ML, overbrugt de kloof tussen hoge prestaties en integratie en voldoet tegelijkertijd aan de kostenvereisten voor embedded processing aan de edge. (De i.MX RT1170 is een winnaar van EP's 2019 Product of the Year Awards.)

De uitbreiding bouwt voort op het ML-aanbod van het bedrijf, waaronder de onlangs aangekondigde i.MX 8M Plus-applicatieprocessors met een speciale NPU. Dit is het eerste apparaat in de i.MX-familie dat een speciale NPU integreert voor geavanceerde machine learning-inferentie aan de industriële en IoT-edge. Het bevat ook een onafhankelijk realtime subsysteem, een ISP met twee camera's, hoogwaardige DSP en 3D GPU voor edge-toepassingen.

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

De i.MX RT600 multi-core crossover-processorfamilie beschikt over een Arm Cortex-M33 met een snelheid tot 300 MHz en een optionele Cadence Tensilica HiFi 4 audio/spraak digitale signaalprocessor (DSP) met een snelheid tot 600 MHz, met vier MACS en hardware- gebaseerde transcendentale en activeringsfuncties.

De i.MX RT600 is gebouwd op een 28-nm FD-SOI-proces dat is geoptimaliseerd voor actief vermogen en lekstroom, en ondersteunt de krachtige kernen met 4,5 MB on-chip SRAM met lage lekkage, die is geconfigureerd voor een gelijktijdige zero-wait-status toegang, waardoor het geschikt is voor realtime uitvoering van audio/spraak, ML en op neurale netwerken gebaseerde toepassingen.

De crossover MCU's zijn ook voorzien van EdgeLock, de geavanceerde embedded beveiligingstechnologie van NXP, en ML-ondersteuning met behulp van de eIQ for Glow neurale netwerkcompiler.

Beveiligingsfuncties omvatten veilig opstarten met onveranderlijke hardware "root of trust", SRAM fysiek niet-kloneerbare functie (PUF) gebaseerde unieke sleutelopslag, op certificaten gebaseerde veilige debug-authenticatie, AES-256- en SHA2-256-versnelling en DICE-beveiligingsstandaardimplementatie voor veilige cloud-to-edge communicatie. De chip bevat ook een optioneel op fuses gebaseerd root-sleutelopslagmechanisme voor veilig opstarten en crypto-operaties en een public key infrastructure (PKI), of asymmetrische cryptografie, wat een speciale asymmetrische accelerator biedt voor ECC- en RSA-algoritmen.

De crossover-processors bevatten een audio-/spraaksubsysteem met ondersteuning van maximaal acht DMIC-kanalen, met hardware voor spraakactiveringsdetectie (VAD) en maximaal acht I ² S-randapparatuur. Andere randapparatuur omvat SDIO voor draadloze communicatie, high-speed USB met on-chip PHY, een 12-bits ADC met temperatuursensor en verschillende seriële interfaces, waaronder 50 Mbits/s SPI, I3C en zes configureerbare seriële interfaces (USART, SPI , I2C of I2S) met ondersteuning voor individuele FIFO- en DMA-serviceverzoeken.

NXP is van plan de Ethos U-55 te implementeren in zijn Cortex-M-gebaseerde microcontrollers, crossover MCU's en realtime subsystemen in applicatieprocessors, gericht op industriële en IoT edge-apparaten met beperkte middelen.

De zeer configureerbare Ethos-U55 machine-learning accelerator werkt met de Cortex-M-kern om een ​​kleine footprint te bereiken, wat een meer dan 30x verbetering van de inferentieprestaties oplevert in vergelijking met goed presterende MCU's, aldus NXP.

De ECM3532 neurale sensorprocessor (NSP) van Eta Compute Inc., geclaimd als de eerste AI-multicoreprocessor voor embedded sensortoepassingen, beschikt over de gepatenteerde Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) van het bedrijf en levert een actief stroomverbruik van slechts 100 μW in altijd- op toepassingen. De ECM3532 multicore NSP combineert een MCU en een DSP, beide met CVFS, om de uitvoering te optimaliseren voor de beste efficiëntie, waardoor het geschikt is voor IoT-sensorknooppunten.

Eta Compute's NSP is ontworpen voor always-on beeld- en sensortoepassingen en biedt een compleet software- en hardwareaanbod. Het platform levert AI aan edge-apparaten en zet sensorgegevens om in bruikbare informatie voor toepassingen zoals spraak, activiteit, gebaren, geluid, beeld, temperatuur, druk en biometrie. Het platform lost uitdagingen op het gebied van edge computing op, waaronder een kortere responstijd, verhoogde beveiliging en hogere nauwkeurigheid.

Het stand-alone AI-platform omvat een multicore-processor, inclusief flashgeheugen, SRAM, I/O, randapparatuur en een machine-learning softwareontwikkelingsplatform. De CVFS verhoogt de prestaties en efficiëntie voor edge-apparaten aanzienlijk. De zelfgetimede CVFS-architectuur past automatisch en continu de interne kloksnelheid en voedingsspanning aan om de energie-efficiëntie voor de gegeven werklast te maximaliseren. De ECM3532 is verpakt in een BGA van 5 × 5 mm en 81 kogels.