處理器解決物聯網和人工智能的融合

Processors address convergence of IoT and AI

微處理器（MPU）和微控制器（MCU）制造商繼續通過關注超低功耗、更快的系統性能和增強安全性（包括主動篡改檢測和安全固件安裝）來解決日益增長的物聯網應用。這些芯片需要處理來自越來越多傳感器的大量數據，同時消耗低功耗。為了降低功耗，芯片制造商正在使用諸如自適應電壓縮放、功率選通和多種低功耗操作模式等技術。

據市場研究公司Statista預測，到2025年，全球物聯網設備市場將從2018年的220億臺增長到約386億臺。這些聯網設備現在跨越了各個行業，從智能手機、智能家電、家庭安全系統到聯網汽車、智能城市和工業物聯網。

隨著人工智能和物聯網在許多行業的融合，額外的智能在安全性、可靠性、性能，當然還有成本方面增加了一些挑戰。這些芯片需要在降低功耗的同時提供更高性能的高速處理。其中一些芯片制造商也在采用先進的壓縮技術來降低功耗和機器學習（ML）模型。

以下是針對物聯網和融合人工智能應用的微處理器和微型計算機單元的樣本。

微芯片技術公司（Microchip Technology Inc.）的PIC18-Q43系列微控制器集成了更多可配置的核心獨立外圍設備（CIP），將許多軟件任務轉移到硬件上，以加快系統性能和上市時間。在創建基于硬件的自定義功能時，cpi提供了更大的設計靈活性，使開發人員更容易定制其特定的設計配置。被設計為具有額外的功能來處理任務，而不需要來自CPU的干預。

可配置的外圍設備相互連接，允許數據、邏輯輸入或模擬信號的接近零延遲共享，而無需額外的代碼來提高系統響應。應用包括各種實時控制和連接應用，包括家用電器、安全系統、電機和工業控制、照明和物聯網。

Microchip的PIC18-Q43微控制器

通過簡化的模擬脈沖寬度（CIPs）和數字脈沖寬度轉換器（CIPs）和模擬脈沖寬度轉換器（CIPs）來提高模擬脈沖寬度（ADCC）系統的開發時間。CLC允許開發人員定制諸如波形生成和定時測量等功能?！癈IPs還使整個控制回路能夠在可定制的片上硬件中實現，”Microchip說。
PIC18-Q43產品系列提供多種內存大小、封裝和價格。

瑞薩電子公司（Renesas Electronics Corp.）最近推出了RX23W——一款32位MCU，帶有藍牙5.0，適用于家用電器和醫療設備等物聯網終端設備。該MCU還包括Renesas的可信安全IP，其RX MCU家族的特點，以解決藍牙安全風險，如竊聽、篡改和病毒。

RX23W基于Renesas的RXv2內核，實現了4.33
Coremark/MHz的高性能，并改進了浮點單元（FPU）和DSP功能。該芯片的最大時鐘頻率為54兆赫。RX23W針對系統控制和無線通信進行了優化，提供了全面的藍牙5.0低能耗支持，包括遠程和網狀網絡功能，并聲稱其是業界最低水平的接收模式峰值功耗為3毫安。

Renesas的RX23W 32位微控制器，帶藍牙5.0

RX23W還集成了物聯網設備的一系列外圍功能，包括安全、觸摸鍵、USB和CAN功能。Renesas說，這些功能允許RX23W在單個芯片上實現物聯網終端設備的系統控制和藍牙無線功能，如家用電器、醫療設備和體育健身設備。此外，藍牙網狀功能使其成為工業物聯網設備在工廠或建筑物中收集傳感器數據的最佳選擇。

RX23W現在有7×7-mm 56針QFN和5.5×5.5 mm 85針BGA封裝和512 KB片上閃存。

此外，旨在為物聯網設備提供更好的保護的還有STMicroelectronics超低功耗STM32L5x2 mcu，基于Arm Cortex-M33 32位RISC內核，具有基于Arm TrustZone硬件的安全性。該公司稱，可信計算通過為網絡保護和敏感代碼（加密和密鑰存儲）創建受保護的執行環境來驗證連接到網絡的設備，從而阻止試圖破壞設備或軟件的行為，而第二個獨立的執行環境允許運行不受信任的代碼。

新的STM32L5系列MCU在110 MHz的時鐘頻率下工作，ST使設計人員能夠將每個I/O、外圍設備或閃存或SRAM區域包括或排除在信任區保護之外。這使得敏感的工作負載被完全隔離，以達到最大的安全性。

此外，TrustZone的設計支持安全引導、集成SRAM和閃存的特殊讀寫保護，以及加密加速，包括AES 128-/256位密鑰硬件加速、公鑰加速（PKA）和AES-128實時解密（OTFDEC），以保護外部代碼或數據。其功能包括主動篡改檢測和安全固件安裝。這些安全特性一起提供了PSA認證的2級認證。

STMicroelectronics的STM32L5微控制器

STM32L5系列還提供了超低功耗，這得益于增加了自適應電壓縮放、實時加速、功率選通和多種低功耗操作模式。這些技術使MCU能夠提供高性能和長時間的運行時間，無論設備是由硬幣電池供電，甚至是能量收集。

當VDD電壓足夠高時，開關模式降壓調節器還可以動態上電或斷電，以提高低功耗性能。根據EEMBC開發的實際基準，測量超低功率效率的ULPMark分數為：370個ULPMark CoreProfile和54個ULPMark外圍設備配置文件（1.8v）。

其MCU功能包括512kbyte雙槽閃存，允許讀寫操作并支持診斷錯誤糾正碼（ECC），256千字節SRAM，支持高速外部存儲器，包括單、雙、四或八進制SPI和Hyperbus flash或SRAM，以及SRAM、PSRAM、NOR、NAND或FRAM接口。

數字外圍設備包括USB全速專用電源，允許客戶在系統電源為1.8 V時仍能保持USB通信，以及符合USB Type-C Rev的UCPD控制器。1.2和USB電源傳輸版本。3.0規范。具有兩個模擬功率選通放大器（PGA）和兩個外部可編程模數轉換器（PGA）和兩個可編程的模數轉換器（ADC）功能。

STM32L5系列提供了自己的STM32CubeL5一站式軟件包，包括硬件抽象層和低級驅動程序、FreeRTOS、可信固件-M（TF-M）、安全引導和安全固件更新（SBSFU）、USB-PD設備驅動程序、MbedTLS和MbedCrypto、FatFS文件系統和觸摸感應驅動程序。

STM32L5x2 MCU非常適合工業物聯網應用，包括計量、健康（人或機器）監測和移動銷售點。STM32L5x2 MCU提供標準溫度等級（?40°C至85°C），用于消費和商業應用，或指定為?40°C至125°C的高溫等級。

Converged AI and IoT

Arm在其人工智能平臺的基礎上，最近推出了Cortex-M55處理器和Ethos-U55神經處理單元（NPU），號稱是業界第一款針對Cortex-M的微型處理器。對于高要求的ML應用，Cortex-M55可與Ethos-U55
microNPU搭配使用，與現有的Cortex-M處理器相比，ML性能提高了480倍。

Cortex-M55被稱為最具人工智能能力的Cortex-M處理器，也是第一款基于Armv8.1-M架構、采用Arm氦矢量處理技術的處理器，提供了更節能的DSP和ML性能。與前代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。

Cortex-M處理器的一個新功能是Arm定制指令，該功能將用于擴展處理器功能，以實現特定的工作負載優化。

Ethos-U55是高度可配置的，專為面積受限的嵌入式和物聯網設備中的ML推理而設計。據該公司介紹，提供了先進的壓縮技術，可以節省電力，并顯著減少ML模型的大小，從而能夠執行以前只在較大系統上運行的神經網絡。

這些處理器與Arm TrustZone一起工作，以確保安全性可以更容易地集成到整個片上系統中。

NXP Semiconductors的i.MX RT600
crossover MCU系列專為超低功耗、安全的邊緣應用而設計，在滿足邊緣嵌入式處理的成本要求的同時，彌合了高性能和集成度之間的差距。（i.MX RT1170是EP 2019年度產品獎的得主。）

這一擴展建立在該公司的ML產品上，包括最近發布的帶有專用NPU的i.mx8mplus應用處理器。這是i.MX系列中第一款集成專用NPU的設備，用于工業和物聯網邊緣的高級機器學習推理。還封裝了一個獨立的實時子系統、雙攝像頭ISP、高性能DSP和3D GPU，用于邊緣應用。

NXP’s i.MX RT600 development board
i.MX RT600多核交叉處理器系列的特點是運行頻率高達300兆赫的Arm
Cortex-M33和運行頻率高達600兆赫的可選Cadence Tensilica HiFi 4音頻/語音數字信號處理器（DSP），具有四個mac和基于硬件的超越和激活功能。

基于28nm FD-SOI工藝，i.MX RT600支持高性能內核和4.5 MB片內低泄漏SRAM，配置為同時零等待狀態訪問，使其適合實時執行音頻/語音、ML和基于神經網絡的應用程序。

交叉mcu還具有EdgeLock、NXP的先進嵌入式安全技術以及使用eiqforglow神經網絡編譯器的ML支持。

安全特性包括使用不可變硬件“信任根”進行安全引導、基于SRAM物理不可克隆功能（PUF）的唯一密鑰存儲、基于證書的安全調試身份驗證、AES-256和SHA2-256加速，以及用于安全云到邊緣通信的DICE安全標準實現。該芯片還包括一個可選的基于保險絲的根密鑰存儲機制，用于安全啟動和加密操作，以及一個公鑰基礎設施（PKI），即非對稱加密，為ECC和RSA算法提供專用的非對稱加速器。

交叉處理器包括一個音頻/語音子系統，支持多達8個DMIC信道，以及用于語音激活檢測（VAD）的硬件和多達8個i2s外圍設備。其外圍設備包括用于無線通信的SDIO、帶片上PHY的高速USB、帶溫度傳感器的12位ADC、以及多個串行接口（包括50Mbits/s SPI、I3C）和六個可配置串行接口（USART、SPI、I2C或I2S），支持單獨的FIFO和DMA服務請求。

NXP計劃在其基于Cortex-M的微控制器、交叉MCU和應用處理器中的實時子系統中實現Ethos U-55，針對資源受限的工業和物聯網邊緣設備。

NXP說，高度可配置的Ethos-U55機器學習加速器與Cortex-M內核配合使用，實現了較小的占用空間，與高性能MCU相比，推理性能提高了30倍以上。

Eta Compute Inc.的ECM3532神經傳感器處理器（NSP）號稱是第一款用于嵌入式傳感器應用的AI多核處理器，采用了該公司專利的連續電壓頻率縮放（CVFS）技術，在永不停機的應用中可提供低至100μW的有功功耗。ECM3532多核NSP將MCU和DSP與CVFS結合起來，以優化執行以獲得最佳效率，使其適合物聯網傳感器節點。

為NSPA提供完整的硬件和圖像處理軟件。該平臺向邊緣設備提供人工智能，并將傳感器數據轉化為可操作的信息，用于語音、活動、手勢、聲音、圖像、溫度、壓力和生物特征識別等應用。該平臺解決了邊緣計算的挑戰，包括較低的響應時間、更高的安全性和更高的準確性。

獨立的人工智能平臺包括多核處理器，包括閃存、SRAM、I/O、外圍設備和機器學習軟件開發平臺。CVFS大大提高了邊緣設備的性能和效率。自定時CVFS架構自動、連續地調整內部時鐘頻率和電源電壓，以最大限度地提高給定工作負載的能源效率。ECM3532封裝在一個5×5毫米的81球BGA中。

總結

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