处理器解决物联网和人工智能的融合

处理器解决物联网和人工智能的融合

Processors address convergence of IoT and AI

微处理器（MPU）和微控制器（MCU）制造商继续通过关注超低功耗、更快的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）来解决日益增长的物联网应用。这些芯片需要处理来自越来越多传感器的大量数据，同时消耗低功耗。为了降低功耗，芯片制造商正在使用诸如自适应电压缩放、功率选通和多种低功耗操作模式等技术。             

据市场研究公司Statista预测，到2025年，全球物联网设备市场将从2018年的220亿台增长到约386亿台。这些联网设备现在跨越了各个行业，从智能手机、智能家电、家庭安全系统到联网汽车、智能城市和工业物联网。             

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，当然还有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更高性能的高速处理。其中一些芯片制造商也在采用先进的压缩技术来降低功耗和机器学习（ML）模型。             

以下是针对物联网和融合人工智能应用的微处理器和微型计算机单元的样本。             

微芯片技术公司（Microchip Technology Inc.）的PIC18-Q43系列微控制器集成了更多可配置的核心独立外围设备（CIP），将许多软件任务转移到硬件上，以加快系统性能和上市时间。在创建基于硬件的自定义功能时，cpi提供了更大的设计灵活性，使开发人员更容易定制其特定的设计配置。被设计为具有额外的功能来处理任务，而不需要来自CPU的干预。             

可配置的外围设备相互连接，允许数据、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提高系统响应。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。

Microchip的PIC18-Q43微控制器             

通过简化的模拟脉冲宽度（CIPs）和数字脉冲宽度转换器（CIPs）和模拟脉冲宽度转换器（CIPs）来提高模拟脉冲宽度（ADCC）系统的开发时间。CLC允许开发人员定制诸如波形生成和定时测量等功能。“CIPs还使整个控制回路能够在可定制的片上硬件中实现，”Microchip说。             

PIC18-Q43产品系列提供多种内存大小、封装和价格。             

瑞萨电子公司（Renesas Electronics Corp.）最近推出了RX23W——一款32位MCU，带有蓝牙5.0，适用于家用电器和医疗设备等物联网终端设备。该MCU还包括Renesas的可信安全IP，其RX MCU家族的特点，以解决蓝牙安全风险，如窃听、篡改和病毒。             

RX23W基于Renesas的RXv2内核，实现了4.33 Coremark/MHz的高性能，并改进了浮点单元（FPU）和DSP功能。该芯片的最大时钟频率为54兆赫。RX23W针对系统控制和无线通信进行了优化，提供了全面的蓝牙5.0低能耗支持，包括远程和网状网络功能，并声称其是业界最低水平的接收模式峰值功耗为3毫安。

Renesas的RX23W 32位微控制器，带蓝牙5.0             

RX23W还集成了物联网设备的一系列外围功能，包括安全、触摸键、USB和CAN功能。Renesas说，这些功能允许RX23W在单个芯片上实现物联网终端设备的系统控制和蓝牙无线功能，如家用电器、医疗设备和体育健身设备。此外，蓝牙网状功能使其成为工业物联网设备在工厂或建筑物中收集传感器数据的最佳选择。              

RX23W现在有7×7-mm 56针QFN和5.5×5.5 mm 85针BGA封装和512 KB片上闪存。             

此外，旨在为物联网设备提供更好的保护的还有STMicroelectronics超低功耗STM32L5x2 mcu，基于Arm Cortex-M33 32位RISC内核，具有基于Arm TrustZone硬件的安全性。该公司称，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，从而阻止试图破坏设备或软件的行为，而第二个独立的执行环境允许运行不受信任的代码。             

新的STM32L5系列MCU在110 MHz的时钟频率下工作，ST使设计人员能够将每个I/O、外围设备或闪存或SRAM区域包括或排除在信任区保护之外。这使得敏感的工作负载被完全隔离，以达到最大的安全性。             

此外，TrustZone的设计支持安全引导、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实时解密（OTFDEC），以保护外部代码或数据。其功能包括主动篡改检测和安全固件安装。这些安全特性一起提供了PSA认证的2级认证。

STMicroelectronics的STM32L5微控制器             

STM32L5系列还提供了超低功耗，这得益于增加了自适应电压缩放、实时加速、功率选通和多种低功耗操作模式。这些技术使MCU能够提供高性能和长时间的运行时间，无论设备是由硬币电池供电，甚至是能量收集。             

当VDD电压足够高时，开关模式降压调节器还可以动态上电或断电，以提高低功耗性能。根据EEMBC开发的实际基准，测量超低功率效率的ULPMark分数为：370个ULPMark CoreProfile和54个ULPMark外围设备配置文件（1.8v）。             

其MCU功能包括512kbyte双槽闪存，允许读写操作并支持诊断错误纠正码（ECC），256千字节SRAM，支持高速外部存储器，包括单、双、四或八进制SPI和Hyperbus flash或SRAM，以及SRAM、PSRAM、NOR、NAND或FRAM接口。             

数字外围设备包括USB全速专用电源，允许客户在系统电源为1.8 V时仍能保持USB通信，以及符合USB Type-C Rev的UCPD控制器。1.2和USB电源传输版本。3.0规范。具有两个模拟功率选通放大器（PGA）和两个外部可编程模数转换器（PGA）和两个可编程的模数转换器（ADC）功能。              

STM32L5系列提供了自己的STM32CubeL5一站式软件包，包括硬件抽象层和低级驱动程序、FreeRTOS、可信固件-M（TF-M）、安全引导和安全固件更新（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。             

STM32L5x2 MCU非常适合工业物联网应用，包括计量、健康（人或机器）监测和移动销售点。STM32L5x2 MCU提供标准温度等级（−40°C至85°C），用于消费和商业应用，或指定为−40°C至125°C的高温等级。

Converged AI and IoT

Arm在其人工智能平台的基础上，最近推出了Cortex-M55处理器和Ethos-U55神经处理单元（NPU），号称是业界第一款针对Cortex-M的微型处理器。对于高要求的ML应用，Cortex-M55可与Ethos-U55 microNPU搭配使用，与现有的Cortex-M处理器相比，ML性能提高了480倍。             

Cortex-M55被称为最具人工智能能力的Cortex-M处理器，也是第一款基于Armv8.1-M架构、采用Arm氦矢量处理技术的处理器，提供了更节能的DSP和ML性能。与前代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处理器的一个新功能是Arm定制指令，该功能将用于扩展处理器功能，以实现特定的工作负载优化。             

Ethos-U55是高度可配置的，专为面积受限的嵌入式和物联网设备中的ML推理而设计。据该公司介绍，提供了先进的压缩技术，可以节省电力，并显著减少ML模型的大小，从而能够执行以前只在较大系统上运行的神经网络。             

这些处理器与Arm TrustZone一起工作，以确保安全性可以更容易地集成到整个片上系统中。             

NXP Semiconductors的i.MX RT600 crossover MCU系列专为超低功耗、安全的边缘应用而设计，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度之间的差距。（i.MX RT1170是EP 2019年度产品奖的得主。）             

这一扩展建立在该公司的ML产品上，包括最近发布的带有专用NPU的i.mx8mplus应用处理器。这是i.MX系列中第一款集成专用NPU的设备，用于工业和物联网边缘的高级机器学习推理。还封装了一个独立的实时子系统、双摄像头ISP、高性能DSP和3D GPU，用于边缘应用。

 

NXP’s i.MX RT600 development board 

i.MX RT600多核交叉处理器系列的特点是运行频率高达300兆赫的Arm Cortex-M33和运行频率高达600兆赫的可选Cadence Tensilica HiFi 4音频/语音数字信号处理器（DSP），具有四个mac和基于硬件的超越和激活功能。              

基于28nm FD-SOI工艺，i.MX RT600支持高性能内核和4.5 MB片内低泄漏SRAM，配置为同时零等待状态访问，使其适合实时执行音频/语音、ML和基于神经网络的应用程序。             

交叉mcu还具有EdgeLock、NXP的先进嵌入式安全技术以及使用eiqforglow神经网络编译器的ML支持。             

安全特性包括使用不可变硬件“信任根”进行安全引导、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保险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），即非对称加密，为ECC和RSA算法提供专用的非对称加速器。             

交叉处理器包括一个音频/语音子系统，支持多达8个DMIC信道，以及用于语音激活检测（VAD）的硬件和多达8个i2s外围设备。其外围设备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50Mbits/s SPI、I3C）和六个可配置串行接口（USART、SPI、I2C或I2S），支持单独的FIFO和DMA服务请求。             

NXP计划在其基于Cortex-M的微控制器、交叉MCU和应用处理器中的实时子系统中实现Ethos U-55，针对资源受限的工业和物联网边缘设备。             

NXP说，高度可配置的Ethos-U55机器学习加速器与Cortex-M内核配合使用，实现了较小的占用空间，与高性能MCU相比，推理性能提高了30倍以上。              

Eta Compute Inc.的ECM3532神经传感器处理器（NSP）号称是第一款用于嵌入式传感器应用的AI多核处理器，采用了该公司专利的连续电压频率缩放（CVFS）技术，在永不停机的应用中可提供低至100μW的有功功耗。ECM3532多核NSP将MCU和DSP与CVFS结合起来，以优化执行以获得最佳效率，使其适合物联网传感器节点。             

为NSPA提供完整的硬件和图像处理软件。该平台向边缘设备提供人工智能，并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、压力和生物特征识别等应用。该平台解决了边缘计算的挑战，包括较低的响应时间、更高的安全性和更高的准确性。             

独立的人工智能平台包括多核处理器，包括闪存、SRAM、I/O、外围设备和机器学习软件开发平台。CVFS大大提高了边缘设备的性能和效率。自定时CVFS架构自动、连续地调整内部时钟频率和电源电压，以最大限度地提高给定工作负载的能源效率。ECM3532封装在一个5×5毫米的81球BGA中。