处理器适用于物联网和人工智能

处理器适用于物联网和人工智能微处理器（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）的新设备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传感器的大量数据，同时功耗低。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。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，高于2018年的220亿台。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具有增强性能的高速处理。其中一些芯片制造商还采用高级压缩等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AI应用的MPU和MCU示例。针对各种互联应用，MicrochipTechnologyInc.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。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。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。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。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）和多串行通信，使开发人员能够缩短开发时间并提高系统性能。CLC允许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。PIC18-Q43产品系列提供多种存储器大小、封装和价位。瑞萨电子公司针对安全和无线通信进行了优化，最近推出了RX23W——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。该MCU还包括RenesasRXMCU系列中的TrustedSecureIP，以解决窃听、篡改和病毒等蓝牙安全风险。RX23W基于瑞萨电子的RXv2内核，实现了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，并声称业界最低水平的接收模式峰值功耗为3mA。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。瑞萨电子表示，这些功能使RX23W能够在单个芯片上为物联网端点设备（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，蓝牙网状网络功能使其成为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。RX23W现在采用7×7-mm56引脚QFN和5.5×5.5-mm85引脚BGA封装，具有512KB片上闪存。STMicroelectronics超低功耗STM32L5x2MCU也旨在为物联网连接设备提供更好的保护，它基于ArmCortex-M3332位RISC内核和ArmTrustZone硬件安全性。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允许运行不受信任的代码，该公司表示。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。ST表示，这允许完全隔离敏感的工作负载以实现最大的安全性。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AES128/256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PSACertifiedLevel2的认证。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系列还提供超低功耗。ST表示，这些技术使MCU能够提供高性能和长运行时间，无论设备是由纽扣电池供电还是能量收集供电。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。根据EEMBC开发的实际基准衡量超低功耗效率的ULPMark分数是：370ULPMark-CoreProfile和54ULPMark-PeripheralProfile（1.8V）。其他MCU功能包括512KB双存储体闪存，允许读写操作并支持具有诊断功能的纠错码（ECC）、256KBSRAM，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。数字外设包括带有专用电源的USB全速，即使系统以1.8V供电，客户也能保持USB通信，以及符合USBType-CRev.1.2和USBPowerDeliveryRev.3.0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的运算放大器增益放大器（PGA）的能力。STM32L5系列提供自己的STM32CubeL5一站式软件包，其中包括硬件抽象层和低级驱动程序、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。STM32L5x2MCU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。STM32L5x2MCU提供用于消费和商业应用的标准温度等级（-40°C至85°C）或-40°C至125°C的高温等级。融合人工智能和物联网在其人工智能平台上，Arm最近推出了其Cortex-M55处理器和Ethos-U55神经处理单元（NPU），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-U55microNPU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。Cortex-M55被称为人工智能能力最强的Cortex-M处理器，也是第一款基于Armv8.1-M架构的ArmHelium矢量处理技术，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。该公司表示，Cortex-M处理器的一项新功能Arm自定义指令将可用于扩展处理器功能以优化特定的工作负载。Ethos-U55具有高度可配置性，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着减小ML模型的大小，从而能够执行以前只在大型系统上运行的神经网络。这些处理器与ArmTrustZone配合使用，可确保更轻松地将安全性整合到完整的片上系统中。NXPSemiconductors的i.MXRT600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，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。（i.MXRT1170是EP2019年度产品奖的获得者。）此次扩展基于该公司的ML产品，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3DGPU。i.MXRT600多核跨界处理器系列具有运行频率高达300MHz的ArmCortex-M33和运行频率高达600MHz的可选CadenceTensilicaHiFi4音频/语音数字信号处理器（DSP），具有四个MACS和硬件-基于超越函数和激活函数。i.MXRT600基于针对有源和漏电功率优化的28-nmFD-SOI工艺构建，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，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。跨界MCU还具有EdgeLock、恩智浦先进的嵌入式安全技术和使用eIQforGlow神经网络编译器的ML支持。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加速以及用于安全的DICE安全标准实施云到边缘通信。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。分频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外围设备。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50-Mbits/sSPI、I3C和六个可配置串行接口（USART、SPI、I2C或I2S），具有单独的FIFO和DMA服务请求支持。恩智浦计划在其基于Cortex-M的微控制器、跨界MCU和应用处理器中的实时子系统中实施EthosU-55，针对资源受限的工业和物联网边缘设备。NXP表示，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。EtaComputeInc.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，具有该公司专利的连续电压频率缩放（CVFS）功能，并且始终提供低至100μW的有功功耗。关于应用程序。ECM3532多核NSP将MCU和DSP与CVFS相结合，以优化执行以获得最佳效率，使其适用于物联网传感器节点。EtaCompute的NSP专为始终在线的图像和传感器应用而设计，提供完整的软件和硬件产品。