IoT應用融合AI 處理器進展並駕齊驅
作者 : Gina Roos，Electronic Products主編
因應不斷擴展中的物聯網應用融合AI，MPU和MCU製造商持續開發超低功耗、更快系統性能以及增強安全的新元件…
為了因應不斷擴展中的物聯網(IoT)應用，微處理器(MPU)和微控制器(MCU)製造商持續專注於開發超低功耗、更快系統性能以及增強安全性的新元件，包括主動篡改檢測和安全韌體安裝等。這些晶片需要處理來自越來越多感測器的大量資料，同時還要實現低功耗。為了降低功耗，晶片製造商正使用自適應電壓調節(AVS)、電源閘控和多種低功耗操作模式等技術。
根據市場研究公司Statista的資料，到2025年，全球IoT連接裝置市場預計將達到約386億台。這些連網裝置範圍橫跨多個產業，從智慧型手機、智慧家電和家庭安全系統到連網汽車、智慧城市和工業物聯網(IIoT)。
隨著人工智慧(AI)和IoT在許多產業的融合，更多的智慧在安全性、可靠性、性能以及成本方面增加了挑戰。這些晶片需要在降低功耗的同時提供具有增強性能的高速處理。其中一些晶片製造商還採用了先進壓縮等技術來降低功耗，以及機器學習(ML)模型。
本文介紹針對IoT和融合AI應用的幾種MPU和MCU示例。針對各種連接應用，微芯科技(Microchip Technology)的PIC18-Q43系列微控制器整合了更多可配置的核心獨立周邊裝置(CIP)，可將許多軟體任務卸載到硬體上，從而加快系統性能並縮短上市時間(圖1)。在創建基於硬體的自訂功能時，CIP提供了更大的設計靈活性，從而使開發人員能夠更輕鬆地客製其特定的設計配置。它們被設計為具有額外的功能來處理任務，而無需CPU的干預。
可配置的周邊裝置相互連接，以實現資料、邏輯輸入或類比訊號的接近零延遲共享，而無需額外的程式碼來改善系統響應。其應用包括各種即時控制和連接應用，包括家用電器、安全系統、馬達和工業控制和照明等。
圖1：Microchip的PIC18-Q43 MCU。（圖片來源：Microchip Technology）
CIP包括計時器、簡化的脈衝寬度調變(PWM)輸出、可配置邏輯單元(CLC)、帶運算功能的類比數位轉換器(ADCC)以及多種串列通訊，讓開發人員能夠縮短開發時間並改善系統性能。CLC支援開發人員客製波形產生和計時測量等功能。Microchip表示，CIP還能夠在可客製的晶片硬體中實現整個控制迴路。
PIC18-Q43產品系列提供多種記憶體大小、封裝和價位。
瑞薩電子(Renesas Electronics)針對安全和無線通訊進行了最佳化推出RX23W，這是一款支援藍牙5.0的32位元MCU，適用於家用電器和醫療保健裝置等IoT端點裝置(圖2)。該MCU還包括Renesas的Trusted Secure IP，這是其RX MCU系列中的一項功能，可以解決藍牙安全風險，例如竊聽、篡改和病毒。
RX23W基於瑞薩的RXv2核心，可實現4.33Coremark/MHz的高性能，並具有改進的浮點單元(FPU)和DSP功能。該晶片的最大時脈頻率為54MHz。RX23W針對系統控制和無線通訊進行了最佳化，提供了完整的藍牙5.0低功耗支援，包括遠端和網狀網路功能，並聲稱其具有業界最低的3mA接收模式峰值功耗。
圖2：瑞薩電子支援藍牙5.0的RX23W 32位元MCU。(圖片來源：Renesas Electronics)
RX23W還整合IoT設備的一系列周邊功能，包括安全、觸控鍵、USB和CAN功能。瑞薩電子表示，這些功能讓RX23W能夠以單個晶片為IoT端點設備(如家用電器、醫療保健裝置以及運動和健身設備)實現系統控制和藍牙無線功能。此外，藍牙網狀網路功能還使其成為在工廠或建築物中收集感測器資料的工業IoT裝置之最佳選擇。
意法半導體(ST)超低功耗STM32L5x2 MCU同樣為IoT連網裝置提供更好的保護，它基於Arm Cortex-M33 32位元RISC核心設計並具有Arm TrustZone基於硬體的安全性(圖3)。
可信賴運算透過為網路保護和敏感程式碼(加密和金鑰儲存)創建受保護的執行環境來驗證連接到網路的裝置，以阻止破壞裝置或軟體的嘗試，而第二個獨立的執行環境則支援運行不受信任的程式碼，該公司表示。
憑藉新的STM32L5系列MCU，其時脈頻率高達110MHz，ST讓設計人員能夠將每個I/O、周邊裝置或快閃記憶體(flash)或SRAM區域納入或排除在TrustZone保護範圍內。這樣就可以完全隔離敏感的工作負載，從而實現最大的安全性。
此外，TrustZone旨在支援安全啟動、整合SRAM和flash的特殊讀取防寫以及加密加速，包括AES 128/256位元金鑰硬體加速、公共金鑰加速(PKA)和AES-128即時解密(OTFDEC)，用於保護外部程式碼或資料。其他功能包括主動篡改檢測和安全韌體安裝。這些安全功能共同提供了PSA Certified 2級認證。
圖3：ST的STM32L5 MCU。（圖片來源：ST）
ST表示，STM32L5系列由於增加了自適應電壓調節、即時加速、電源閘控和多種低功耗工作模式等技術，因而提供了超低功耗。這些技術使MCU提供高性能和長執行時間，無論該元件是透過鈕扣電池還是能量採集供電。
當VDD電壓足夠高時，開關模式降壓穩壓器也可以動態上電或斷電，以提高低功耗性能。其ULPMark評分(根據EEMBC開發的實際基準測量超低功耗效率)為370ULPMark-CoreProfile和54ULPMark-PeripheralProfile (1.8V)。
其他的MCU功能包括512KB雙儲存flash區，支援讀寫操作、具有診斷功能的糾錯碼(ECC)、256KB SRAM，並支援高速外部記憶體，包括單、雙、四或八進制SPI和Hyperbus快閃記憶體或SRAM，以及用於SRAM、PSRAM、NOR、NAND或FRAM的介面。
數位周邊包括帶有專用電源的USB Full Speed——即使系統以1.8V供電，客戶也能保持USB通訊——以及符合USB Type-C 1.2版本和USB PD 3.0版本規範的UCPD控制器。智慧類比功能包括一個類比數位轉換器(ADC)、兩個電源閘控數位類比轉換器(DAC)、兩個超低功耗比較器和兩個具有外部或內部追隨器路由和可編程增益放大器(PGA)功能的運算放大器。
STM32L5系列提供了自家的STM32CubeL5套件，其中包括硬體抽象層和底層驅動程式、FreeRTOS、Trusted Firmware-M (TF-M)、安全啟動和安全韌體更新(SBSFU)、USB-PD裝置驅動程式、MbedTLS和MbedCrypto、FatFS檔案系統和觸控感測驅動程式。
STM32L5x2 MCU非常適合工業IoT應用，包括計量、健康(人或機器)監控和行動銷售點。STM32L5x2 MCU可提供針對消費和商業應用的標準溫度等級(-40℃至85℃)產品或-40℃至125℃的高溫等級產品。
融合AI與IoT
Arm在其AI平台的基礎上推出了Cortex-M55處理器，以及Ethos-U55神經處理單元(NPU)，被譽為首款用於Cortex-M的microNPU。相於較於現有的Cortex-M處理器，Cortex-M55搭配Ethos-U55 microNPU能為要求嚴苛的ML應用提升480倍的ML性能。
Cortex-M55被稱為AI能力最強的Cortex-M處理器，同時也是首款基於Armv8.1-M架構並採用Arm Helium向量處理技術的處理器，可提供更節能的DSP和ML性能。相較於前幾代Cortex-M，Cortex-M55的ML性能提高了15倍，DSP性能提高了5倍，效率更高。
該公司表示，Cortex-M處理器還將提供Arm自訂指令的新功能，可用於擴展處理器功能以最佳化特定的工作負載。
Ethos-U55具有高度可配置性，專為區域受限的嵌入式和IoT裝置中ML推論而設計。據該公司稱，它提供了先進的壓縮技術來節省電力並顯著減小了ML模型的大小，從而能夠執行以前只能在大型系統上運行的神經網路。這些處理器搭配Arm TrustZone使用時，能確保更輕鬆地將安全整合到完整的SoC。
恩智浦半導體(NXP Semiconductor)的i.MX RT600跨界MCU系列專為超低功耗、安全的邊緣應用(包括音訊、語音和ML)而設計，在滿足邊緣嵌入式處理的成本要求時，也彌合了高性能和整合之間的差距(圖4)。
這項擴展基於該公司的ML產品，包括帶有專用NPU的i.MX 8M Plus應用處理器。這是i.MX系列中第一款整合專用NPU的元件，用於在工業和IoT邊緣進行先進機器學習推論。它還封裝了一個獨立的即時子系統、雙攝影機ISP、高性能DSP和用於邊緣應用的3D GPU。
圖4：NXP的i.MX RT600開發板。（圖片來源：NXP）
i.MX RT600多核心跨界處理器系列具有運行速度高達300MHz的Arm Cortex-M33和運行速度高達600MHz的可選Cadence Tensilica HiFi 4音訊/語音數位訊號處理器(DSP)，具有四個MAC和基於硬體的超越函數和啟動函數。
i.MX RT600基於針對主動和漏電功率最佳化的28nm FD-SOI製程製作，支援具有4.5MB晶片低漏電SRAM的高性能核心，該SRAM已配置為同步零等候狀態存取，這使其適合即時執行音訊/語音、ML和基於神經網路的應用。該跨界MCU還支援恩智浦先進的嵌入式安全技術EdgeLock，以及使用針對Glow神經網路編譯器的eIQ ML支援。
其安全功能包括具有不可變硬體「信任根」的安全啟動、基於SRAM實體不可複製功能(PUF)的唯一金鑰儲存、基於認證的安全除錯身份驗證、AES-256和SHA2-256加速以及用於安全雲端到邊緣通訊的DICE安全標準建置。該晶片還包括一個可選基於熔絲的根金鑰儲存機制，用於安全啟動和加密操作，以及一個公開金鑰基礎設施(PKI)或非對稱加密，為ECC和RSA演算法提供專用的非對稱加速器。
該跨界處理器包括一個音訊/語音子系統，支援多達8個數位麥克風(DMIC)通道、用於語音啟動檢測(VAD)的硬體和多達8個I2S周邊裝置。其他周邊裝置包括用於無線通訊的SDIO、帶晶片PHY的高速USB、帶溫度感測器的12位元ADC，以及多個序列介面，包括50Mbps SPI、I3C和六個可配置序列介面(USART、SPI、I2C或I2S)，並具有單獨的先進先出(FIFO)和直接記憶體存取(DMA)服務請求支援。
恩智浦計畫針對資源受限的工業和IoT邊緣裝置，在其基於Cortex-M的MCU、跨界MCU和應用處理器中的即時子系統中實施Ethos U-55。
高度可配置的Ethos-U55 ML加速器與Cortex-M核心搭配使用，可實現小尺寸，其推論性能並較高性能MCU大幅提高了30倍以上，NXP表示。
Eta Compute的ECM3532神經感測器處理器(NSP)號稱是首款用於嵌入式感測器應用的AI多核心處理器，它具有該公司專利的連續電壓頻率調節(CVFS)功能，並能在常時啟動(always-on)的應用提供低至100μW的主動功耗。ECM3532多核心NSP將均具有CVFS的MCU和DSP相結合，以最佳化執行而獲得最佳效率，這使其適用於IoT感測器節點。
Eta Compute的NSP專為常時啟動的影像和感測器應用而設計，並提供完整的軟體和硬體產品。該平台可向邊緣裝置提供AI，並將感測器資料轉化為可操作的資訊，用於語音、活動、手勢、聲音、影像、溫度、壓力和生物辨識等應用。該平台解決了邊緣運算中的挑戰，包括更短的響應時間、更高的安全性和更高的準確性。
獨立的AI平台包括一個多核心處理器，其中包括flash、SRAM、I/O、周邊裝置和ML軟體開發平台。CVFS顯著提高邊緣裝置的性能和效率。自定時CVFS架構可自動、連續地調整內部時脈速率和電源電壓，以最大限度地提高給定工作負載的能效。
(參考原文：Processors roll for IoT and AI，by Gina Roos)
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