Prozessoren befassen sich mit der Konvergenz von IoT und KI

Die Hersteller von Mikroprozessoren (MPU) und Mikrocontrollern (MCUs) gehen das wachsende Internet der Dinge weiterhin mit neuen Geräten an, die sich auf extrem niedrigen Stromverbrauch, schnellere Systemleistung und verbesserte Sicherheit konzentrieren, die eine aktive Manipulationserkennung und eine sichere Firmware-Installation umfasst. Diese Chips müssen riesige Datenmengen von immer mehr Sensoren verarbeiten und dabei wenig Strom verbrauchen. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, verwenden Chiphersteller Techniken wie adaptive Spannungsskalierung, Power-Gating und mehrere stromsparende Betriebsmodi.

Laut dem Marktforschungsunternehmen Statista wird der Weltmarkt für IoT-verbundene Geräte bis 2025 voraussichtlich 38,6 Milliarden Einheiten erreichen, gegenüber 22 Milliarden im Jahr 2018. Diese vernetzten Geräte erstrecken sich jetzt über alle Branchen, von Smartphones, intelligenten Geräten und Heimsicherheitssystemen bis hin zu vernetzten Autos, intelligenten Städten und industriellem IoT.

Mit der Konvergenz von künstlicher Intelligenz und IoT in vielen Branchen bringt die zusätzliche Intelligenz einige Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit, Zuverlässigkeit, Leistung und natürlich Kosten mit sich. Diese Chips müssen eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung mit verbesserter Leistung bieten und gleichzeitig den Stromverbrauch reduzieren. Einige dieser Chiphersteller verwenden auch Techniken wie die fortschrittliche Komprimierung zur Reduzierung des Stromverbrauchs und Modelle des maschinellen Lernens (ML).

Hier ist eine Auswahl von MPUs und MCUs, die auf IoT- und konvergierte KI-Anwendungen abzielen.

Die Mikrocontroller-Familie PIC18-Q43 von Microchip Technology Inc. zielt auf eine Vielzahl verbundener Anwendungen ab und integriert mehr konfigurierbare kernunabhängige Peripheriegeräte (CIPs), die viele Softwareaufgaben auf die Hardware auslagern, um eine schnellere Systemleistung und eine schnellere Markteinführung zu erzielen. Die CPIs bieten eine größere Designflexibilität beim Erstellen benutzerdefinierter hardwarebasierter Funktionen, um Entwicklern die Anpassung ihrer spezifischen Designkonfigurationen zu erleichtern. Sie sind mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet, um Aufgaben ohne Eingreifen der CPU zu bewältigen.

Die konfigurierbaren Peripheriegeräte sind miteinander verbunden, um die gemeinsame Nutzung von Daten, Logikeingängen oder Analogsignalen ohne zusätzlichen Code nahezu latenzfrei zu ermöglichen, um die Systemreaktion zu verbessern. Zu den Anwendungen gehören eine Vielzahl von Echtzeitsteuerungen und verbundenen Anwendungen, darunter Haushaltsgeräte, Sicherheitssysteme, Motor- und Industriesteuerung, Beleuchtung und IoT.

Mikrocontroller PIC18-Q43 von Microchip (Bild:Microchip Technology)

CIPs mit Timern, vereinfachtem Pulsweitenmodulations-(PWM)-Ausgang, CLCs, Analog-Digital-Wandler mit Berechnung (ADCC) und mehrfacher serieller Kommunikation ermöglichen es Entwicklern, die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Systemleistung zu verbessern. Mit dem CLC können Entwickler Funktionen wie die Signalerzeugung und Timing-Messungen maßschneidern. CIPs ermöglichen auch die Realisierung ganzer Regelkreise in anpassbarer On-Chip-Hardware, so Microchip.

Die Produktfamilie PIC18-Q43 ist in einer Reihe von Speichergrößen, -paketen und -preisen erhältlich.

Optimiert für Sicherheit und drahtlose Kommunikation hat Renesas Electronics Corp. kürzlich den RX23W auf den Markt gebracht – eine 32-Bit-MCU mit Bluetooth 5.0 für IoT-Endpunktgeräte wie Haushaltsgeräte und Gesundheitsgeräte. Die MCU enthält auch die Trusted Secure IP von Renesas, die in der RX-MCU-Familie enthalten ist, um Bluetooth-Sicherheitsrisiken wie Abhören, Manipulation und Viren zu begegnen.

Der RX23W basiert auf dem RXv2-Kern von Renesas, der die hohe Leistung von 4,33 Coremark/MHz erreicht, mit verbesserter Gleitkommaeinheit (FPU) und DSP-Funktionen. Der Chip arbeitet mit einer maximalen Taktfrequenz von 54 MHz. Optimiert für die Systemsteuerung und drahtlose Kommunikation bietet der RX23W volle Bluetooth 5.0 Low Energy-Unterstützung, einschließlich Langstrecken- und Mesh-Netzwerkfunktionen, und beansprucht den branchenweit niedrigsten Spitzenstromverbrauch im Empfangsmodus bei 3 mA.

Renesas RX23W 32-Bit-Mikrocontroller mit Bluetooth 5.0 (Bild:Renesas Electronics)

Der RX23W integriert auch eine Reihe von Peripheriefunktionen für IoT-Geräte, darunter Sicherheits-, Touchkey-, USB- und CAN-Funktionen. Diese Funktionen ermöglichen es dem RX23W, sowohl Systemsteuerungs- als auch Bluetooth-Funkfunktionen für IoT-Endpunktgeräte wie Haushaltsgeräte, Gesundheitsgeräte sowie Sport- und Fitnessgeräte auf einem einzigen Chip zu implementieren, sagte Renesas. Darüber hinaus machen die Bluetooth-Mesh-Funktionen es optimal für industrielle IoT-Geräte, die Sensordaten in einer Fabrik oder einem Gebäude sammeln.

Der RX23W ist ab sofort in 7 × 7 mm 56-Pin-QFN- und 5,5 × 5,5 mm 85-Pin-BGA-Gehäusen mit 512 KB On-Chip-Flash-Speicher erhältlich.

Ebenfalls darauf ausgerichtet, einen besseren Schutz für IoT-verbundene Geräte zu bieten, sind die STM32L5x2-MCUs von STMicroelectronics mit extrem geringem Stromverbrauch, die auf dem 32-Bit-RISC-Kern von Arm Cortex-M33 mit hardwarebasierter Sicherheit von Arm TrustZone basieren. Trusted Computing authentifiziert Geräte, die mit einem Netzwerk verbunden sind, indem eine geschützte Ausführungsumgebung für Cyber-Schutz und sensiblen Code (Kryptografie und Schlüsselspeicherung) geschaffen wird, die Versuche, Geräte oder Software zu beschädigen, blockiert, während eine zweite, unabhängige Ausführungsumgebung die Ausführung von nicht vertrauenswürdigem Code ermöglicht , sagte das Unternehmen.

Mit den neuen MCUs der STM32L5-Serie, die mit Taktfrequenzen bis 110 MHz betrieben werden, ermöglicht ST Designern, jeden I/O, jedes Peripheriegerät oder jeden Flash- oder SRAM-Bereich in den TrustZone-Schutz einzubeziehen oder auszuschließen. Auf diese Weise können sensible Workloads für maximale Sicherheit vollständig isoliert werden, sagte ST.

Darüber hinaus wurde TrustZone so entwickelt, dass es sicheres Booten, speziellen Lese- und Schreibschutz für integriertes SRAM und Flash sowie kryptografische Beschleunigung unterstützt, einschließlich AES 128-/256-Bit-Hardwarebeschleunigung, Public-Key-Beschleunigung (PKA) und AES- 128 On-the-Fly-Entschlüsselung (OTFDEC), um externen Code oder Daten zu schützen. Zu den weiteren Funktionen gehören eine aktive Manipulationserkennung und eine sichere Firmware-Installation. Zusammen bieten diese Sicherheitsfunktionen die Zertifizierung nach PSA Certified Level 2.

STM32L5-Mikrocontroller von STMicroelectronics (Bild:STMicroelectronics)

Die STM32L5-Familie bietet dank zusätzlicher Techniken wie adaptiver Spannungsskalierung, Echtzeitbeschleunigung, Power-Gating und mehreren stromsparenden Betriebsmodi auch einen extrem niedrigen Stromverbrauch. Diese Techniken ermöglichen es den MCUs, hohe Leistung und lange Laufzeiten zu liefern, unabhängig davon, ob die Geräte mit Knopfzellen oder sogar mit Energy Harvesting betrieben werden, sagte ST.

Der geschaltete Abwärtsregler kann auch im laufenden Betrieb hoch- oder heruntergefahren werden, um die Leistung bei niedrigem Stromverbrauch zu verbessern, wenn die VDD-Spannung hoch genug ist. Das ULPMark Scores, die die extrem niedrige Energieeffizienz basierend auf realen Benchmarks messen, die von EEMBC entwickelt wurden, sind:370 ULPMark-CoreProfile und 54 ULPMark-PeripheralProfile bei 1,8 V.

Zu den weiteren MCU-Funktionen gehören 512-KByte-Dual-Bank-Flash, der den Lese-während-Schreib-Betrieb ermöglicht und Fehlerkorrekturcode (ECC) mit Diagnose unterstützt, ein 256-KByte-SRAM und Unterstützung für externen Hochgeschwindigkeitsspeicher, einschließlich Single, Dual, Quad , oder oktaler SPI und Hyperbus Flash oder SRAM, sowie eine Schnittstelle für SRAM, PSRAM, NOR, NAND oder FRAM.

Zu den digitalen Peripheriegeräten gehören USB Full Speed ​​mit dedizierter Stromversorgung, die es Kunden ermöglicht, die USB-Kommunikation auch dann aufrechtzuerhalten, wenn das System mit 1,8 V versorgt wird, und einen UCPD-Controller, der den Spezifikationen von USB Type-C Rev. 1.2 und USB Power Delivery Rev. 3.0 entspricht. Zu den intelligenten Analogfunktionen gehören ein Analog-Digital-Wandler (ADC), zwei leistungsgesteuerte Digital-Analog-Wandler (DACs), zwei Ultra-Low-Power-Komparatoren und zwei Operationsverstärker mit externem oder internem Follower-Routing und programmierbarem Verstärkungsverstärker (PGA) Fähigkeit.

Die STM32L5-Serie bietet ein eigenes STM32CubeL5-One-Stop-Shop-Softwarepaket, das Hardware-Abstraktionsschicht und Low-Level-Treiber, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot und Secure Firmware Update (SBSFU), USB- PD-Gerätetreiber, MbedTLS und MbedCrypto, FatFS-Dateisystem und Touch Sensing-Treiber.

Die STM32L5x2-MCUs eignen sich gut für industrielle IoT-Anwendungen, einschließlich Messung, Gesundheitsüberwachung (Mensch oder Maschine) und mobile Verkaufsstellen. Die STM32L5x2-MCUs sind in Standardtemperaturklassen (-40 °C bis 85 °C) für Verbraucher- und kommerzielle Anwendungen oder in Hochtemperaturklassen von -40 °C bis 125 °C erhältlich.

Konvergente KI und IoT

Aufbauend auf seiner KI-Plattform hat Arm kürzlich seinen Cortex-M55-Prozessor und die Ethos-U55-Neural Processing Unit (NPU) vorgestellt, die als branchenweit erste microNPU für den Cortex-M angepriesen werden. Für anspruchsvolle ML-Anwendungen kann der Cortex-M55 mit der Ethos-U55 microNPU kombiniert werden, die zusammen eine kombinierte 480-fache Steigerung der ML-Leistung gegenüber bestehenden Cortex-M-Prozessoren bieten.

Der Cortex-M55 wird als der KI-fähigste Cortex-M-Prozessor bezeichnet und ist der erste, der auf der Armv8.1-M-Architektur mit Arm-Helium-Vektorverarbeitungstechnologie basiert, die eine energieeffizientere DSP- und ML-Leistung liefert. Der Cortex-M55 bietet eine bis zu 15-fache Verbesserung der ML-Leistung und eine 5-fache Steigerung der DSP-Leistung bei höherer Effizienz im Vergleich zu früheren Cortex-M-Generationen.

Eine neue Funktion für Cortex-M-Prozessoren, die Arm Custom Instructions, wird verfügbar sein, um die Prozessorfähigkeiten für eine spezifische Workload-Optimierung zu erweitern, sagte das Unternehmen.

Der Ethos-U55 ist hochgradig konfigurierbar und speziell für ML-Inferenz in bereichsbeschränkten Embedded- und IoT-Geräten entwickelt. Es bietet fortschrittliche Komprimierungstechniken, um Strom zu sparen und die Größe von ML-Modellen erheblich zu reduzieren, um die Ausführung neuronaler Netze zu ermöglichen, die zuvor nur auf größeren Systemen liefen, so das Unternehmen.

Diese Prozessoren arbeiten mit Arm TrustZone zusammen, um sicherzustellen, dass die Sicherheit einfacher in das komplette System-on-Chip integriert werden kann.

Die i.MX RT600 Crossover-MCU-Familie von NXP Semiconductors wurde für sichere Edge-Anwendungen mit extrem geringem Stromverbrauch, einschließlich Audio, Sprache und ML, entwickelt und schließt die Lücke zwischen hoher Leistung und Integration und erfüllt gleichzeitig die Kostenanforderungen für eingebettete Verarbeitung am Edge. (Der i.MX RT1170 ist ein Gewinner der EP’s 2019 Product of the Year Awards.)

Die Erweiterung baut auf den ML-Angeboten des Unternehmens auf, einschließlich der kürzlich angekündigten i.MX 8M Plus-Anwendungsprozessoren mit einer dedizierten NPU. Dies ist das erste Gerät der i.MX-Familie, das eine dedizierte NPU für fortschrittliche Machine-Learning-Inferenz am Industrie- und IoT-Edge integriert. Es enthält auch ein unabhängiges Echtzeit-Subsystem, Dual-Kamera-ISP, Hochleistungs-DSP und 3D-GPU für Edge-Anwendungen.

Entwicklungsboard i.MX RT600 von NXP (Bild:NXP Semiconductors)

Die i.MX RT600 Mehrkern-Crossover-Prozessorfamilie verfügt über einen Arm Cortex-M33 mit bis zu 300 MHz und einen optionalen Cadence Tensilica HiFi 4 Audio/Voice Digital Signal Processor (DSP) mit bis zu 600 MHz, mit vier MACS und Hardware- basierend auf transzendenten und aktivierenden Funktionen.

Der i.MX RT600 basiert auf einem 28-nm-FD-SOI-Prozess, der für Aktiv- und Leckstrom optimiert ist, und unterstützt die Hochleistungskerne mit 4,5 MB On-Chip-SRAM mit geringem Leckverlust, der für den gleichzeitigen Zero-Wait-Zustand konfiguriert wurde Zugriff, wodurch es für die Echtzeitausführung von Audio-/Sprach-, ML- und neuronalen Netzwerk-basierten Anwendungen geeignet ist.

Die Crossover-MCUs verfügen außerdem über EdgeLock, die fortschrittliche eingebettete Sicherheitstechnologie von NXP und ML-Unterstützung mit dem neuronalen Netzwerk-Compiler eIQ for Glow.

Zu den Sicherheitsfunktionen gehören sicheres Booten mit unveränderlicher Hardware „Root of Trust“, SRAM-basierter eindeutiger Schlüsselspeicher (Physical Unclonable Function, PUF), zertifikatbasierte sichere Debug-Authentifizierung, AES-256- und SHA2-256-Beschleunigung und DICE-Sicherheitsstandardimplementierung für sicheres Cloud-to-Edge-Kommunikation. Der Chip enthält außerdem einen optionalen sicherungsbasierten Root-Key-Speichermechanismus für sichere Boot- und Kryptooperationen und eine Public-Key-Infrastruktur (PKI) oder asymmetrische Kryptographie, die einen dedizierten asymmetrischen Beschleuniger für ECC- und RSA-Algorithmen bietet.

Die Frequenzweichenprozessoren umfassen ein Audio-/Sprachsubsystem mit Unterstützung von bis zu acht DMIC-Kanälen, mit Hardware für die Sprachaktivierungserkennung (VAD) und bis zu acht I ² S-Peripherie. Zu den weiteren Peripheriegeräten gehören SDIO für die drahtlose Kommunikation, Hochgeschwindigkeits-USB mit On-Chip-PHY, ein 12-Bit-ADC mit Temperatursensor und mehrere serielle Schnittstellen, darunter 50-Mbit/s-SPI, I3C und sechs konfigurierbare serielle Schnittstellen (USART, SPI , I2C oder I2S) mit individuellem FIFO- und DMA-Service-Request-Support.

NXP plant, Ethos U-55 in seinen Cortex-M-basierten Mikrocontrollern, Crossover-MCUs und Echtzeit-Subsystemen in Anwendungsprozessoren zu implementieren, um auf ressourcenbeschränkte Industrie- und IoT-Edge-Geräte abzuzielen.

Der hochkonfigurierbare Ethos-U55-Beschleuniger für maschinelles Lernen arbeitet mit dem Cortex-M-Kern zusammen, um einen kleinen Footprint zu erreichen und eine mehr als 30-fache Verbesserung der Inferenzleistung im Vergleich zu Hochleistungs-MCUs zu bieten, sagte NXP.

Der neuronale Sensorprozessor (NSP) ECM3532 von Eta Compute Inc., der als erster KI-Multicore-Prozessor für eingebettete Sensoranwendungen bezeichnet wird, verfügt über die patentierte kontinuierliche Spannungs-Frequenz-Skalierung (CVFS) des Unternehmens und liefert immer nur einen aktiven Stromverbrauch von nur 100 μW. auf Bewerbungen. Der Multicore-NSP ECM3532 kombiniert eine MCU und einen DSP, beide mit CVFS, um die Ausführung für die beste Effizienz zu optimieren, wodurch er sich für IoT-Sensorknoten eignet.

Der NSP von Eta Compute wurde für ständige Bild- und Sensoranwendungen entwickelt und bietet ein komplettes Software- und Hardwareangebot. Die Plattform liefert KI an Edge-Geräte und wandelt Sensordaten in verwertbare Informationen für Anwendungen wie Stimme, Aktivität, Geste, Ton, Bild, Temperatur, Druck und Biometrie um. Die Plattform löst Herausforderungen im Edge-Computing, darunter kürzere Reaktionszeiten, erhöhte Sicherheit und höhere Genauigkeit.

Die eigenständige KI-Plattform umfasst einen Multicore-Prozessor, der Flash-Speicher, SRAM, I/O, Peripheriegeräte und eine Softwareentwicklungsplattform für maschinelles Lernen umfasst. Das CVFS erhöht die Leistung und Effizienz von Edge-Geräten erheblich. Die selbsttaktende CVFS-Architektur passt die interne Taktrate und die Versorgungsspannung automatisch und kontinuierlich an, um die Energieeffizienz für die gegebene Arbeitslast zu maximieren. Der ECM3532 ist in einem 5 × 5 mm großen BGA mit 81 Kugeln verpackt.