Processadores Alimentam Integração Perfeita de IoT e IA

Fabricantes de microprocessadores (MPU) e microcontroladores (MCU) continuam a abordar aplicações crescentes de internet das coisas com novos dispositivos que focam em ultra-baixo consumo, performance de sistema mais rápida e segurança reforçada que inclui detecção ativa de tampering e instalação segura de firmware. Estes chips precisam lidar com quantidades massivas de dados de mais e mais sensores enquanto consomem baixa potência. Para reduzir consumo de energia, chipmakers estão usando técnicas como adaptive voltage scaling, power gating e múltiplos modos de operação reduced-power.

O mercado global para dispositivos IoT conectados é previsto para alcançar cerca de 38,6 bilhões de unidades até 2025, acima de 22 bilhões em 2018, segundo firma de pesquisa de mercado Statista. Estes dispositivos conectados agora abrangem indústrias, variando de smartphones, eletrodomésticos inteligentes e sistemas de segurança residencial a carros conectados, smart cities e industrial IoT.

Com a convergência de inteligência artificial e IoT através de muitas indústrias, a inteligência adicional adiciona alguns desafios around security, reliability, performance e, claro, custo. Estes chips precisam entregar processamento high-speed com performance aprimorada enquanto reduzem consumo de energia. Alguns destes chipmakers também estão adotando técnicas como compressão avançada para reduzir consumo de energia e modelos de machine-learning (ML).

Aqui está uma amostragem de MPUs e MCUs que visam aplicações IoT e IA convergidas.

Visando variedade de aplicações conectadas, a família de microcontroladores PIC18-Q43 da Microchip Technology Inc. integra mais configurable core independent peripherals (CIPs), que offload muitas tarefas de software para hardware para performance de sistema mais rápida e time to market. Os CPIs oferecem maior flexibilidade de design quando criando funções customizadas hardware-based para tornar mais fácil para desenvolvedores customizarem suas configurações de design específicas. São projetados com capacidades adicionais para lidar com tarefas sem necessidade de intervenção da CPU.

Os periféricos configuráveis são interconectados para permitir compartilhamento near-zero-latency de dados, logic inputs ou sinais analógicos sem código adicional para resposta de sistema melhorada. Aplicações incluem variedade de controle real-time e aplicações conectadas, incluindo eletrodomésticos, sistemas de segurança, controle de motor e industrial, iluminação e IoT.

Microcontroladores PIC18-Q43 da Microchip (Imagem: Microchip Technology)

CIPs incluindo timers, saída simplified pulse-width-modulation (PWM), CLCs, analog-to-digital converter with computation (ADCC), e múltiplas comunicações seriais permitem desenvolvedores reduzir tempo de desenvolvimento e melhorar performance de sistema. O CLC permite desenvolvedores adaptar funções como geração de waveform e medições de timing. CIPs também permitem loops de controle inteiros serem realizados em hardware on-chip customizável, disse a Microchip.

A família de produtos PIC18-Q43 está disponível em uma gama de tamanhos de memória, pacotes e pontos de preço.

Otimizado para segurança e comunicações wireless, a Renesas Electronics Corp. lançou recentemente o RX23W — um MCU 32-bit com Bluetooth 5.0 para dispositivos endpoint IoT como eletrodomésticos e equipamentos de health-care. O MCU também inclui Trusted Secure IP da Renesas, featured em sua família RX MCU, para abordar riscos de segurança Bluetooth como eavesdropping, tampering e vírus.

O RX23W é baseado no core RXv2 da Renesas, que atinge high performance de 4,33 Coremark/MHz, com improved floating-point unit (FPU) e funções DSP. O chip opera em frequência máxima de clock de 54 MHz. Otimizado para controle de sistema e comunicação wireless, o RX23W fornece suporte completo Bluetooth 5.0 Low Energy incluindo funções long-range e mesh networking e reivindica o menor consumption de pico em modo recepção da indústria a 3 mA.

Microcontrolador 32-bit RX23W da Renesas com Bluetooth 5.0 (Imagem: Renesas Electronics)

O RX23W também integra gama de funções periféricas para equipamentos IoT, incluindo segurança, touchkey, USB e funções CAN. Estas funções permitem o RX23W implementar tanto controle de sistema quanto funções wireless Bluetooth para equipamentos endpoint IoT como eletrodomésticos, equipamentos de health-care e equipamentos de sports e fitness em um único chip, disse a Renesas. Adicionalmente, as funções Bluetooth mesh tornam-no ótimo para equipamentos industrial IoT coletando dados de sensores em fábrica ou prédio.

O RX23W está disponível agora em pacotes 7 × 7-mm 56-pin QFN e 5,5 × 5,5-mm 85-pin BGA com 512 KB de flash on-chip.

Também visando entregar melhor proteção para dispositivos IoT-conectados estão os MCUs ultra-low-power STM32L5x2 da STMicroelectronics, baseados no core Arm Cortex-M33 32-bit RISC com Arm TrustZone hardware-based security. Trusted computing autentica dispositivos conectados a uma rede criando ambiente de execução protegido para cyber-protection e código sensível (criptografia e key storage) que bloqueia tentativas de corromper dispositivos ou software, enquanto segundo ambiente de execução independente permite rodar código untrusted, disse a empresa.

Com os novos MCUs da série STM32L5, operando em frequências de clock até 110 MHz, a ST habilita designers a incluir ou excluir cada I/O, periférico ou área de flash ou SRAM da proteção TrustZone. Isso permite workloads sensíveis serem totalmente isolados para máxima segurança, disse a ST.

Adicionalmente, TrustZone foi engineered para suportar secure boot, special read-out e write protection para SRAM e flash integrados, e aceleração criptográfica, incluindo AES 128-/256-bit key hardware acceleration, public key acceleration (PKA), e AES-128 on-the-fly decryption (OTFDEC), para proteger código ou dados externos. Outros recursos incluem active tamper detection e secure firmware installation. Juntas, estas features de segurança entregam certificação PSA Certified Level 2.

Microcontroladores STM32L5 da STMicroelectronics (Imagem: STMicroelectronics)

A família STM32L5 também entrega ultra-low power graças à adição de técnicas como adaptive voltage scaling, real-time acceleration, power gating e múltiplos modos de operação reduced-power. Estas técnicas permitem os MCUs entregarem high performance e long runtimes seja dispositivos alimentados por coin cells ou mesmo energy harvesting, disse a ST.

O switched-mode step-down regulator também pode ser powered up ou down on the fly para melhorar performance low-power quando tensão VDD é alta o suficiente. Os scores ULPMark, que medem eficiência ultra-low-power baseada em benchmarks real-world desenvolvidos pela EEMBC são: 370 ULPMark-CoreProfile e 54 ULPMark-PeripheralProfile a 1,8 V.

Outras features de MCU incluem flash dual-bank de 512-Kbyte que permite operação read-while-write e suporta error correction code (ECC) com diagnostics, SRAM de 256-Kbyte, e suporte para high-speed external memory incluindo single, dual, quad, ou octal SPI e Hyperbus flash ou SRAM, bem como interface para SRAM, PSRAM, NOR, NAND ou FRAM.

Periféricos digitais incluem USB Full Speed com supply dedicado, que permite clientes manterem comunicação USB mesmo quando sistema é alimentado a 1,8 V, e controlador UCPD compliant com USB Type-C Rev. 1.2 e USB Power Delivery Rev. 3.0 specifications. Smart analog features incluem analog-to-digital converter (ADC), dois power-gated digital-to-analog converters (DACs), dois ultra-low-power comparators, e dois operational amplifiers com external ou internal follower routing e programmable-gain amplifier (PGA) capability.

A série STM32L5 oferece seu próprio pacote de software STM32CubeL5 one-stop-shop, que inclui hardware abstraction layer e low-level drivers, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot e Secure Firmware Update (SBSFU), USB-PD device driver, MbedTLS e MbedCrypto, FatFS file system, e Touch Sensing drivers.

Os MCUs STM32L5x2 são well-suited para aplicações industrial IoT, incluindo metering, health (human ou machine) monitoring, e mobile point-of-sale. Os MCUs STM32L5x2 estão disponíveis em standard temperature grade (−40°C a 85°C) para aplicações consumer e commercial ou high-temperature grade especificado de −40°C a 125°C.

IA e IoT Convergidas

Construindo sobre sua plataforma de IA, a Arm recentemente introduziu seu processador Cortex-M55 e neural processing unit (NPU) Ethos-U55, touted como o primeiro microNPU da indústria para o Cortex-M. Para aplicações ML demanding, o Cortex-M55 pode ser pareado com o microNPU Ethos-U55, que juntos entregam aumento combinado de 480× em performance ML sobre processadores Cortex-M existentes.

O Cortex-M55 é chamado de most AI-capable Cortex-M processor e o primeiro baseado na arquitetura Armv8.1-M com tecnologia Arm Helium vector-processing, que entrega DSP e performance ML mais energy-efficient. O Cortex-M55 entrega até 15× melhoria em performance ML e aumento de 5× em performance DSP, com maior eficiência, comparado a gerações anteriores de Cortex-M.

Novo feature para processadores Cortex-M, Arm Custom Instructions, estará disponível para estender capacidades do processador para otimização de workload específico, disse a empresa.

O Ethos-U55 é altamente configurável e especificamente desenhado para ML inference em dispositivos embedded e IoT area-constrained. Oferece técnicas avançadas de compressão para salvar energia e reduzir tamanhos de modelo ML significativamente para permitir execução de redes neurais que anteriormente rodavam apenas em sistemas maiores, segundo a empresa.

Estes processadores trabalham com Arm TrustZone para garantir que segurança pode ser mais facilmente incorporada no system-on-chip completo.

Desenhado para aplicações edge ultra-low-power, secure incluindo audio, voice e ML, a família crossover MCU i.MX RT600 da NXP Semiconductors faz ponte entre high performance e integração enquanto atende requisitos de custo para embedded processing na edge. (O i.MX RT1170 é vencedor do EP's 2019 Product of the Year Awards.)

A expansão baseia-se nas ofertas de ML da empresa, incluindo os recentemente anunciados applications processors i.MX 8M Plus com NPU dedicado. Este é o primeiro device na família i.MX a integrar NPU dedicado para inferência advanced machine-learning no industrial e IoT edge. Também empacota subsistema real-time independente, dual camera ISP, DSP high-performance e 3D GPU para aplicações edge.

Development board i.MX RT600 da NXP (Imagem: NXP Semiconductors)

A família crossover processor multi-core i.MX RT600 apresenta Arm Cortex-M33 rodando até 300 MHz e opcional Cadence Tensilica HiFi 4 audio/voice digital signal processor (DSP) rodando até 600 MHz, com quatro MACS e funções hardware-based transcendental e activation.

Construído em processo 28-nm FD-SOI otimizado para active e leakage power, o i.MX RT600 suporta high-performance cores com 4,5 MB de on-chip low-leakage SRAM, que foi configurado para simultaneous zero-wait state access, tornando-o suited para execução real-time de aplicações audio/voice, ML e neural network-based.

Os crossover MCUs também feature EdgeLock, advanced embedded security technology da NXP, e ML support usando eIQ for Glow neural network compiler.

Recursos de segurança incluem secure boot com immutable hardware "root of trust", SRAM physically unclonable function (PUF)-based unique key storage, certificate-based secure debug authentication, AES-256 e SHA2-256 aceleração, e implementação DICE security standard para secure cloud-to-edge communication. O chip também inclui mecanismo opcional fuse-based root key storage para secure boot e crypto operations e public key infrastructure (PKI), ou asymmetric cryptography, fornecendo dedicated asymmetric accelerator para algoritmos ECC e RSA.

Os crossover processors incluem subsistema audio/voice com suporte de até oito canais DMIC, com hardware para voice activation detect (VAD) e até oito periféricos I²S. Outros periféricos incluem SDIO para comunicação wireless, high-speed USB com on-chip PHY, ADC 12-bit com sensor de temperatura, e várias interfaces seriais incluindo 50-Mbits/s SPI, I3C, e seis configurable serial interfaces (USART, SPI, I2C, ou I2S) com individual FIFO e DMA service request support.

A NXP planeja implementar Ethos U-55 em seus microcontroladores Cortex-M-based, crossover MCUs e real-time subsystems em applications processors, visando dispositivos industrial e IoT edge resource-constrained.

O altamente configurável machine-learning accelerator Ethos-U55 trabalha com Cortex-M core para alcançar small footprint, entregando maior que 30× melhoria em performance de inferência comparado a MCUs high-performing, disse a NXP.

Claimed como primeiro AI multicore processor para aplicações embedded sensor, o ECM3532 neural sensor processor (NSP) da Eta Compute Inc. apresenta a patenteada Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) da empresa e entrega tão baixo quanto 100-µW active power consumption em aplicações always-on. O multicore NSP ECM3532 combina um MCU e um DSP, ambos com CVFS, para otimizar execução para melhor eficiência, tornando-o suited para IoT sensor nodes.

Desenhado para aplicações always-on image e sensor, NSP da Eta Compute oferece offering completo de software e hardware. A plataforma entrega IA a dispositivos edge e transforma dados de sensor em information acionável para aplicações como voice, activity, gesture, sound, image, temperature, pressure e biometrics. A plataforma resolve desafios em edge computing, incluindo lower response time, increased security e higher accuracy.

A standalone AI platform inclui multicore processor, que inclui flash memory, SRAM, I/O, peripherals e machine-learning software development platform. O CVFS substantially aumenta performance e eficiência para edge devices. A arquitetura self-timed CVFS automaticamente e continuamente ajusta internal clock rate e supply voltage para maximizar energy efficiency para o dado workload. O ECM3532 é empacotado em 5 × 5-mm, 81-ball BGA.