Os processadores abordam a convergência de IoT e AI

Os fabricantes de microprocessadores (MPU) e microcontroladores (MCU) continuam a lidar com os aplicativos crescentes da Internet das Coisas com novos dispositivos que se concentram em energia ultrabaixo, desempenho de sistema mais rápido e segurança reforçada que inclui detecção ativa de adulteração e instalação segura de firmware. Esses chips precisam lidar com grandes quantidades de dados de mais e mais sensores enquanto consomem pouca energia. Para reduzir o consumo de energia, os fabricantes de chips estão usando técnicas como escalonamento de voltagem adaptável, controle de energia e vários modos de operação de energia reduzida.

O mercado global de dispositivos conectados à IoT deve atingir cerca de 38,6 bilhões de unidades até 2025, ante 22 bilhões em 2018, de acordo com a empresa de pesquisa de mercado Statista. Esses dispositivos conectados agora abrangem todos os setores, desde smartphones, aparelhos inteligentes e sistemas de segurança doméstica até carros conectados, cidades inteligentes e IoT industrial.

Com a convergência de inteligência artificial e IoT em muitos setores, a inteligência adicional adiciona alguns desafios em relação à segurança, confiabilidade, desempenho e, é claro, custo. Esses chips precisam fornecer processamento de alta velocidade com desempenho aprimorado, reduzindo o consumo de energia. Alguns desses fabricantes de chips também estão adotando técnicas como compactação avançada para reduzir o consumo de energia e modelos de aprendizado de máquina (ML).

Aqui está uma amostra de MPUs e MCUs voltados para IoT e aplicativos convergentes de IA.

Destinado a uma variedade de aplicativos conectados, a família de microcontroladores PIC18-Q43 da Microchip Technology Inc. integra periféricos independentes de núcleo mais configuráveis ​​(CIPs), o que transfere muitas tarefas de software para hardware para desempenho mais rápido do sistema e tempo de colocação no mercado. Os CPIs oferecem maior flexibilidade de design ao criar funções personalizadas baseadas em hardware para tornar mais fácil para os desenvolvedores personalizar suas configurações de design específicas. Eles são projetados com recursos adicionais para lidar com tarefas sem a necessidade de intervenção da CPU.

Os periféricos configuráveis ​​são interconectados para permitir o compartilhamento de latência quase zero de dados, entradas lógicas ou sinais analógicos sem código adicional para melhor resposta do sistema. As aplicações incluem uma variedade de aplicações conectadas e de controle em tempo real, incluindo eletrodomésticos, sistemas de segurança, motor e controle industrial, iluminação e IoT.

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

CIPs incluindo temporizadores, saída de modulação por largura de pulso simplificada (PWM), CLCs, conversor analógico-digital com computação (ADCC) e múltiplas comunicações seriais permitem que os desenvolvedores reduzam o tempo de desenvolvimento e melhorem o desempenho do sistema. O CLC permite que os desenvolvedores personalizem funções, como geração de formas de onda e medições de tempo. Os CIPs também permitem que loops de controle inteiros sejam realizados em hardware on-chip personalizável, disse a Microchip.

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

Otimizada para segurança e comunicações sem fio, a Renesas Electronics Corp. lançou recentemente o RX23W - um MCU de 32 bits com Bluetooth 5.0 para dispositivos de ponto de extremidade IoT, como eletrodomésticos e equipamentos de saúde. O MCU também inclui o Trusted Secure IP da Renesas, apresentado em sua família RX MCU, para lidar com os riscos de segurança do Bluetooth, como espionagem, adulteração e vírus.

O RX23W é baseado no núcleo RXv2 da Renesas, que atinge o alto desempenho de 4,33 Coremark / MHz, com unidade de ponto flutuante (FPU) aprimorada e funções DSP. O chip opera em uma freqüência máxima de 54 MHz. Otimizado para controle de sistema e comunicação sem fio, o RX23W oferece suporte completo para Bluetooth 5.0 de baixa energia, incluindo funções de rede mesh e de longo alcance e afirma o consumo de energia de pico do modo de recepção de nível mais baixo da indústria a 3 mA.

Microcontrolador RX23W de 32 bits da Renesas com Bluetooth 5.0 (Imagem:Renesas Electronics)

O RX23W também integra uma variedade de funções periféricas para equipamentos IoT, incluindo funções de segurança, tecla de toque, USB e CAN. Essas funções permitem que o RX23W implemente o controle do sistema e as funções sem fio do Bluetooth para equipamentos de endpoint de IoT, como eletrodomésticos, equipamentos de saúde e equipamentos esportivos e de fitness em um único chip, disse Renesas. Além disso, as funções de malha do Bluetooth o tornam ideal para equipamentos IoT industriais que coletam dados do sensor em uma fábrica ou edifício.

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

Também voltados para fornecer melhor proteção para dispositivos conectados à IoT são os MCUs STMicroelectronics de ultra-baixa potência STM32L5x2, baseados no núcleo RISC de 32 bits Arm Cortex-M33 com segurança baseada em hardware Arm TrustZone. A computação confiável autentica dispositivos conectados a uma rede criando um ambiente de execução protegido para proteção cibernética e código confidencial (criptografia e armazenamento de chaves) que bloqueia tentativas de corromper dispositivos ou software, enquanto um segundo ambiente de execução independente permite a execução de código não confiável , disse a empresa.

Com os novos MCUs da série STM32L5, operando em frequências de clock de até 110 MHz, o ST permite que os projetistas incluam ou excluam cada I / O, periférico ou área de flash ou SRAM da proteção TrustZone. Isso permite que cargas de trabalho sensíveis sejam totalmente isoladas para segurança máxima, disse ST.

Além disso, o TrustZone foi projetado para suportar inicialização segura, proteção especial de leitura e gravação para SRAM e flash integrados e aceleração criptográfica, incluindo aceleração de hardware de chave AES de 128/256 bits, aceleração de chave pública (PKA) e AES- 128 descriptografia on-the-fly (OTFDEC), para proteger código externo ou dados. Outros recursos incluem detecção ativa de violação e instalação segura de firmware. Juntos, esses recursos de segurança fornecem certificação para PSA Certified Level 2.

Microcontroladores STMicroelectronics ’STM32L5 (Imagem:STMicroelectronics)

A família STM32L5 também oferece potência ultrabaixa graças ao acréscimo de técnicas como escalonamento de tensão adaptável, aceleração em tempo real, controle de potência e vários modos de operação de potência reduzida. Essas técnicas permitem que os MCUs ofereçam alto desempenho e longos tempos de execução, sejam os dispositivos alimentados por células tipo moeda ou até mesmo captando energia, disse ST.

O regulador abaixador de modo comutado também pode ser ligado ou desligado rapidamente para melhorar o desempenho de baixa energia quando a tensão do VDD é alta o suficiente. O ULPMark As pontuações, que medem a eficiência de consumo ultrabaixo com base em benchmarks do mundo real desenvolvidos pela EEMBC são:370 ULPMark-CoreProfile e 54 ULPMark-PeripheralProfile a 1,8 V.

Outros recursos de MCU incluem flash de banco duplo de 512 Kbyte que permite a operação de leitura durante a gravação e suporta código de correção de erro (ECC) com diagnóstico, SRAM de 256 Kbyte e suporte para memória externa de alta velocidade incluindo single, dual, quad ou flash octal SPI e Hyperbus ou SRAM, bem como uma interface para SRAM, PSRAM, NOR, NAND ou FRAM.

Os periféricos digitais incluem USB Full Speed ​​com alimentação dedicada, que permite aos clientes manter a comunicação USB mesmo quando o sistema é alimentado a 1,8 V e um controlador UCPD compatível com as especificações USB Type-C Rev. 1.2 e USB Power Delivery Rev. 3.0. Os recursos analógicos inteligentes incluem um conversor analógico para digital (ADC), dois conversores digital para analógico (DACs), dois comparadores de potência ultrabaixa e dois amplificadores operacionais com roteamento de seguidor externo ou interno e capacidade de amplificador de ganho (PGA).

A série STM32L5 oferece seu próprio pacote de software STM32CubeL5 one-stop-shop, que inclui camada de abstração de hardware e drivers de baixo nível, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot e Secure Firmware Update (SBSFU), USB- Driver de dispositivo PD, MbedTLS e MbedCrypto, sistema de arquivos FatFS e drivers Touch Sensing.

Os MCUs STM32L5x2 são adequados para aplicações industriais de IoT, incluindo medição, monitoramento de saúde (humano ou máquina) e ponto de venda móvel. Os MCUs STM32L5x2 estão disponíveis no grau de temperatura padrão (−40 ° C a 85 ° C) para aplicações de consumo e comerciais ou grau de alta temperatura especificado de −40 ° C a 125 ° C.

IA convergente e IoT

Com base em sua plataforma de IA, a Arm lançou recentemente seu processador Cortex-M55 e unidade de processamento neural Ethos-U55 (NPU), anunciado como o primeiro microNPU da indústria para o Cortex-M. Para aplicativos de ML exigentes, o Cortex-M55 pode ser combinado com o microNPU Ethos-U55, que juntos fornecem um aumento combinado de 480 × no desempenho de ML em relação aos processadores Cortex-M existentes.

O Cortex-M55 é chamado de processador Cortex-M com maior capacidade de IA e o primeiro baseado na arquitetura Armv8.1-M com tecnologia de processamento vetorial Arm Helium, que oferece um desempenho de DSP e ML mais eficiente em termos de energia. O Cortex-M55 oferece uma melhoria de até 15x no desempenho de ML e um aumento de 5x no desempenho de DSP, com maior eficiência, em comparação com as gerações anteriores do Cortex-M.

Um novo recurso para processadores Cortex-M, o Arm Custom Instructions, estará disponível para estender os recursos do processador para otimização de carga de trabalho específica, disse a empresa.

O Ethos-U55 é altamente configurável e projetado especificamente para inferência de ML em dispositivos IoT e embarcados com restrição de área. Ele oferece técnicas avançadas de compressão para economizar energia e reduzir significativamente os tamanhos dos modelos de ML para permitir a execução de redes neurais que antes funcionavam apenas em sistemas maiores, de acordo com a empresa.

Esses processadores funcionam com Arm TrustZone para garantir que a segurança possa ser mais facilmente incorporada ao sistema completo no chip.

Projetado para aplicativos de borda seguros de ultra-baixo consumo de energia, incluindo áudio, voz e ML, a família de MCU crossover i.MX RT600 da NXP Semiconductors preenche a lacuna entre alto desempenho e integração, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de custo para processamento incorporado na borda. (O i.MX RT1170 é o vencedor do Prêmio de Produto do Ano de 2019 da EP.)

A expansão se baseia nas ofertas de ML da empresa, incluindo os recentemente anunciados processadores de aplicativos i.MX 8M Plus com um NPU dedicado. Este é o primeiro dispositivo da família i.MX a integrar um NPU dedicado para inferência de aprendizado de máquina avançado na borda industrial e IoT. Ele também inclui um subsistema independente em tempo real, ISP de câmera dupla, DSP de alto desempenho e GPU 3D para aplicativos de ponta.

Placa de desenvolvimento i.MX RT600 da NXP (Imagem:NXP Semiconductors)

A família de processadores crossover multi-core i.MX RT600 apresenta um Arm Cortex-M33 rodando até 300 MHz e um processador de sinal digital de áudio / voz Cadence Tensilica HiFi 4 (DSP) opcional rodando até 600 MHz, com quatro MACS e hardware- funções transcendentais e de ativação baseadas em

Construído em um processo FD-SOI de 28 nm otimizado para energia ativa e de vazamento, o i.MX RT600 suporta os núcleos de alto desempenho com 4,5 MB de SRAM de baixo vazamento no chip, que foi configurado para estado de espera zero simultâneo acesso, tornando-o adequado para execução em tempo real de áudio / voz, ML e aplicativos baseados em rede neural.

Os MCUs de crossover também apresentam EdgeLock, tecnologia de segurança incorporada avançada da NXP e suporte de ML usando o compilador de rede neural eIQ for Glow.

Os recursos de segurança incluem inicialização segura com hardware imutável "raiz de confiança", armazenamento de chave exclusivo baseado em função SRAM não clonável (PUF), autenticação de depuração segura baseada em certificado, aceleração AES-256 e SHA2-256 e implementação do padrão de segurança DICE para segurança comunicação da nuvem até a borda. O chip também inclui um mecanismo opcional de armazenamento de chave raiz baseado em fusível para inicialização segura e operações criptográficas e uma infraestrutura de chave pública (PKI) ou criptografia assimétrica, fornecendo um acelerador assimétrico dedicado para algoritmos ECC e RSA.

Os processadores crossover incluem um subsistema de áudio / voz com suporte de até oito canais DMIC, com hardware para detecção de ativação por voz (VAD) e até oito I ² S periféricos. Outros periféricos incluem SDIO para comunicação sem fio, USB de alta velocidade com PHY no chip, um ADC de 12 bits com sensor de temperatura e várias interfaces seriais, incluindo 50 Mbits / s SPI, I3C e seis interfaces seriais configuráveis ​​(USART, SPI , I2C ou I2S) com suporte de solicitação de serviço individual FIFO e DMA.

A NXP planeja implementar o Ethos U-55 em seus microcontroladores baseados em Cortex-M, MCUs crossover e subsistemas em tempo real em processadores de aplicativos, visando dispositivos industriais e IoT com recursos limitados.

O acelerador de aprendizado de máquina Ethos-U55 altamente configurável funciona com o núcleo Cortex-M para obter uma pegada pequena, oferecendo mais de 30x de melhoria no desempenho de inferência em comparação com MCUs de alto desempenho, disse a NXP.

Reclamado como o primeiro processador AI multicore para aplicações de sensores incorporados, o processador de sensor neural ECM3532 (NSP) da Eta Compute Inc. apresenta o Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) patenteado da empresa e fornece consumo de energia ativa de até 100 μW em sempre em aplicativos. O ECM3532 multicore NSP combina um MCU e um DSP, ambos com CVFS, para otimizar a execução para a melhor eficiência, tornando-o adequado para nós de sensores IoT.

Projetado para aplicações de sensor e imagem sempre ativas, o NSP da Eta Compute oferece uma oferta completa de software e hardware. A plataforma oferece IA para dispositivos de ponta e transforma os dados do sensor em informações acionáveis ​​para aplicativos como voz, atividade, gesto, som, imagem, temperatura, pressão e biometria. A plataforma resolve os desafios da computação de ponta, incluindo menor tempo de resposta, maior segurança e maior precisão.

A plataforma de AI independente inclui um processador multicore, que inclui memória flash, SRAM, E / S, periféricos e uma plataforma de desenvolvimento de software de aprendizado de máquina. O CVFS aumenta substancialmente o desempenho e a eficiência dos dispositivos de ponta. A arquitetura CVFS auto-cronometrada ajusta de forma automática e contínua a taxa de clock interno e a tensão de alimentação para maximizar a eficiência energética para a carga de trabalho fornecida. O ECM3532 é embalado em um BGA de 81 esferas de 5 × 5 mm.