Los procesadores abordan la convergencia de IoT y AI

Los fabricantes de microprocesadores (MPU) y microcontroladores (MCU) continúan abordando las crecientes aplicaciones de Internet de las cosas con nuevos dispositivos que se centran en el consumo de energía ultrabaja, un rendimiento del sistema más rápido y una seguridad reforzada que incluye detección activa de manipulación e instalación segura de firmware. Estos chips necesitan manejar cantidades masivas de datos de más y más sensores mientras consumen poca energía. Para reducir el consumo de energía, los fabricantes de chips están utilizando técnicas como escalado de voltaje adaptativo, control de potencia y múltiples modos de funcionamiento de potencia reducida.

Se pronostica que el mercado global de dispositivos conectados a IoT alcanzará alrededor de 38,6 mil millones de unidades para 2025, frente a los 22 mil millones en 2018, según la firma de investigación de mercado Statista. Estos dispositivos conectados ahora abarcan todas las industrias, desde teléfonos inteligentes, electrodomésticos inteligentes y sistemas de seguridad para el hogar hasta automóviles conectados, ciudades inteligentes e IoT industrial.

Con la convergencia de la inteligencia artificial y la IoT en muchas industrias, la inteligencia adicional agrega algunos desafíos en torno a la seguridad, la confiabilidad, el rendimiento y, por supuesto, el costo. Estos chips deben ofrecer un procesamiento de alta velocidad con un rendimiento mejorado y, al mismo tiempo, reducir el consumo de energía. Algunos de estos fabricantes de chips también están adoptando técnicas como la compresión avanzada para reducir el consumo de energía y los modelos de aprendizaje automático (ML).

Aquí hay una muestra de MPU y MCU que se dirigen a IoT y aplicaciones de inteligencia artificial convergente.

Dirigida a una variedad de aplicaciones conectadas, la familia de microcontroladores PIC18-Q43 de Microchip Technology Inc. integra más periféricos independientes del núcleo (CIP) configurables, que transfieren muchas tareas de software al hardware para un rendimiento del sistema más rápido y tiempo de comercialización. Los CPI ofrecen una mayor flexibilidad de diseño al crear funciones personalizadas basadas en hardware para facilitar a los desarrolladores la personalización de sus configuraciones de diseño específicas. Están diseñados con capacidades adicionales para manejar tareas sin la necesidad de intervención de la CPU.

Los periféricos configurables están interconectados para permitir el intercambio de datos, entradas lógicas o señales analógicas con latencia casi nula sin código adicional para mejorar la respuesta del sistema. Las aplicaciones incluyen una variedad de aplicaciones conectadas y de control en tiempo real, incluidos electrodomésticos, sistemas de seguridad, control industrial y de motores, iluminación e IoT.

Microcontroladores PIC18-Q43 de Microchip (Imagen:Tecnología de Microchip)

Los CIP que incluyen temporizadores, salida simplificada de modulación de ancho de pulso (PWM), CLC, convertidor analógico a digital con computación (ADCC) y múltiples comunicaciones en serie permiten a los desarrolladores reducir el tiempo de desarrollo y mejorar el rendimiento del sistema. El CLC permite a los desarrolladores adaptar funciones como la generación de formas de onda y las mediciones de tiempo. Los CIP también permiten que se realicen bucles de control completos en hardware personalizable en chip, dijo Microchip.

La familia de productos PIC18-Q43 está disponible en una variedad de tamaños de memoria, paquetes y precios.

Optimizado para la seguridad y las comunicaciones inalámbricas, Renesas Electronics Corp. lanzó recientemente el RX23W, un MCU de 32 bits con Bluetooth 5.0 para dispositivos terminales de IoT como electrodomésticos y equipos para el cuidado de la salud. La MCU también incluye Trusted Secure IP de Renesas, incluida en su familia RX MCU, para abordar los riesgos de seguridad de Bluetooth, como escuchas, manipulación y virus.

El RX23W se basa en el núcleo RXv2 de Renesas, que alcanza el alto rendimiento de 4,33 Coremark / MHz, con funciones mejoradas de unidad de punto flotante (FPU) y DSP. El chip funciona a una frecuencia de reloj máxima de 54 MHz. Optimizado para el control del sistema y la comunicación inalámbrica, el RX23W proporciona compatibilidad total con Bluetooth 5.0 Low Energy, incluidas funciones de red de malla y de largo alcance, y reclama el consumo máximo de energía del modo de recepción de nivel más bajo de la industria a 3 mA.

Microcontrolador RX23W de 32 bits de Renesas con Bluetooth 5.0 (Imagen:Renesas Electronics)

El RX23W también integra una gama de funciones periféricas para equipos de IoT, incluidas funciones de seguridad, teclas táctiles, USB y CAN. Estas funciones permiten que el RX23W implemente tanto el control del sistema como las funciones inalámbricas Bluetooth para equipos de punto final de IoT, como electrodomésticos, equipos de atención médica y equipos deportivos y de fitness en un solo chip, dijo Renesas. Además, las funciones de malla de Bluetooth lo hacen óptimo para equipos de IoT industriales que recopilan datos de sensores en una fábrica o un edificio.

El RX23W está disponible ahora en paquetes QFN de 7 × 7 mm y 56 pines y BGA de 5,5 × 5,5 mm y 85 pines con 512 KB de memoria flash en chip.

También apuntan a brindar una mejor protección para los dispositivos conectados a IoT, los MCU STM32L5x2 de energía ultrabaja STMicroelectronics, basados ​​en el núcleo RISC Arm Cortex-M33 de 32 bits con seguridad basada en hardware Arm TrustZone. La informática confiable autentica los dispositivos conectados a una red mediante la creación de un entorno de ejecución protegido para la protección cibernética y el código sensible (criptografía y almacenamiento de claves) que bloquea los intentos de dañar los dispositivos o el software, mientras que un segundo entorno de ejecución independiente permite la ejecución de código que no es de confianza. , dijo la empresa.

Con las nuevas MCU de la serie STM32L5, que funcionan a frecuencias de reloj de hasta 110 MHz, ST permite a los diseñadores incluir o excluir cada E / S, periférico o área de flash o SRAM de la protección TrustZone. Esto permite que las cargas de trabajo sensibles estén completamente aisladas para una máxima seguridad, dijo ST.

Además, TrustZone se diseñó para admitir un arranque seguro, protección especial de lectura y escritura para SRAM y flash integrados, y aceleración criptográfica, incluida la aceleración de hardware de clave AES de 128/256 bits, aceleración de clave pública (PKA) y AES- 128 descifrado sobre la marcha (OTFDEC), para proteger el código o los datos externos. Otras características incluyen detección activa de manipulación e instalación segura de firmware. Juntas, estas características de seguridad brindan la certificación de nivel 2 de certificación PSA.

Microcontroladores STM32L5 de STMicroelectronics (Imagen:STMicroelectronics)

La familia STM32L5 también ofrece potencia ultrabaja gracias a la adición de técnicas como escalado de voltaje adaptativo, aceleración en tiempo real, control de potencia y múltiples modos de funcionamiento de potencia reducida. Estas técnicas permiten que las MCU ofrezcan un alto rendimiento y tiempos de ejecución prolongados, ya sea que los dispositivos estén alimentados por pilas de botón o incluso por recolección de energía, dijo ST.

El regulador reductor de modo conmutado también se puede encender o apagar sobre la marcha para mejorar el rendimiento de baja potencia cuando el voltaje VDD es lo suficientemente alto. El ULPMark Los puntajes, que miden la eficiencia de energía ultrabaja según los puntos de referencia del mundo real desarrollados por EEMBC son:370 ULPMark-CoreProfile y 54 ULPMark-PeripheralProfile a 1.8 V.

Otras características de MCU incluyen flash de doble banco de 512 Kbytes que permite la operación de lectura mientras se escribe y admite códigos de corrección de errores (ECC) con diagnósticos, una SRAM de 256 Kbytes y compatibilidad con memoria externa de alta velocidad que incluye simple, doble, cuádruple , o octal SPI e Hyperbus flash o SRAM, así como una interfaz para SRAM, PSRAM, NOR, NAND o FRAM.

Los periféricos digitales incluyen USB Full Speed ​​con suministro dedicado, que permite a los clientes mantener la comunicación USB incluso cuando el sistema está alimentado a 1.8 V, y un controlador UCPD que cumple con las especificaciones USB Type-C Rev. 1.2 y USB Power Delivery Rev. 3.0. Las características analógicas inteligentes incluyen un convertidor de analógico a digital (ADC), dos convertidores de digital a analógico (DAC) controlados por alimentación, dos comparadores de potencia ultrabaja y dos amplificadores operacionales con enrutamiento de seguidor externo o interno y programables. capacidad de amplificador de ganancia (PGA).

La serie STM32L5 ofrece su propio paquete de software de ventanilla única STM32CubeL5, que incluye una capa de abstracción de hardware y controladores de bajo nivel, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Arranque seguro y Actualización de firmware segura (SBSFU), USB- Controlador de dispositivo PD, MbedTLS y MbedCrypto, sistema de archivos FatFS y controladores de detección táctil.

Las MCU STM32L5x2 son adecuadas para aplicaciones industriales de IoT, incluida la medición, la supervisión de la salud (humana o mecánica) y el punto de venta móvil. Las MCU STM32L5x2 están disponibles en grados de temperatura estándar (-40 ° C a 85 ° C) para aplicaciones comerciales y de consumo o grados de alta temperatura especificados de -40 ° C a 125 ° C.

IA e IoT convergentes

Sobre la base de su plataforma de inteligencia artificial, Arm presentó recientemente su procesador Cortex-M55 y la unidad de procesamiento neuronal (NPU) Ethos-U55, promocionada como la primera microNPU de la industria para Cortex-M. Para aplicaciones de ML exigentes, el Cortex-M55 se puede combinar con la microNPU Ethos-U55, que en conjunto ofrecen un aumento combinado de 480 × en el rendimiento de ML en comparación con los procesadores Cortex-M existentes.

El Cortex-M55 se denomina el procesador Cortex-M con mayor capacidad de inteligencia artificial y el primero basado en la arquitectura Armv8.1-M con tecnología de procesamiento de vectores Arm Helium, que ofrece un rendimiento de DSP y ML con mayor eficiencia energética. El Cortex-M55 ofrece una mejora de hasta 15 veces en el rendimiento de ML y un aumento de 5 veces en el rendimiento de DSP, con mayor eficiencia, en comparación con las generaciones anteriores de Cortex-M.

Una nueva característica para los procesadores Cortex-M, Arm Custom Instructions, estará disponible para ampliar las capacidades del procesador para la optimización de cargas de trabajo específicas, dijo la compañía.

El Ethos-U55 es altamente configurable y está diseñado específicamente para la inferencia ML en dispositivos IoT e integrados con restricciones de área. Ofrece técnicas de compresión avanzadas para ahorrar energía y reducir significativamente los tamaños de los modelos de aprendizaje automático para permitir la ejecución de redes neuronales que anteriormente solo se ejecutaban en sistemas más grandes, según la compañía.

Estos procesadores funcionan con Arm TrustZone para garantizar que la seguridad se pueda incorporar más fácilmente en todo el sistema en chip.

Diseñada para aplicaciones de borde seguras y de consumo ultra bajo, que incluyen audio, voz y ML, la familia de MCU cruzadas i.MX RT600 de NXP Semiconductors cierra la brecha entre el alto rendimiento y la integración al tiempo que cumple con los requisitos de costos para el procesamiento integrado en el borde. (El i.MX RT1170 es un ganador de los premios Producto del año 2019 de EP).

La expansión se basa en las ofertas de ML de la empresa, incluidos los procesadores de aplicaciones i.MX 8M Plus recientemente anunciados con una NPU dedicada. Este es el primer dispositivo de la familia i.MX que integra una NPU dedicada para la inferencia avanzada de aprendizaje automático en el perímetro industrial y de IoT. También incluye un subsistema independiente en tiempo real, ISP de doble cámara, DSP de alto rendimiento y GPU 3D para aplicaciones de borde.

Placa de desarrollo i.MX RT600 de NXP (Imagen:Semiconductores NXP)

La familia de procesadores cruzados de múltiples núcleos i.MX RT600 cuenta con un Arm Cortex-M33 que funciona hasta 300 MHz y un procesador de señal digital de audio / voz (DSP) Cadence Tensilica HiFi 4 opcional que funciona hasta 600 MHz, con cuatro MACS y hardware. funciones trascendentales y de activación.

Construido sobre un proceso FD-SOI de 28 nm optimizado para potencia activa y de fuga, el i.MX RT600 admite núcleos de alto rendimiento con 4,5 MB de SRAM de baja fuga en el chip, que se ha configurado para un estado de espera cero simultáneo. acceso, lo que lo hace adecuado para la ejecución en tiempo real de audio / voz, ML y aplicaciones basadas en redes neuronales.

Las MCU cruzadas también cuentan con EdgeLock, la tecnología de seguridad integrada avanzada de NXP y compatibilidad con ML mediante el compilador de red neuronal eIQ for Glow.

Las características de seguridad incluyen arranque seguro con hardware inmutable "raíz de confianza", almacenamiento de claves únicas basado en función físicamente no clonable (PUF) SRAM, autenticación de depuración segura basada en certificados, aceleración AES-256 y SHA2-256, e implementación estándar de seguridad DICE para seguridad. comunicación de nube a borde. El chip también incluye un mecanismo opcional de almacenamiento de clave raíz basado en fusibles para operaciones criptográficas y de arranque seguro y una infraestructura de clave pública (PKI), o criptografía asimétrica, que proporciona un acelerador asimétrico dedicado para los algoritmos ECC y RSA.

Los procesadores cruzados incluyen un subsistema de audio / voz con soporte de hasta ocho canales DMIC, con hardware para detección de activación por voz (VAD) y hasta ocho I ² S periféricos. Otros periféricos incluyen SDIO para comunicación inalámbrica, USB de alta velocidad con PHY en chip, un ADC de 12 bits con sensor de temperatura y varias interfaces seriales que incluyen 50 Mbits / s SPI, I3C y seis interfaces seriales configurables (USART, SPI , I2C o I2S) con soporte de solicitud de servicio FIFO y DMA individual.

NXP planea implementar el Ethos U-55 en sus microcontroladores basados ​​en Cortex-M, MCU cruzados y subsistemas en tiempo real en procesadores de aplicaciones, apuntando a dispositivos de borde de IoT e industriales con recursos limitados.

El acelerador de aprendizaje automático Ethos-U55 altamente configurable trabaja con el núcleo Cortex-M para lograr una huella pequeña, brindando una mejora superior a 30 veces en el rendimiento de inferencia en comparación con las MCU de alto rendimiento, dijo NXP.

Reclamado como el primer procesador multinúcleo de IA para aplicaciones de sensores integrados, el procesador de sensor neural (NSP) ECM3532 de Eta Compute Inc. presenta el escalado de frecuencia de voltaje continuo (CVFS) patentado por la compañía y ofrece un consumo de energía activa de tan solo 100 μW en en las aplicaciones. El NSP multinúcleo ECM3532 combina un MCU y un DSP, ambos con CVFS, para optimizar la ejecución y obtener la mejor eficiencia, lo que lo hace adecuado para nodos de sensores de IoT.

Diseñado para aplicaciones de sensores e imágenes siempre activas, el NSP de Eta Compute ofrece una oferta completa de software y hardware. La plataforma entrega inteligencia artificial a los dispositivos periféricos y convierte los datos de los sensores en información procesable para aplicaciones como voz, actividad, gestos, sonido, imagen, temperatura, presión y biometría. La plataforma resuelve desafíos en la informática de punta, incluido un menor tiempo de respuesta, mayor seguridad y mayor precisión.

La plataforma de inteligencia artificial independiente incluye un procesador multinúcleo, que incluye memoria flash, SRAM, E / S, periféricos y una plataforma de desarrollo de software de aprendizaje automático. El CVFS aumenta sustancialmente el rendimiento y la eficiencia de los dispositivos periféricos. La arquitectura CVFS con temporizador automático ajusta automática y continuamente la frecuencia del reloj interno y el voltaje de suministro para maximizar la eficiencia energética para la carga de trabajo dada. El ECM3532 está empaquetado en un BGA de 81 bolas de 5 × 5 mm.