Procesadores impulsan la integración seamless de IoT e IA

Fabricantes de microprocesadores (MPU) y microcontroladores (MCU) continúan abordando aplicaciones crecientes de internet of things con nuevos dispositivos enfocados en ultra-bajo consumo, rendimiento de sistema más rápido, y seguridad reforzada que incluye detección activa de manipulación e instalación segura de firmware. Estos chips deben manejar cantidades masivas de datos de más y más sensores mientras consumen baja potencia. Para reducir consumo, chipmakers usan técnicas como escalado de voltaje adaptativo, power gating, y múltiples modos de operación reduced-power.

El mercado global para dispositivos IoT conectados se pronostica alcanzar ~38,6 mil millones unidades para 2025, desde 22 mil millones en 2018, según firma de investigación Statista. Estos dispositivos conectados ahora abarcan industrias, desde smartphones, electrodomésticos inteligentes, y sistemas seguridad hogareña hasta autos conectados, smart cities, e industrial IoT.

Con la convergencia de inteligencia artificial e IoT across muchas industrias, la inteligencia adicional añade desafíos around seguridad, fiabilidad, rendimiento, y, por supuesto, costo. Estos chips necesitan entregar procesamiento high-speed con rendimiento mejorado mientras reducen consumo. Algunos chipmakers también adoptan técnicas como compresión avanzada para reducir consumo y modelos machine-learning (ML).

Aquí una muestra de MPUs y MCUs apuntando a aplicaciones IoT e IA convergente.

Microchip PIC18-Q43

Apuntado a variedad de aplicaciones conectadas, la familia PIC18-Q43 de microcontroladores de Microchip Technology integra más periféricos core-independientes configurables (CIPs), que descargan muchas tareas de software a hardware para rendimiento de sistema más rápido y time-to-market. Los CIPs ofrecen mayor flexibilidad de diseño al crear funciones hardware-based custom para hacer más fácil a desarrolladores personalizar configuraciones de diseño específicas. Diseñados con capacidades adicionales para manejar tareas sin necesidad de intervención de CPU.

Los periféricos configurables están interconectados para permitir compartición near-zero-latency de datos, inputs lógicos, o señales analógicas sin código adicional para respuesta de sistema mejorada. Aplicaciones incluyen variedad de control real-time y aplicaciones conectadas, electrodomésticos, sistemas seguridad, control motor e industrial, iluminación, e IoT.

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

CIPs incluyendo timers, salida PWM simplificada, CLCs, convertidor analógico-digital con computación (ADCC), y comunicaciones seriales múltiples permiten a desarrolladores reducir tiempo desarrollo y mejorar rendimiento sistema. El CLC permite a desarrolladores adaptar funciones como generación de waveform y mediciones timing. CIPs también habilitan bucles de control completos realizarse en hardware on-chip customizable, dijo Microchip.

La familia producto PIC18-Q43 disponible en gama de tamaños memoria, paquetes, y puntos de precio.

Renesas RX23W

Optimizado para seguridad y comunicaciones wireless, Renesas Electronics lanzó recientemente el RX23W —un MCU 32-bit con Bluetooth 5.0 para dispositivos endpoint IoT como electrodomésticos y equipamiento health-care. El MCU también incluye Trusted Secure IP de Renesas, featured en su familia RX MCU, para abordar riesgos seguridad Bluetooth como eavesdropping, manipulación, y virus.

El RX23W se basa en core RXv2 de Renesas, que alcanza alto rendimiento de 4,33 Coremark/MHz, con improved floating-point unit (FPU) y funciones DSP. El chip opera a frecuencia máxima de reloj de 54 MHz. Optimizado para control de sistema y comunicación wireless, el RX23W provee soporte completo Bluetooth 5.0 Low Energy incluyendo funciones long-range y mesh networking y reclama consumo pico en modo recepción más bajo de industria a 3 mA.

RX23W microcontrolador 32-bit con Bluetooth 5.0 de Renesas Electronics (Imagen: Renesas Electronics)

El RX23W también integra gama de funciones periféricas para equipamiento IoT, incluyendo seguridad, touchkey, USB, y funciones CAN. Estas permiten al RX23W implementar tanto control de sistema como funciones wireless Bluetooth para equipamiento endpoint IoT como electrodomésticos, equipamiento health-care, y equipamiento sports y fitness en single chip, dijo Renesas. Además, funciones Bluetooth mesh lo hacen óptimo para equipamiento industrial IoT colectando datos sensores en fábrica o edificio.

El RX23W disponible ahora en paquetes 7 × 7-mm 56-pin QFN y 5,5 × 5,5-mm 85-pin BGA con 512 KB flash on-chip.

STM32L5x2 de STMicroelectronics

También apuntando a mejor protección para dispositivos IoT-conectados están los MCUs ultra-low-power STM32L5x2 de STMicroelectronics, basados en core Arm Cortex-M33 32-bit RISC con seguridad hardware-based Arm TrustZone. Trusted computing autentica dispositivos conectados a red creando entorno de ejecución protegido para cyber-protection y código sensible (criptografía y key storage) que bloquea intentos de corromper dispositivos o software, mientras segundo entorno de ejecución independiente permite correr código no confiable, dijo la compañía.

Con los nuevos MCUs serie STM32L5, operando a frecuencias de reloj hasta 110 MHz, ST habilita a diseñadores incluir o excluir cada I/O, periférico, o área de flash o SRAM de protección TrustZone. Esto permite aislar workloads sensibles completamente para máxima seguridad, dijo ST.

Además, TrustZone fue diseñado para soportar secure boot, protección especial read-out y write para SRAM y flash integrados, y aceleración criptográfica, incluyendo AES 128-/256-bit key hardware acceleration, public key acceleration (PKA), y AES-128 on-the-fly decryption (OTFDEC), para proteger código o datos externos. Otras características incluyen detección activa de manipulación e instalación segura de firmware. Juntas, estas características de seguridad entregan certificación PSA Certified Level 2.

MCUs STM32L5 de STMicroelectronics (Imagen: STMicroelectronics)

La familia STM32L5 también entrega ultra-low power gracias a adición de técnicas como escalado de voltaje adaptativo, aceleración real-time, power gating, y múltiples modos reduced-power operation. Estas técnicas permiten a MCUs entregar alto rendimiento y largos runtimes ya sea que dispositivos sean alimentados por coin cells o incluso energy harvesting, dijo ST.

El regulador step-down switched-mode también puede power-up o down on-the-fly para mejorar rendimiento low-power cuando voltaje VDD es suficientemente alto. Los scores ULPMark, que miden eficiencia ultra-low-power basada en benchmarks real-world desarrollados por EEMBC son: 370 ULPMark-CoreProfile y 54 ULPMark-PeripheralProfile a 1,8 V.

Otras características MCU incluyen 512-Kbyte dual-bank flash permitiendo operación read-while-write y soportando error correction code (ECC) con diagnostics, 256-Kbyte SRAM, y soporte para high-speed external memory incluyendo single, dual, quad, u octal SPI y Hyperbus flash o SRAM, así como interfaz para SRAM, PSRAM, NOR, NAND, o FRAM.

Periféricos digitales incluyen USB Full Speed con supply dedicado, permitiendo a clientes mantener comunicación USB incluso cuando sistema powered a 1,8 V, y controlador UCPD conforme con USB Type-C Rev. 1.2 y USB Power Delivery Rev. 3.0 specs. Smart analog features incluyen convertidor analógico-digital (ADC), dos DACs digital-to-analog power-gated, dos comparadores ultra-low-power, y dos amplificadores operacionales con routing follower externo o interno y capacidad programmable-gain amplifier (PGA).

La serie STM32L5 ofrece su propio paquete software STM32CubeL5 one-stop-shop, que incluye hardware abstraction layer y low-level drivers, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot y Secure Firmware Update (SBSFU), USB-PD device driver, MbedTLS y MbedCrypto, FatFS file system, y Touch Sensing drivers.

Los MCUs STM32L5x2 son well-suited para aplicaciones industrial IoT, incluyendo metering, health (humano o máquina) monitoring, y mobile point-of-sale. Disponibles en standard temperature grade (−40°C a 85°C) para aplicaciones consumer y commercial o high-temperature grade especificado −40°C a 125°C.

IA e IoT convergentes

Construyendo sobre su plataforma IA, Arm introdujo recientemente su procesador Cortex-M55 y unidad de procesamiento neural (NPU) Ethos-U55, touted como primer microNPU de industria para Cortex-M. Para aplicaciones ML demandantes, el Cortex-M55 puede emparejarse con microNPU Ethos-U55, que juntos entregan aumento combinado de 480× en rendimiento ML sobre procesadores Cortex-M existentes.

El Cortex-M55 es llamado el procesador Cortex-M más AI-capable y el primero basado en arquitectura Armv8.1-M con tecnología Arm Helium vector-processing, que entrega rendimiento DSP y ML más energy-efficient. El Cortex-M55 entrega hasta 15× mejora en rendimiento ML y 5× aumento en rendimiento DSP, con mayor eficiencia, comparado a generaciones previas Cortex-M.

Una nueva característica para procesadores Cortex-M, Arm Custom Instructions, estará disponible para extender capacidades de procesador para optimización workload-específica, dijo la compañía.

El Ethos-U55 es altamente configurable y específicamente diseñado para inferencia ML en dispositivos embedded e IoT area-constrained. Ofrece técnicas avanzadas de compresión para ahorrar potencia y reducir tamaños de modelo ML significativamente para permitir ejecución de redes neuronales que previamente corrían solo en sistemas mayores, según la compañía.

Estos procesadores trabajan con Arm TrustZone para asegurar que seguridad pueda incorporarse más fácilmente en complete system-on-chip.

NXP i.MX RT600

Diseñado para ultra-low-power, secure edge applications incluyendo audio, voz, y ML, la familia crossover MCU i.MX RT600 de NXP Semiconductors puentea gap entre alto rendimiento e integración mientras cumple requisitos de costo para embedded processing en el edge. (El i.MX RT1170 es ganador de EP's 2019 Product of the Year Awards.)

La expansión construye sobre ofertas ML de la compañía, incluyendo recientemente anunciados applications processors i.MX 8M Plus con NPU dedicado. Este es el primer dispositivo en familia i.MX en integrar NPU dedicado para inferencia advanced machine-learning en industrial e IoT edge. También empaqueta subsistema real-time independiente, dual camera ISP, DSP high-performance, y 3D GPU para aplicaciones edge.

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

La familia multi-core crossover processor i.MX RT600 presenta Arm Cortex-M33 corriendo hasta 300 MHz y opcional Cadence Tensilica HiFi 4 audio/voice digital signal processor (DSP) corriendo hasta 600 MHz, con cuatro MACs y funciones transcendental y activación hardware-based.

Construido en proceso 28-nm FD-SOI optimizado para active y leakage power, el i.MX RT600 soporta high-performance cores con 4,5 MB on-chip low-leakage SRAM, configurado para simultaneous zero-wait state access, haciéndolo apto para real-time execution de audio/voz, ML, y aplicaciones neural network-based.

Los crossover MCUs también feature EdgeLock, advanced embedded security technology de NXP, y ML support usando eIQ for Glow neural network compiler.

Características seguridad incluyen secure boot con immutable hardware "root of trust", SRAM physically unclonable function (PUF)-based unique key storage, certificate-based secure debug authentication, AES-256 y SHA2-256 acceleration, y DICE security standard implementation para secure cloud-to-edge communication. El chip también incluye mecanismo opcional fuse-based root key storage para secure boot y crypto operations y public key infrastructure (PKI), o asymmetric cryptography, proveyendo dedicated asymmetric accelerator para algoritmos ECC y RSA.

Los crossover processors incluyen subsistema audio/voz con soporte hasta ocho canales DMIC, con hardware para voice activation detect (VAD) y hasta ocho periféricos I²S. Otros periféricos incluyen SDIO para comunicación wireless, high-speed USB con on-chip PHY, ADC 12-bit con sensor temperatura, y varias interfaces seriales incluyendo 50-Mbits/s SPI, I3C, y seis configurable serial interfaces (USART, SPI, I2C, o I2S) con individual FIFO y DMA service request support.

NXP planea implementar Ethos U-55 en sus microcontroladores Cortex-M-based, crossover MCUs, y real-time subsystems en applications processors, apuntando a dispositivos industrial e IoT edge resource-constrained.

El altamente configurable machine-learning accelerator Ethos-U55 trabaja con Cortex-M core para lograr small footprint, entregando mayor de 30× mejora en rendimiento inferencia comparado a high-performing MCUs, dijo NXP.

Eta Compute ECM3532

Reclamado como primer procesador AI multicore para aplicaciones embedded sensor, el neural sensor processor (NSP) ECM3532 de Eta Compute Inc. presenta patented Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) de la compañía y entrega tan bajo como 100-µW active power consumption en aplicaciones always-on. El ECM3532 multicore NSP combina un MCU y un DSP, ambos con CVFS, para optimizar ejecución para mejor eficiencia, haciéndolo apto para IoT sensor nodes.

Diseñado para aplicaciones always-on image y sensor, el NSP de Eta Compute ofrece completa oferta software y hardware. La plataforma entrega IA a dispositivos edge y convierte datos sensores en información actionable para aplicaciones como voz, actividad, gesto, sonido, imagen, temperatura, presión, y biometría. La plataforma resuelve desafíos en edge computing, incluyendo menor response time, mayor seguridad, y mayor accuracy.

La plataforma AI standalone incluye multicore processor, que incluye flash memory, SRAM, I/O, periféricos, y platform machine-learning software development. El CVFS sustancialmente aumenta performance y eficiencia para edge devices. La arquitectura self-timed CVFS automáticamente y continuamente ajusta internal clock rate y supply voltage para maximizar energy efficiency para workload dado. El ECM3532 empaquetado en 5 × 5-mm, 81-ball BGA.