Prosesor menangani konvergensi IoT dan AI

Produsen mikroprosesor (MPU) dan mikrokontroler (MCU) terus mengatasi pertumbuhan aplikasi internet of things dengan perangkat baru yang berfokus pada daya sangat rendah, kinerja sistem yang lebih cepat, dan keamanan yang ditingkatkan yang mencakup deteksi kerusakan aktif dan pemasangan firmware yang aman. Chip ini perlu menangani sejumlah besar data dari semakin banyak sensor sambil mengonsumsi daya yang rendah. Untuk mengurangi konsumsi daya, pembuat chip menggunakan teknik seperti penskalaan voltase adaptif, gerbang daya, dan beberapa mode pengoperasian dengan daya rendah.

Pasar global untuk perangkat terhubung IoT diperkirakan akan mencapai sekitar 38,6 miliar unit pada tahun 2025, naik dari 22 miliar pada tahun 2018, menurut firma riset pasar Statista. Perangkat yang terhubung ini sekarang menjangkau berbagai industri, mulai dari smartphone, peralatan pintar, dan sistem keamanan rumah hingga mobil yang terhubung, kota pintar, dan IoT industri.

Dengan konvergensi kecerdasan buatan dan IoT di banyak industri, kecerdasan tambahan menambah beberapa tantangan seputar keamanan, keandalan, kinerja, dan, tentu saja, biaya. Chip ini perlu memberikan pemrosesan berkecepatan tinggi dengan kinerja yang ditingkatkan sekaligus mengurangi konsumsi daya. Beberapa pembuat chip ini juga mengadopsi teknik seperti kompresi lanjutan untuk mengurangi konsumsi daya dan model pembelajaran mesin (ML).

Berikut adalah contoh MPU dan MCU yang menargetkan IoT dan aplikasi AI terkonvergensi.

Ditujukan untuk berbagai aplikasi yang terhubung, rangkaian mikrokontroler PIC18-Q43 Microchip Technology Inc. mengintegrasikan periferal independen inti (CIP) yang lebih dapat dikonfigurasi, yang memindahkan banyak tugas perangkat lunak ke perangkat keras untuk kinerja sistem yang lebih cepat dan waktu ke pasar. CPI menawarkan fleksibilitas desain yang lebih besar saat membuat fungsi berbasis perangkat keras khusus untuk memudahkan pengembang menyesuaikan konfigurasi desain spesifik mereka. Mereka dirancang dengan kemampuan tambahan untuk menangani tugas tanpa perlu intervensi dari CPU.

Periferal yang dapat dikonfigurasi saling berhubungan untuk memungkinkan berbagi data, input logika, atau sinyal analog dengan latensi mendekati nol tanpa kode tambahan untuk respons sistem yang lebih baik. Aplikasi mencakup berbagai kontrol waktu nyata dan aplikasi yang terhubung, termasuk peralatan rumah tangga, sistem keamanan, kontrol motor dan industri, pencahayaan, dan IoT.

Microchip PIC18-Q43 mikrokontroler (Gambar:Teknologi Microchip)

CIP termasuk timer, output modulasi lebar pulsa (PWM) yang disederhanakan, CLC, konverter analog-ke-digital dengan komputasi (ADCC), dan beberapa komunikasi serial memungkinkan pengembang untuk mengurangi waktu pengembangan dan meningkatkan kinerja sistem. CLC memungkinkan pengembang untuk menyesuaikan fungsi seperti pembuatan bentuk gelombang dan pengukuran waktu. CIP juga memungkinkan seluruh loop kontrol diwujudkan dalam perangkat keras on-chip yang dapat disesuaikan, kata Microchip.

Rangkaian produk PIC18-Q43 tersedia dalam berbagai ukuran memori, paket, dan titik harga.

Dioptimalkan untuk keamanan dan komunikasi nirkabel, Renesas Electronics Corp. baru-baru ini meluncurkan RX23W — MCU 32-bit dengan Bluetooth 5.0 untuk perangkat titik akhir IoT seperti peralatan rumah tangga dan peralatan perawatan kesehatan. MCU juga menyertakan IP Aman Tepercaya Renesas, yang ditampilkan dalam rangkaian RX MCU-nya, untuk mengatasi risiko keamanan Bluetooth seperti penyadapan, perusakan, dan virus.

RX23W didasarkan pada inti RXv2 Renesas, yang mencapai kinerja tinggi 4,33 Coremark/MHz, dengan peningkatan fungsi floating-point unit (FPU) dan DSP. Chip beroperasi pada frekuensi clock maksimum 54 MHz. Dioptimalkan untuk kontrol sistem dan komunikasi nirkabel, RX23W menyediakan dukungan penuh Bluetooth 5.0 Hemat Energi termasuk fungsi jaringan jarak jauh dan mesh serta mengklaim konsumsi daya puncak mode penerimaan tingkat terendah di industri pada 3 mA.

Mikrokontroler RX23W 32-bit Renesas dengan Bluetooth 5.0 (Gambar:Renesas Electronics)

RX23W juga mengintegrasikan berbagai fungsi periferal untuk peralatan IoT, termasuk fungsi keamanan, tombol sentuh, USB, dan CAN. Fungsi-fungsi ini memungkinkan RX23W untuk menerapkan kontrol sistem dan fungsi nirkabel Bluetooth untuk peralatan titik akhir IoT seperti peralatan rumah tangga, peralatan perawatan kesehatan, dan peralatan olahraga dan kebugaran dalam satu chip, kata Renesas. Selain itu, fungsi mesh Bluetooth membuatnya optimal untuk peralatan IoT industri yang mengumpulkan data sensor di pabrik atau gedung.

RX23W sekarang tersedia dalam paket QFN 7 × 7-mm 56-pin dan 5,5 × 5,5-mm 85-pin BGA dengan memori flash dalam chip 512 KB.

Juga ditujukan untuk memberikan perlindungan yang lebih baik untuk perangkat yang terhubung dengan IoT adalah STMicroelectronics ultra-low-power STM32L5x2 MCU, berdasarkan inti RISC 32-bit Arm Cortex-M33 dengan keamanan berbasis perangkat keras Arm TrustZone. Komputasi tepercaya mengotentikasi perangkat yang terhubung ke jaringan dengan menciptakan lingkungan eksekusi yang dilindungi untuk perlindungan cyber dan kode sensitif (kriptografi dan penyimpanan kunci) yang memblokir upaya untuk merusak perangkat atau perangkat lunak, sementara lingkungan eksekusi independen kedua memungkinkan untuk menjalankan kode yang tidak tepercaya , kata perusahaan.

Dengan MCU seri STM32L5 baru, yang beroperasi pada frekuensi clock hingga 110 MHz, ST memungkinkan desainer untuk menyertakan atau mengecualikan setiap I/O, periferal, atau area flash atau SRAM dari perlindungan TrustZone. Hal ini memungkinkan beban kerja sensitif diisolasi sepenuhnya untuk keamanan maksimum, kata ST.

Selain itu, TrustZone dirancang untuk mendukung boot aman, perlindungan baca dan tulis khusus untuk SRAM dan flash terintegrasi, dan akselerasi kriptografi, termasuk akselerasi perangkat keras kunci AES 128-/256-bit, akselerasi kunci publik (PKA), dan AES- 128 on-the-fly decryption (OTFDEC), untuk melindungi kode atau data eksternal. Fitur lain termasuk deteksi tamper aktif dan instalasi firmware yang aman. Bersama-sama, fitur keamanan ini memberikan sertifikasi ke PSA Certified Level 2.

Mikroelektronika STM32L5 STMicroelectronics (Gambar:STMicroelectronics)

Rangkaian STM32L5 juga menghasilkan daya yang sangat rendah berkat penambahan teknik seperti penskalaan voltase adaptif, akselerasi real-time, power gating, dan beberapa mode pengoperasian hemat daya. Teknik ini memungkinkan MCU untuk memberikan kinerja tinggi dan runtime yang lama baik perangkat ditenagai oleh sel koin atau bahkan pemanenan energi, kata ST.

Regulator step-down mode switch juga dapat dinyalakan atau dimatikan dengan cepat untuk meningkatkan kinerja daya rendah ketika tegangan VDD cukup tinggi. ULPMark skor, yang mengukur efisiensi daya sangat rendah berdasarkan tolok ukur dunia nyata yang dikembangkan oleh EEMBC adalah:370 ULPMark-CoreProfile dan 54 ULPMark-PeripheralProfile pada 1,8 V.

Fitur MCU lainnya termasuk flash dual-bank 512-Kbyte yang memungkinkan operasi baca-sambil-menulis dan mendukung kode koreksi kesalahan (ECC) dengan diagnostik, SRAM 256-Kbyte, dan dukungan untuk memori eksternal berkecepatan tinggi termasuk single, dual, quad , atau oktal SPI dan Hyperbus flash atau SRAM, serta antarmuka untuk SRAM, PSRAM, NOR, NAND, atau FRAM.

Periferal digital termasuk USB Kecepatan Penuh dengan pasokan khusus, yang memungkinkan pelanggan untuk tetap berkomunikasi USB bahkan ketika sistem diberi daya pada 1,8 V, dan pengontrol UCPD yang sesuai dengan spesifikasi USB Type-C Rev. 1.2 dan USB Power Delivery Rev. 3.0. Fitur analog pintar termasuk konverter analog-ke-digital (ADC), dua konverter digital-ke-analog (DACs) dengan gerbang daya, dua komparator daya ultra-rendah, dan dua penguat operasional dengan perutean pengikut eksternal atau internal dan programmable- mendapatkan kemampuan penguat (PGA).

Seri STM32L5 menawarkan paket perangkat lunak one-stop-shop STM32CubeL5 sendiri, yang mencakup lapisan abstraksi perangkat keras dan driver tingkat rendah, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Boot Aman dan Pembaruan Firmware Aman (SBSFU), USB- Driver perangkat PD, MbedTLS dan MbedCrypto, sistem file FatFS, dan driver Touch Sensing.

MCU STM32L5x2 sangat cocok untuk aplikasi IoT industri, termasuk pengukuran, pemantauan kesehatan (manusia atau mesin), dan tempat penjualan seluler. MCU STM32L5x2 tersedia dalam tingkat suhu standar (−40°C hingga 85°C) untuk aplikasi konsumen dan komersial atau tingkat suhu tinggi yang ditentukan dari 40°C hingga 125°C.

Konvergensi AI dan IoT

Membangun platform AI-nya, Arm baru-baru ini memperkenalkan prosesor Cortex-M55 dan unit pemrosesan saraf (NPU) Ethos-U55, yang disebut-sebut sebagai microNPU pertama di industri untuk Cortex-M. Untuk aplikasi ML yang menuntut, Cortex-M55 dapat dipasangkan dengan microNPU Ethos-U55, yang bersama-sama memberikan peningkatan kinerja ML gabungan 480× dibandingkan prosesor Cortex-M yang ada.

Cortex-M55 disebut sebagai prosesor Cortex-M yang paling berkemampuan AI dan yang pertama berdasarkan arsitektur Armv8.1-M dengan teknologi pemrosesan vektor Arm Helium, yang menghadirkan kinerja DSP dan ML yang lebih hemat energi. Cortex-M55 memberikan peningkatan hingga 15× dalam kinerja ML dan peningkatan 5× dalam kinerja DSP, dengan efisiensi yang lebih besar, dibandingkan dengan generasi Cortex-M sebelumnya.

Sebuah fitur baru untuk prosesor Cortex-M, Arm Custom Instructions, akan tersedia untuk memperluas kemampuan prosesor untuk pengoptimalan beban kerja tertentu, kata perusahaan tersebut.

Ethos-U55 sangat dapat dikonfigurasi dan dirancang khusus untuk inferensi ML di perangkat tertanam dan IoT yang dibatasi area. Ini menawarkan teknik kompresi canggih untuk menghemat daya dan mengurangi ukuran model ML secara signifikan untuk memungkinkan eksekusi jaringan saraf yang sebelumnya hanya berjalan pada sistem yang lebih besar, menurut perusahaan.

Prosesor ini bekerja dengan Arm TrustZone untuk memastikan bahwa keamanan dapat lebih mudah dimasukkan ke dalam sistem-on-chip yang lengkap.

Dirancang untuk aplikasi edge yang aman dan berdaya sangat rendah termasuk audio, suara, dan ML, keluarga MCU crossover i.MX RT600 dari NXP Semiconductors menjembatani kesenjangan antara kinerja tinggi dan integrasi sekaligus memenuhi persyaratan biaya untuk pemrosesan tertanam di edge. (i.MX RT1170 adalah pemenang Penghargaan Produk Tahun Ini 2019 EP.)

Ekspansi ini didasarkan pada penawaran ML perusahaan, termasuk prosesor aplikasi i.MX 8M Plus yang baru-baru ini diumumkan dengan NPU khusus. Ini adalah perangkat pertama dalam keluarga i.MX yang mengintegrasikan NPU khusus untuk inferensi pembelajaran mesin tingkat lanjut di industri dan IoT edge. Ini juga mengemas subsistem real-time independen, ISP kamera ganda, DSP performa tinggi, dan GPU 3D untuk aplikasi edge.

Papan pengembangan i.MX RT600 NXP (Gambar:NXP Semiconductors)

Keluarga prosesor crossover multi-core i.MX RT600 dilengkapi Arm Cortex-M33 yang berjalan hingga 300 MHz dan prosesor sinyal audio/suara digital Cadence Tensilica HiFi 4 (DSP) opsional yang berjalan hingga 600 MHz, dengan empat MACS dan perangkat keras- berdasarkan fungsi transendental dan aktivasi.

Dibangun pada proses FD-SOI 28-nm yang dioptimalkan untuk daya aktif dan kebocoran, i.MX RT600 mendukung core berkinerja tinggi dengan 4,5 MB SRAM kebocoran rendah on-chip, yang telah dikonfigurasi untuk keadaan tanpa menunggu secara simultan akses, sehingga cocok untuk eksekusi real-time audio/suara, ML, dan aplikasi berbasis jaringan saraf.

MCU crossover juga menampilkan EdgeLock, teknologi keamanan tertanam canggih NXP, dan dukungan ML menggunakan eIQ untuk kompiler jaringan saraf Glow.

Fitur keamanan termasuk boot aman dengan "root of trust" perangkat keras yang tidak dapat diubah, penyimpanan kunci unik berbasis SRAM yang tidak dapat dikloning secara fisik (PUF), otentikasi debug aman berbasis sertifikat, akselerasi AES-256 dan SHA2-256, dan implementasi standar keamanan DICE untuk keamanan komunikasi cloud-to-edge. Chip ini juga mencakup mekanisme penyimpanan kunci root berbasis sekering opsional untuk boot aman dan operasi kripto dan infrastruktur kunci publik (PKI), atau kriptografi asimetris, yang menyediakan akselerator asimetris khusus untuk algoritme ECC dan RSA.

Prosesor crossover mencakup subsistem audio/suara dengan dukungan hingga delapan saluran DMIC, dengan perangkat keras untuk deteksi aktivasi suara (VAD) dan hingga delapan I ² S periferal. Periferal lainnya termasuk SDIO untuk komunikasi nirkabel, USB berkecepatan tinggi dengan PHY on-chip, ADC 12-bit dengan sensor suhu, dan beberapa antarmuka serial termasuk SPI 50-Mbits/s, I3C, dan enam antarmuka serial yang dapat dikonfigurasi (USART, SPI , I2C, atau I2S) dengan dukungan permintaan layanan FIFO dan DMA individual.

NXP berencana untuk mengimplementasikan Ethos U-55 dalam mikrokontroler berbasis Cortex-M, MCU crossover, dan subsistem real-time dalam prosesor aplikasi, yang menargetkan industri dengan sumber daya terbatas dan perangkat edge IoT.

Akselerator pembelajaran mesin Ethos-U55 yang sangat dapat dikonfigurasi bekerja dengan inti Cortex-M untuk mencapai jejak kecil, memberikan peningkatan lebih dari 30x dalam kinerja inferensi dibandingkan dengan MCU berperforma tinggi, kata NXP.

Diklaim sebagai prosesor multicore AI pertama untuk aplikasi sensor yang disematkan, prosesor sensor saraf (NSP) ECM3532 Eta Compute Inc. dilengkapi dengan Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) yang dipatenkan perusahaan dan menghasilkan konsumsi daya aktif serendah 100μW di selalu- pada aplikasi. NSP multicore ECM3532 menggabungkan MCU dan DSP, keduanya dengan CVFS, untuk mengoptimalkan eksekusi demi efisiensi terbaik, sehingga cocok untuk node sensor IoT.

Dirancang untuk aplikasi gambar dan sensor yang selalu aktif, NSP Eta Compute menawarkan penawaran perangkat lunak dan perangkat keras yang lengkap. Platform ini mengirimkan AI ke perangkat edge dan mengubah data sensor menjadi informasi yang dapat ditindaklanjuti untuk aplikasi seperti suara, aktivitas, gerakan, suara, gambar, suhu, tekanan, dan biometrik. Platform ini memecahkan tantangan dalam komputasi tepi, termasuk waktu respons yang lebih rendah, peningkatan keamanan, dan akurasi yang lebih tinggi.

Platform AI mandiri mencakup prosesor multicore, yang mencakup memori flash, SRAM, I/O, periferal, dan platform pengembangan perangkat lunak pembelajaran mesin. CVFS secara substansial meningkatkan kinerja dan efisiensi untuk perangkat edge. Arsitektur CVFS self-timed secara otomatis dan terus menerus menyesuaikan clock rate internal dan tegangan suplai untuk memaksimalkan efisiensi energi untuk beban kerja yang diberikan. ECM3532 dikemas dalam BGA 81-bola 5 × 5-mm.