Produsen mikroprosesor (MPU) dan mikrokontroler (MCU) terus mengatasi aplikasi Internet of Things yang semakin berkembang dengan perangkat baru yang difokuskan pada daya ultra-rendah, performa sistem yang lebih cepat, dan keamanan yang ditingkatkan yang mencakup deteksi manipulasi aktif dan instalasi firmware aman. Chip-chip ini perlu menangani sejumlah besar data dari semakin banyak sensor sambil mengonsumsi daya rendah. Untuk mengurangi konsumsi daya, pabrikan chip menggunakan teknik seperti adaptive voltage scaling, power gating, dan beberapa mode operasi daya teredam.
Menurut perusahaan penelitian pasar Statista, pasar global untuk perangkat terhubung IoT diperkirakan mencapai sekitar 38,6 miliar unit pada 2025, meningkat dari 22 miliar pada 2018. Perangkat terhubung ini kini menyeluruh di berbagai industri, mulai dari smartphone, perangkat rumah pintar, dan sistem keamanan rumah hingga mobil terhubung, kota pintar, dan IoT industri.
Dengan kemunculan buatan kecerdasan (AI) dan IoT di banyak industri, kecerdasan tambahan menambahkan tantangan di sekitar keamanan, keandalan, performa, dan, tentunya, biaya. Chip-chip ini perlu menyediakan pemrosesan kecepatan tinggi dengan performa yang ditingkatkan sambil mengurangi konsumsi daya. Beberapa pabrikan chip juga mengadopsi teknik seperti kompresi canggih untuk mengurangi konsumsi daya dan model pembelajaran mesin (ML).
Berikut adalah contoh MPU dan MCU yang menargetkan aplikasi IoT dan AI yang digabungkan.
Ditargetkan untuk berbagai aplikasi terhubung, keluarga mikrokontroler PIC18-Q43 dari Microchip Technology Inc. mengintegrasikan lebih banyak periferal independen inti yang dapat dikonfigurasi (CIP), yang mentugaskan banyak tugas perangkat lunak ke hardware untuk performa sistem yang lebih cepat dan waktu ke pasar. CPIs menawarkan fleksibilitas desain yang lebih besar saat menciptakan fungsi berbasis hardware 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 terhubung untuk memungkinkan berbagi data, input logika, atau sinyal analog dengan latensi hampir nol tanpa kode tambahan untuk respons sistem yang ditingkatkan. Aplikasi mencari berbagai aplikasi kendali real-time dan terhubung, termasuk perangkat rumah tangga, sistem keamanan, kendali motor dan industri, pencahayaan, dan IoT.
CIP termasuk timer, output pulse-width-modulation (PWM) yang disederhanakan, CLCs, analog-to-digital converter with computation (ADCC), dan beberapa komunikasi serial yang memungkinkan pengembang mengurangi waktu pengembangan dan meningkatkan performa sistem. CLC memungkinkan pengembang untuk menyesuaikan fungsi seperti pembentukan gelombang dan pengukuran waktu. CIP juga memungkinkan seluruh loop kendali untuk direalisasikan dalam hardware on-chip yang dapat disesuaikan, kata Microchip.
Famili 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 akhir IoT seperti perangkat rumah tangga dan peralatan kesehatan. MCU ini juga menyertakan Trusted Secure IP Renesas, yang ditampilkan dalam famili MCU RX-nya, untuk mengatasi risiko keamanan Bluetooth seperti penyadapan, manipulasi, dan virus.
RX23W didasarkan pada inti RXv2 Renesas, yang mencapai performa tinggi sebesar 4,33 Coremark/MHz, dengan unit floating-point (FPU) dan fungsi DSP yang ditingkatkan. Chip ini beroperasi pada frekuensi jam maksimum 54 MHz. Dioptimalkan untuk kontrol sistem dan komunikasi nirkabel, RX23W menyediakan dukungan penuh Bluetooth 5.0 Low Energy termasuk fungsi jaringan jarak jauh dan mesh, dan klaim konsumsi daya puncak mode penerima terendah di industri pada 3 mA.
Mikrokontroler 32-bit RX23W Renesas dengan Bluetooth 5.0 (Gambar: Renesas Electronics)
RX23W juga mengintegrasikan berbagai fungsi periferal untuk peralatan IoT, termasuk keamanan, touchkey, USB, dan fungsi CAN. Fungsi-fungsi ini memungkinkan RX23W untuk menerapkan kontrol sistem dan fungsi nirkabel Bluetooth untuk peralatan akhir IoT seperti perangkat rumah tangga, peralatan kesehatan, dan peralatan olahraga dan kebugaran pada satu chip, kata Renesas. Selain itu, fungsi mesh Bluetooth menjadikannya optimal untuk peralatan IoT industri yang mengumpulkan data sensor di pabrik atau gedung.
RX23W tersedia sekarang dalam paket QFN 56-pin 7 × 7 mm dan BGA 85-pin 5.5 × 5.5 mm dengan memori flash on-chip 512 KB.
Sebagai target untuk memberikan perlindungan yang lebih baik untuk perangkat terhubung IoT adalah STM32L5x2 MCU ultra-hemat daya dari STMicroelectronics, yang didasarkan pada inti RISC 32-bit Arm Cortex-M33 dengan keamanan berbasis hardware Arm TrustZone. Komputasi tepercaya mengautentikasi perangkat yang terhubung ke jaringan dengan menciptakan lingkungan eksekusi yang terlindungi untuk perlindungan siber dan kode sensitif (kriptografi dan penyimpanan kunci) yang mencegah upaya untuk merusak perangkat atau perangkat lunak, sementara lingkungan eksekusi kedua yang independen memungkinkan eksekusi kode yang tidak terpercaya, kata perusahaan.
Dengan seri MCU STM32L5 baru, yang beroperasi pada frekuensi jam hingga 110 MHz, ST memungkinkan desainer untuk menyertakan atau mengecualikan setiap I/O, periferal, atau area flash atau SRAM dari perlindungan TrustZone. Ini memungkinkan beban kerja sensitif untuk diisolasi sepenuhnya untuk keamanan maksimal, kata ST.
Selain itu, TrustZone dirancang untuk mendukung secure boot, perlindungan baca dan tulis khusus untuk SRAM dan flash terintegrasi, dan akselerasi kriptografi, termasuk akselerasi hardware kunci AES 128-/256-bit, akselerasi kunci publik (PKA), dan dekripsi on-the-fly AES-128 (OTFDEC), untuk melindungi kode atau data eksternal. Fitur lainnya mencakup deteksi manipulasi aktif dan instalasi firmware aman. Bersama-barah, fitur keamanan ini memberikan sertifikasi PSA Certified Level 2.
Famili STM32L5 juga menyediakan daya ultra-rendah berkat penambahan teknik seperti adaptive voltage scaling, akselerasi real-time, power gating, dan beberapa mode operasi daya teredam. Teknik-teknik ini memungkinkan MCU untuk menyediakan performa tinggi dan waktu operasi yang lama baik perangkat dipindot oleh baterai koin atau bahkan pemanen energi, kata ST.
Regulator step-down switched-mode juga dapat dinyalakan atau dimatikan secara langsung untuk meningkatkan performa daya rendah saat tegangan VDD cukup tinggi. Skor ULPMark, yang mengukur efisiensi daya ultra-rendah berdasarkan benchmark dunia nyata yang dikembangkan oleh EEMBC adalah: 370 ULPMark-CoreProfile dan 54 ULPMark-PeripheralProfile pada 1,8 V.
Fitur MCU lainnya meliputi flash dual-bank 512-Kbyte yang memungkinkan operasi baca-sambil-tulis dan mendukung kode koreksi kesalahan (ECC) dengan diagnostik, SRAM 256-Kbyte, dan dukungan untuk memori eksternal berkecepatan tinggi termasuk flash atau SRAM SPI tunggal, dual, quad, atau octal dan Hyperbus, serta antarmuka untuk SRAM, PSRAM, NOR, NAND, atau FRAM.
Periferal digital termasuk USB Full Speed dengan suplai khusus, yang memungkinkan pelanggan untuk menjaga komunikasi USB bahkan saat sistem diberi daya pada 1,8 V, dan pengontrol UCPD yang mematuhi spesifikasi USB Type-C Rev. 1.2 dan USB Power Delivery Rev. 3.0. Fitur analog cerdas termasuk analog-to-digital converter (ADC), dua konverter digital-to-analog (DAC) yang difiturkan daya, dua komparator ultra-hemat daya, dan dua operational amplifier dengan routing follower eksternal atau internal dan kemampuan programmable-gain amplifier (PGA).
Seri STM32L5 menawarkan paket perangkat lunak one-stop-shop STM32CubeL5 miliknya sendiri, yang mencakup lapisan abstraksi hardware dan driver low-level, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot dan Secure Firmware Update (SBSFU), driver perangkat USB-PD, MbedTLS dan MbedCrypto, sistem berkas FatFS, dan driver Touch Sensing.
MCU STM32L5x2 sangat cocok untuk aplikasi IoT industri, termasuk pemeteran, pemantauan kesehatan (manusia atau mesin), dan titik jual seluler. MCU STM32L5x2 tersedia dalam grade temperatur standar (−40°C hingga 85°C) untuk aplikasi konsumen dan komersial atau grade temperatur tinggi yang ditentukan dari −40°C hingga 125°C.
AI dan IoT yang Digabungkan
Berdasarkan platform AI-nya, Arm baru-baru ini memperkenalkan prosesor Cortex-M55 dan unit pemrosesan saraf (NPU) Ethos-U55, yang disebut sebagai microNPU pertama di industri untuk Cortex-M. Untuk aplikasi ML yang menuntut, Cortex-M55 dapat dipasangkan dengan microNPU Ethos-U55, yang bersama-sama menyediakan peningkatan performa ML sebesar 480× dibandingkan prosesor Cortex-M yang ada.
Cortex-M55 disebut sebagai prosesor Cortex-M yang paling mampu AI dan yang pertama berdasarkan arsitektur Armv8.1-M dengan teknologi pemrosesan vektor Arm Helium, yang menyediakan performa DSP dan ML yang lebih hemat energi. Cortex-M55 menyediakan peningkatan performa ML hingga 15× dan peningkatan performa DSP 5×, dengan efisiensi yang lebih besar, dibandingkan generasi Cortex-M sebelumnya.
Fitur baru untuk prosesor Cortex-M, Arm Custom Instructions, akan tersedia untuk memperluas kemampuan prosesor untuk optimisasi beban kerja tertentu, kata perusahaan.
Ethos-U55 sangat dapat dikonfigurasi dan dirancang khusus untuk inferensi ML di perangkat tertanam dan IoT yang terbatas area. Ia 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-prosesor ini bekerja dengan Arm TrustZone untuk memastikan keamanan dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam sistem-on-chip lengkap.
Dirancang untuk aplikasi edge hemat daya dan aman termasuk audio, suara, dan ML, keluarga crossover MCU i.MX RT600 dari NXP Semiconductors menjembatani kesenjangan antara performa tinggi dan integrasi sambil memenuhi persyaratan biaya untuk pemrosesan tertanam di edge. (i.MX RT1170 adalah pemenang EP's 2019 Product of the Year Awards.)
Ekspansi ini membangun pada tawaran ML perusahaan, termasuk aplikasi prosesor i.MX 8M Plus yang baru diumumkan dengan NPU khusus. Ini adalah perangkat pertama dalam famili i.MX untuk mengintegrasikan NPU khusus untuk inferensi machine-learning canggih di edge industri dan IoT. Ini juga memaketkan subsystem real-time independen, dual camera ISP, DSP berkinerja tinggi, dan GPU 3D untuk aplikasi edge.
Papan pengembangan i.MX RT600 NXP (Gambar: NXP Semiconductors)
Keluarga crossover processor multi-inti i.MX RT600 menawarkan Arm Cortex-M33 berjalan hingga 300 MHz dan prosesor sinyal digital (DSP) audio/suara Cadence Tensilica HiFi 4 opsional berjalan hingga 600 MHz, dengan empat MACS dan fungsi transendental dan aktivasi berbasis hardware.
Dibangun pada proses 28-nm FD-SOI yang dioptimalkan untuk daya aktif dan kebocoran, i.MX RT600 mendukung inti berkinerja tinggi dengan 4,5 MB SRAM on-chip kebocoran rendah, yang telah dikonfigurasi untuk akses tanpa status tunggu bersamaan, menjadikannya cocok untuk eksekusi real-time aplikasi audio/suara, ML, dan jaringan saraf berbasis.
Crossover MCU ini juga menawarkan EdgeLock, teknologi keamanan tertanam canggih NXP, dan dukungan ML menggunakan kompiler jaringan saraf eIQ untuk Glow.
Fitur keamanan termasuk secure boot dengan akar kepercayaan hardware "root of trust" yang tidak dapat diubah, penyimpanan kunci unik berbasis fungsi fisik yang tidak dapat di kloning (PUF) SRAM, otentikasi debug aman berbasis sertifikat, akselerasi AES-256 dan SHA2-256, dan implementasi standar keamanan DICE untuk komunikasi cloud-to-edge yang aman. Chip ini juga mencakup mekanisme penyimpanan kunci root berbasis sekring opsional untuk secure boot dan operasi kripto, dan infrastruktur kunci publik (PKI), atau kriptografi asimetrik, yang menyediakan akselerator asimetrik khusus untuk algoritma ECC dan RSA.
Prosesor crossover ini mencakup subsystem audio/suara dengan dukungan hingga delapan saluran DMIC, dengan hardware untuk deteksi aktivasi suara (VAD) dan hingga delapan periferal I²S. Periferal lainnya termasuk SDIO untuk komunikasi nirkabel, USB kecepatan 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 menerapkan Ethos U-55 dalam mikrokontroler berbasis Cortex-M, crossover MCU, dan subsystem real-time dalam aplikasi prosesor, menargetkan perangkat edge industri dan IoT yang terbatas sumber daya.
Akselerator pembelajaran mesin Ethos-U55 yang sangat dapat dikonfigurasi bekerja dengan inti Cortex-M untuk mencapai footprint kecil, memberikan peningkatan performa inferensi lebih dari 30× dibandingkan MCU berkinerja tinggi, kata NXP.
Diklaim sebagai prosesor multi-inti AI pertama untuk aplikasi sensor tertanam, prosesor sensor saraf (NSP) ECM3532 Eta Compute Inc. menawarkan teknologi Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) terpaten perusahaan dan memberikan konsumsi daya aktif sebesar 100-μW dalam aplikasi always-on. NSP multi-inti ECM3532 menggabungkan MCU dan DSP, keduanya dengan CVFS, untuk mengoptimalkan eksekusi untuk efisiensi terbaik, menjadikannya cocok untuk node sensor IoT.
Dirancang untuk aplikasi citra dan sensor always-on, NSP Eta Compute menawarkan penawaran perangkat lunak dan hardware lengkap. Platform ini menyediakan AI ke perangkat edge dan mengubah data sensor menjadi informasi yang dapat ditindaklanjuti untuk aplikasi seperti suara, aktivitas, gerakan, suara, citra, suhu, tekanan, dan biometrik. Platform ini menyelesaikan tantangan di komputasi edge, termasuk waktu respons yang lebih rendah, keamanan yang ditingkatkan, dan akurasi yang lebih tinggi.
Platform AI standalone mencakup prosesor multi-inti yang mencakup memori flash, SRAM, I/O, periferal, dan platform pengembangan perangkat lunak machine-learning. CVFS secara signifikan meningkatkan performa dan efisiensi untuk perangkat edge. Arsitektur CVFS yang self-timed secara otomatis dan terus-menerus menyesuaikan kecepatan jam internal dan tegangan suplai untuk memaksimalkan efisiensi energi untuk beban kerja yang diberikan. ECM3532 dikemas dalam BGA 5 × 5 mm, 81-ball.
Mikrokontroler PIC18-Q43 Microchip (Gambar: Microchip Technology)
Mikrokontroler 32-bit RX23W Renesas dengan Bluetooth 5.0 (Gambar: Renesas Electronics)
Mikrokontroler STM32L5 STMicroelectronics (Gambar: STMicroelectronics)
Papan pengembangan i.MX RT600 NXP (Gambar: NXP Semiconductors)