Les processeurs prennent en charge la convergence de l'IoT et de l'IA

Les fabricants de microprocesseurs (MPU) et de microcontrôleurs (MCU) continuent de s'attaquer aux applications croissantes de l'Internet des objets avec de nouveaux appareils qui se concentrent sur une consommation ultra-faible, des performances système plus rapides et une sécurité renforcée qui inclut la détection active des falsifications et l'installation sécurisée du micrologiciel. Ces puces doivent gérer des quantités massives de données provenant de plus en plus de capteurs tout en consommant peu d'énergie. Pour réduire la consommation d'énergie, les fabricants de puces utilisent des techniques telles que la mise à l'échelle adaptative de la tension, la synchronisation de puissance et plusieurs modes de fonctionnement à puissance réduite.

Le marché mondial des appareils connectés IoT devrait atteindre environ 38,6 milliards d'unités d'ici 2025, contre 22 milliards en 2018, selon le cabinet d'études de marché Statista. Ces appareils connectés couvrent désormais tous les secteurs, allant des smartphones, appareils intelligents et systèmes de sécurité domestique aux voitures connectées, villes intelligentes et IoT industriel.

Avec la convergence de l'intelligence artificielle et de l'IoT dans de nombreux secteurs, l'intelligence supplémentaire ajoute des défis en matière de sécurité, de fiabilité, de performances et, bien sûr, de coût. Ces puces doivent fournir un traitement à grande vitesse avec des performances améliorées tout en réduisant la consommation d'énergie. Certains de ces fabricants de puces adoptent également des techniques telles que la compression avancée pour réduire la consommation d'énergie et les modèles d'apprentissage automatique (ML).

Voici un échantillon de MPU et de MCU qui ciblent l'IoT et les applications d'IA convergées.

Destinée à une variété d'applications connectées, la famille de microcontrôleurs PIC18-Q43 de Microchip Technology Inc. intègre davantage de périphériques indépendants du noyau (CIP) configurables, qui déchargent de nombreuses tâches logicielles sur le matériel pour des performances système plus rapides et un délai de mise sur le marché. Les CPI offrent une plus grande flexibilité de conception lors de la création de fonctions matérielles personnalisées pour permettre aux développeurs de personnaliser plus facilement leurs configurations de conception spécifiques. Ils sont conçus avec des capacités supplémentaires pour gérer les tâches sans avoir besoin d'une intervention du processeur.

Les périphériques configurables sont interconnectés pour permettre un partage à latence quasi nulle des données, des entrées logiques ou des signaux analogiques sans code supplémentaire pour une meilleure réponse du système. Les applications incluent une variété d'applications de contrôle en temps réel et connectées, y compris les appareils ménagers, les systèmes de sécurité, le contrôle moteur et industriel, l'éclairage et l'IoT.

Microcontrôleurs PIC18-Q43 de Microchip (Image :Technologie Microchip)

Les CIP comprenant des temporisateurs, une sortie à modulation de largeur d'impulsion simplifiée (PWM), des CLC, un convertisseur analogique-numérique avec calcul (ADCC) et plusieurs communications série permettent aux développeurs de réduire le temps de développement et d'améliorer les performances du système. Le CLC permet aux développeurs d'adapter des fonctions telles que la génération de formes d'onde et les mesures de synchronisation. Les CIP permettent également de réaliser des boucles de contrôle complètes dans du matériel sur puce personnalisable, a déclaré Microchip.

La famille de produits PIC18-Q43 est disponible dans une gamme de tailles de mémoire, de packages et de prix.

Optimisé pour la sécurité et les communications sans fil, Renesas Electronics Corp. a récemment lancé le RX23W, un MCU 32 bits avec Bluetooth 5.0 pour les terminaux IoT tels que les appareils ménagers et les équipements de soins de santé. Le MCU comprend également l'IP sécurisée de confiance de Renesas, présente dans sa famille de MCU RX, pour faire face aux risques de sécurité Bluetooth tels que l'écoute clandestine, la falsification et les virus.

Le RX23W est basé sur le cœur RXv2 de Renesas, qui atteint les performances élevées de 4,33 Coremark/MHz, avec des fonctions améliorées d'unité à virgule flottante (FPU) et de DSP. La puce fonctionne à une fréquence d'horloge maximale de 54 MHz. Optimisé pour le contrôle du système et la communication sans fil, le RX23W offre une prise en charge complète du Bluetooth 5.0 Low Energy, y compris des fonctions de réseau longue portée et maillé, et revendique la consommation d'énergie de pointe en mode de réception la plus basse de l'industrie à 3 mA.

Microcontrôleur RX23W 32 bits de Renesas avec Bluetooth 5.0 (Image :Renesas Electronics)

Le RX23W intègre également une gamme de fonctions périphériques pour les équipements IoT, notamment des fonctions de sécurité, de touche tactile, USB et CAN. Ces fonctions permettent au RX23W de mettre en œuvre à la fois le contrôle du système et les fonctions sans fil Bluetooth pour les équipements terminaux IoT tels que les appareils ménagers, les équipements de soins de santé et les équipements de sport et de fitness sur une seule puce, a déclaré Renesas. De plus, les fonctions de maillage Bluetooth le rendent optimal pour les équipements IoT industriels collectant des données de capteurs dans une usine ou un bâtiment.

Le RX23W est désormais disponible en boîtiers QFN 7 × 7 mm 56 broches et BGA 5,5 × 5,5 mm 85 broches avec 512 Ko de mémoire flash intégrée.

Les microcontrôleurs STMicroelectronics STM32L5x2 à très faible consommation d'énergie, basés sur le cœur Arm Cortex-M33 32 bits RISC avec la sécurité matérielle Arm TrustZone, visent également à offrir une meilleure protection pour les appareils connectés à l'IoT. L'informatique de confiance authentifie les appareils connectés à un réseau en créant un environnement d'exécution protégé pour la cyberprotection et un code sensible (cryptographie et stockage de clés) qui bloque les tentatives de corruption d'appareils ou de logiciels, tandis qu'un deuxième environnement d'exécution indépendant permet l'exécution de code non fiable , a déclaré l'entreprise.

Avec les nouveaux microcontrôleurs de la série STM32L5, fonctionnant à des fréquences d'horloge jusqu'à 110 MHz, ST permet aux concepteurs d'inclure ou d'exclure chaque E/S, périphérique ou zone de flash ou SRAM de la protection TrustZone. Cela permet aux charges de travail sensibles d'être entièrement isolées pour une sécurité maximale, a déclaré ST.

De plus, TrustZone a été conçu pour prendre en charge un démarrage sécurisé, une protection spéciale en lecture et en écriture pour la SRAM et la mémoire flash intégrées, et l'accélération cryptographique, y compris l'accélération matérielle de clé AES 128-/256 bits, l'accélération de clé publique (PKA) et AES- 128 déchiffrement à la volée (OTFDEC), pour protéger le code ou les données externes. Les autres fonctionnalités incluent la détection de sabotage active et l'installation sécurisée du micrologiciel. Ensemble, ces fonctionnalités de sécurité délivrent une certification au niveau 2 de la certification PSA.

Microcontrôleurs STM32L5 de STMicroelectronics (Image :STMicroelectronics)

La famille STM32L5 fournit également une puissance ultra-faible grâce à l'ajout de techniques telles que la mise à l'échelle adaptative de la tension, l'accélération en temps réel, le power gate et plusieurs modes de fonctionnement à puissance réduite. Ces techniques permettent aux microcontrôleurs d'offrir des performances élevées et de longues durées d'exécution, que les appareils soient alimentés par des piles boutons ou même par récupération d'énergie, a déclaré ST.

Le régulateur abaisseur à découpage peut également être mis sous tension ou hors tension à la volée pour améliorer les performances à faible puissance lorsque la tension VDD est suffisamment élevée. Le ULPMark Les scores, qui mesurent l'efficacité à très faible consommation d'énergie sur la base des références du monde réel développées par EEMBC sont :370 ULPMark-CoreProfile et 54 ULPMark-PeripheralProfile à 1,8 V.

Les autres fonctionnalités du MCU incluent une mémoire flash à double banque de 512 Ko qui permet une opération de lecture pendant l'écriture et prend en charge le code de correction d'erreur (ECC) avec diagnostic, une SRAM de 256 Ko et la prise en charge de la mémoire externe haute vitesse, y compris simple, double, quad , ou SPI octal et Hyperbus flash ou SRAM, ainsi qu'une interface pour SRAM, PSRAM, NOR, NAND ou FRAM.

Les périphériques numériques incluent USB Full Speed ​​avec alimentation dédiée, qui permet aux clients de maintenir la communication USB même lorsque le système est alimenté à 1,8 V, et un contrôleur UCPD conforme aux spécifications USB Type-C Rev. 1.2 et USB Power Delivery Rev. 3.0. Les fonctions analogiques intelligentes incluent un convertisseur analogique-numérique (ADC), deux convertisseurs numérique-analogique (DAC) à commande de puissance, deux comparateurs ultra-basse consommation et deux amplificateurs opérationnels avec routage suiveur externe ou interne et programmables. capacité d'amplification de gain (PGA).

La série STM32L5 propose son propre package logiciel à guichet unique STM32CubeL5, qui comprend une couche d'abstraction matérielle et des pilotes de bas niveau, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot et Secure Firmware Update (SBSFU), USB- Pilote de périphérique PD, MbedTLS et MbedCrypto, système de fichiers FatFS et pilotes Touch Sensing.

Les microcontrôleurs STM32L5x2 sont bien adaptés aux applications IoT industrielles, y compris la mesure, la surveillance de la santé (humaine ou machine) et les points de vente mobiles. Les microcontrôleurs STM32L5x2 sont disponibles en classe de température standard (−40°C à 85°C) pour les applications grand public et commerciales ou en classe haute température spécifiée de −40°C à 125°C.

IA et IoT convergents

S'appuyant sur sa plate-forme d'IA, Arm a récemment présenté son processeur Cortex-M55 et son unité de traitement neuronal (NPU) Ethos-U55, présentés comme le premier microNPU de l'industrie pour le Cortex-M. Pour les applications ML exigeantes, le Cortex-M55 peut être associé au microNPU Ethos-U55, qui offrent ensemble une augmentation combinée de 480 fois des performances ML par rapport aux processeurs Cortex-M existants.

Le Cortex-M55 est appelé le processeur Cortex-M le plus capable d'IA et le premier basé sur l'architecture Armv8.1-M avec la technologie de traitement vectoriel Arm Helium, qui offre des performances DSP et ML plus économes en énergie. Le Cortex-M55 offre jusqu'à 15 fois une amélioration des performances ML et une augmentation de 5 fois des performances DSP, avec une plus grande efficacité, par rapport aux générations Cortex-M précédentes.

Une nouvelle fonctionnalité pour les processeurs Cortex-M, les instructions personnalisées Arm, sera disponible pour étendre les capacités du processeur pour une optimisation de la charge de travail spécifique, a déclaré la société.

L'Ethos-U55 est hautement configurable et spécialement conçu pour l'inférence ML dans les appareils embarqués et IoT à zone limitée. Il propose des techniques de compression avancées pour économiser de l'énergie et réduire considérablement la taille des modèles ML pour permettre l'exécution de réseaux de neurones qui ne fonctionnaient auparavant que sur des systèmes plus importants, selon la société.

Ces processeurs fonctionnent avec Arm TrustZone pour garantir que la sécurité peut être plus facilement intégrée dans l'ensemble du système sur puce.

Conçue pour les applications de périphérie sécurisées ultra basse consommation, y compris l'audio, la voix et le ML, la famille de microcontrôleurs croisés i.MX RT600 de NXP Semiconductors comble le fossé entre hautes performances et intégration tout en répondant aux exigences de coût pour le traitement embarqué à la périphérie. (L'i.MX RT1170 a remporté le prix du produit de l'année 2019 d'EP.)

L'extension s'appuie sur les offres ML de la société, y compris les processeurs d'applications i.MX 8M Plus récemment annoncés avec un NPU dédié. Il s'agit du premier appareil de la famille i.MX à intégrer une NPU dédiée pour l'inférence avancée d'apprentissage automatique à la périphérie de l'industrie et de l'IoT. Il contient également un sous-système en temps réel indépendant, un FAI à double caméra, un DSP hautes performances et un GPU 3D pour les applications de pointe.

Carte de développement i.MX RT600 de NXP (Image :NXP Semiconductors)

La famille de processeurs croisés multicœurs i.MX RT600 comprend un Arm Cortex-M33 fonctionnant jusqu'à 300 MHz et un processeur de signal numérique audio/voix (DSP) Cadence Tensilica HiFi 4 en option fonctionnant jusqu'à 600 MHz, avec quatre MACS et du matériel. fonctions transcendantales et d'activation basées.

Construit sur un processus FD-SOI de 28 nm optimisé pour la puissance active et de fuite, l'i.MX RT600 prend en charge les cœurs hautes performances avec 4,5 Mo de SRAM à faible fuite sur puce, qui a été configurée pour un état simultané sans attente l'accès, ce qui le rend adapté à l'exécution en temps réel d'applications audio/voix, ML et de réseaux neuronaux.

Les microcontrôleurs croisés disposent également d'EdgeLock, de la technologie de sécurité intégrée avancée de NXP et de la prise en charge du ML à l'aide du compilateur de réseau neuronal eIQ for Glow.

Les fonctionnalités de sécurité incluent un démarrage sécurisé avec une « racine de confiance » matérielle immuable, un stockage de clé unique basé sur une fonction SRAM physiquement non clonable (PUF), une authentification de débogage sécurisée basée sur des certificats, une accélération AES-256 et SHA2-256 et une mise en œuvre de la norme de sécurité DICE pour sécuriser communication cloud-à-edge. La puce comprend également un mécanisme de stockage de clé racine basé sur un fusible en option pour des opérations de démarrage et de chiffrement sécurisées et une infrastructure à clé publique (PKI) ou cryptographie asymétrique, fournissant un accélérateur asymétrique dédié pour les algorithmes ECC et RSA.

Les processeurs croisés comprennent un sous-système audio/voix prenant en charge jusqu'à huit canaux DMIC, avec du matériel pour la détection d'activation vocale (VAD) et jusqu'à huit I ² S périphériques. Les autres périphériques incluent SDIO pour la communication sans fil, USB haute vitesse avec PHY sur puce, un CAN 12 bits avec capteur de température et plusieurs interfaces série dont 50 Mbits/s SPI, I3C et six interfaces série configurables (USART, SPI , I2C ou I2S) avec prise en charge individuelle des demandes de service FIFO et DMA.

NXP prévoit d'implémenter l'Ethos U-55 dans ses microcontrôleurs basés sur Cortex-M, ses microcontrôleurs croisés et ses sous-systèmes en temps réel dans les processeurs d'applications, en ciblant les appareils de périphérie industriels et IoT à ressources limitées.

L'accélérateur d'apprentissage automatique Ethos-U55 hautement configurable fonctionne avec le cœur Cortex-M pour obtenir un faible encombrement, offrant une amélioration de plus de 30 fois des performances d'inférence par rapport aux MCU hautes performances, a déclaré NXP.

Revendu comme le premier processeur multicœur d'IA pour les applications de capteurs intégrés, le processeur de capteur neuronal (NSP) ECM3532 d'Eta Compute Inc. est doté de la mise à l'échelle de fréquence de tension continue (CVFS) brevetée de l'entreprise et offre une consommation d'énergie active aussi faible que 100-μW en permanence. sur les candidatures. Le NSP multicœur ECM3532 combine un MCU et un DSP, tous deux avec CVFS, pour optimiser l'exécution pour la meilleure efficacité, ce qui le rend adapté aux nœuds de capteurs IoT.

Conçu pour les applications d'images et de capteurs en permanence, le NSP d'Eta Compute propose une offre logicielle et matérielle complète. La plate-forme fournit l'IA aux appareils périphériques et transforme les données des capteurs en informations exploitables pour des applications telles que la voix, l'activité, les gestes, le son, l'image, la température, la pression et la biométrie. La plate-forme résout les défis de l'informatique de pointe, notamment un temps de réponse plus court, une sécurité accrue et une précision plus élevée.

La plate-forme d'IA autonome comprend un processeur multicœur, qui comprend une mémoire flash, une SRAM, des E/S, des périphériques et une plate-forme de développement de logiciels d'apprentissage automatique. Le CVFS augmente considérablement les performances et l'efficacité des périphériques de périphérie. L'architecture CVFS à synchronisation automatique ajuste automatiquement et en continu la fréquence d'horloge interne et la tension d'alimentation pour maximiser l'efficacité énergétique pour la charge de travail donnée. L'ECM3532 est conditionné dans un BGA à 81 billes 5 × 5 mm.