Processeurs alimentant l'intégration transparente de l'IoT et l'IA

Les fabricants de microprocesseurs (MPU) et microcontrôleurs (MCU) continuent d'adresser les applications Internet des objets croissantes avec de nouveaux dispositifs focalisés sur l'ultra-basse consommation, performance système plus rapide, et sécurité renforcée incluant détection de falsification active et installation firmware sécurisée. Ces puces doivent gérer des quantités massives de données de plus en plus de capteurs tout en consommant peu de puissance. Pour réduire la consommation, les fabricants de puces utilisent des techniques comme le scaling de tension adaptatif, le power gating, et modes de fonctionnement réduits multiples.

Le marché global pour appareils IoT connectés est prévu à environ 38,6 milliards d'unités d'ici 2025, contre 22 milliards en 2018, selon l'institut d'études Statista. Ces appareils connectés s'étendent maintenant across industries, allant des smartphones, appareils intelligents, et systèmes sécurité domestique aux voitures connectées, villes intelligentes, et IoT industriel.

Avec la convergence de l'intelligence artificielle et l'IoT across nombreuses industries, l'intelligence additionnelle ajoute des défis autour de la sécurité, fiabilité, performance, et, bien sûr, coût. Ces puces doivent délivrer du traitement haute vitesse avec performance améliorée tout en réduisant la consommation. Certains fabricants adoptent aussi des techniques comme la compression avancée pour réduire la consommation et les modèles d'apprentissage automatique (ML).

Voici un échantillon de MPU et MCU ciblant applications IoT et IA convergées.

Visant une variété d'applications connectées, la famille de microcontrôleurs PIC18-Q43 de Microchip Technology Inc. intègre plus de périphériques noyau-indépendants configurables (CIP), qui déchargent beaucoup de tâches logicielles vers le matériel pour performance système plus rapide et time-to-market. Les CPI offrent plus de flexibilité de design lors de la création de fonctions matérielles personnalisées pour faciliter la personnalisation des configurations de design spécifiques. Ils sont conçus avec capacités additionnelles pour gérer tâches sans besoin d'intervention du CPU.

Les périphériques configurables sont interconnectés pour permettre un partage quasi-zéro-latence de données, entrées logiques, ou signaux analogiques sans code additionnel pour réponse système améliorée. Applications incluent variété de contrôle temps réel et applications connectées, incluant électroménagers, systèmes sécurité, contrôle moteur et industriel, éclairage, et IoT.

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

CIP incluant minuteurs, sortie PWM simplifiée, CLC, convertisseur analogique-numérique avec calcul (ADCC), et communications sérielles multiples permettent aux développeurs de réduire temps de développement et améliorer performance système. Le CLC permet aux développeurs d'adapter fonctions comme génération de forme d'onde et mesures de timing. Les CIP permettent aussi de réaliser des boucles de contrôle entières en matériel embarqué personnalisable, selon Microchip.

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

Optimisé pour sécurité et communications sans fil, Renesas Electronics Corp. a récemment lancé le RX23W — un MCU 32-bit avec Bluetooth 5.0 pour appareils endpoint IoT comme électroménagers et équipements santé. Le MCU inclut aussi le Trusted Secure IP de Renesas, featured dans sa famille RX MCU, pour adresser risques de sécurité Bluetooth comme écoute, falsification, et virus.

Le RX23W est basé sur le cœur RXv2 de Renesas, qui atteint la haute performance de 4,33 Coremark/MHz, avec unité à virgule flottante (FPU) et fonctions DSP améliorées. La puce opère à fréquence d'horloge max 54 MHz. Optimisé pour contrôle système et communication sans fil, le RX23W fournit prise en charge complète Bluetooth 5.0 Low Energy incluant longue portée et fonctions mesh networking et revendique la plus faible consommation de pointe en mode réception de l'industrie à 3 mA.

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

Le RX23W intègre aussi une gamme de fonctions périphériques pour équipements IoT, incluant sécurité, touchkey, USB, et fonctions CAN. Ces fonctions permettent au RX23W d'implémenter à la fois contrôle système et fonctions Bluetooth sans fil pour équipements endpoint IoT comme électroménagers, équipements santé, et équipements sport et fitness sur une seule puce, dit Renesas. En plus, les fonctions Bluetooth mesh le rendent optimal pour équipements IoT industriels collectant données capteurs dans usine ou bâtiment.

Le RX23W est disponible maintenant en packages 7 × 7-mm 56-broches QFN et 5,5 × 5,5-mm 85-broches BGA avec 512 ko de flash embarqué.

Visant aussi à délivrer meilleure protection pour appareils IoT connectés sont les MCU ultra-basse consommation STM32L5x2 de STMicroelectronics, basés sur le cœur Arm Cortex-M33 32-bit RISC avec sécurité matérielle Arm TrustZone. Le trusted computing authentifie les appareils connectés à un réseau en créant un environnement d'exécution protégé pour cyber-protection et code sensible (cryptographie et stockage clés) qui bloque tentatives de corrompre appareils ou logiciel, tandis qu'un second environnement d'exécution indépendant permet l'exécution de code non-fiable, dit la compagnie.

Avec les nouveaux MCU série STM32L5, opérant à fréquences d'horloge jusqu'à 110 MHz, ST permet aux concepteurs d'inclure ou exclure chaque I/O, périphérique, ou zone de flash ou SRAM de la protection TrustZone. Cela permet aux charges de travail sensibles d'être pleinement isolées pour sécurité maximale, dit ST.

En plus, TrustZone a été conçu pour supporter démarrage sécurisé, protection lecture/écriture spéciale pour SRAM et flash intégrés, et accélération cryptographique, incluant accélération matérielle clé AES 128-/256-bit, accélération clé publique (PKA), et déchiffrement AES-128 à la volée (OTFDEC), pour protéger code ou données externes. Autres fonctionnalités incluent détection de falsification active et installation firmware sécurisée. Ensemble, ces fonctions de sécurité délivrent certification PSA Certified Level 2.

Microcontrôleurs STM32L5 de STMicroelectronics (Image : STMicroelectronics)

La famille STM32L5 délivre aussi ultra-basse consommation grâce à l'addition de techniques comme scaling de tension adaptatif, accélération temps réel, power gating, et modes de fonctionnement réduite multiples. Ces techniques permettent aux MCU de délivrer haute performance et longs runtimes que les dispositifs soient alimentés par piles bouton ou même energy harvesting, dit ST.

Le régulateur abaisseur commuté peut aussi être mis sous/hors tension à la volée pour améliorer la performance basse consommation quand la tension VDD est assez haute. Les scores ULPMark, qui mesurent l'efficacité ultra-basse consommation basée sur benchmarks réels développés par EEMBC sont : 370 ULPMark-CoreProfile et 54 ULPMark-PeripheralProfile à 1,8 V.

Autres fonctionnalités MCU incluent flash dual-bank 512-Ko permettant opération read-while-write et supportant code correction d'erreur (ECC) avec diagnostics, SRAM 256-Ko, et support pour mémoire externe haute vitesse incluant SPI simple, dual, quad, ou octal et flash ou SRAM Hyperbus, ainsi qu'interface pour SRAM, PSRAM, NOR, NAND, ou FRAM.

Périphériques numériques incluent USB Full Speed avec alimentation dédiée, permettant aux clients de garder communication USB même quand système alimenté à 1,8 V, et contrôleur UCPD conforme USB Type-C Rev. 1.2 et USB Power Delivery Rev. 3.0. Fonctionnalités analogiques intelligentes incluent convertisseur analogique-numérique (ADC), deux convertisseurs numérique-analogique (DAC) power-gated, deux comparateurs ultra-basse consommation, et deux amplificateurs opérationnels avec routage follower externe ou interne et capacité amplificateur gain programmable (PGA).

La série STM32L5 offre son propre package logiciel STM32CubeL5 one-stop-shop, incluant couche d'abstraction matérielle et drivers bas niveau, FreeRTOS, Trusted Firmware-M (TF-M), Secure Boot et Secure Firmware Update (SBSFU), driver USB-PD, MbedTLS et MbedCrypto, système fichiers FatFS, et drivers Touch Sensing.

Les MCU STM32L5x2 sont bien adaptés pour applications IoT industriel, incluant comptage, santé (humain ou machine) monitoring, et point-de-vente mobile. Les MCU STM32L5x2 sont disponibles en grade température standard (−40°C à 85°C) pour applications grand public et commerciales ou grade haute température spécifié −40°C à 125°C.

IA et IoT convergés

S'appuyant sur sa plateforme IA, Arm a récemment introduit son processeur Cortex-M55 et unité de traitement neuronal (NPU) Ethos-U55, vantés comme le premier microNPU de l'industrie pour le Cortex-M. Pour applications ML exigeantes, le Cortex-M55 peut être associé à l'Ethos-U55 microNPU, qui ensemble délivrent une augmentation combinée de 480× en performance ML over processeurs Cortex-M existants.

Le Cortex-M55 est appelé le processeur Cortex-M le plus capable en IA et le premier basé sur l'architecture Armv8.1-M avec technologie de traitement vectoriel Arm Helium, qui délivre performance DSP et ML plus éco-énergétique. Le Cortex-M55 délivre jusqu'à 15× d'amélioration en performance ML et 5× d'augmentation en performance DSP, avec plus grande efficacité, comparé aux générations précédentes Cortex-M.

Une nouvelle fonctionnalité pour processeurs Cortex-M, les Arm Custom Instructions, sera disponible pour étendre les capacités du processeur pour optimisation de charge de travail spécifique, dit la compagnie.

L'Ethos-U55 est hautement configurable et spécifiquement conçu pour inférence ML dans appareils embarqués et IoT contraints en surface. Il offre des techniques de compression avancées pour économiser puissance et réduire tailles de modèles ML significativement pour permettre exécution de réseaux de neurones qui tournaient précédemment seulement sur systèmes plus larges, selon la compagnie.

Ces processeurs travaillent avec Arm TrustZone pour assurer que la sécurité peut être plus facilement incorporée dans le system-on-puce complet.

Conçu pour applications edge ultra-basse consommation, sécurisées, incluant audio, voix, et ML, la famille de MCU crossover i.MX RT600 de NXP Semiconductors comble l'écart entre haute performance et intégration tout en rencontrant exigences de coût pour traitement embarqué à l'edge. (Le i.MX RT1170 est gagnant des EP's 2019 Product of the Year Awards.)

L'expansion s'appuie sur les offres ML de la compagnie, incluant les récemment annoncés processeurs d'applications i.MX 8M Plus avec NPU dédié. C'est le premier dispositif dans la famille i.MX à intégrer un NPU dédié pour inférence apprentissage automatique avancé à l'edge industriel et IoT. Il package aussi un sous-système temps réel indépendant, double ISP caméra, DSP haute performance, et GPU 3D pour applications edge.

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

La famille de processeurs crossover multi-cœur i.MX RT600 dispose d'un Arm Cortex-M33 tournant jusqu'à 300 MHz et un DSP audio/voix Cadence Tensilica HiFi 4 optionnel tournant jusqu'à 600 MHz, avec quatre MACS et fonctions transcendantales et d'activation basées matériel.

Construit sur un processus 28-nm FD-SOI optimisé pour puissance active et fuite, le i.MX RT600 supporte les cœurs haute performance avec 4,5 Mo de SRAM low-leakage embarquée, configurée pour accès zero-wait state simultané, la rendant adaptée pour exécution temps réel d'applications basées audio/voix, ML, et réseaux de neurones.

Les MCU crossover disposent aussi d'EdgeLock, la technologie de sécurité embarquée avancée de NXP, et support ML utilisant le compilateur de réseau neuronal eIQ for Glow.

Fonctionnalités sécurité incluent démarrage sécurisé avec « racine de confiance » matérielle immuable, stockage clé unique basé SRAM physically unclonable function (PUF), authentification debug sécurisée basée certificat, accélération AES-256 et SHA2-256, et implémentation standard de sécurité DICE pour communication cloud-to-edge sécurisée. La puce inclut aussi un mécanisme optionnel de stockage clé racine basé fuse pour démarrage sécurisé et opérations crypto et une infrastructure à clé publique (PKI), ou cryptographie asymétrique, fournissant un accélérateur asymétrique dédié pour algorithmes ECC et RSA.

Les processeurs crossover incluent un sous-système audio/voix avec support jusqu'à huit canaux DMIC, avec matériel pour détection activation vocale (VAD) et jusqu'à huit périphériques I²S. Autres périphériques incluent SDIO pour communication sans fil, USB haute vitesse avec PHY embarqué, ADC 12 bits avec capteur température, et plusieurs interfaces sérielles incluant 50-Mbits/s SPI, I3C, et six interfaces sérielles configurables (USART, SPI, I2C, ou I2S) avec FIFO individuel et support requêtes service DMA.

NXP prévoit d'implémenter l'Ethos U-55 dans ses microcontrôleurs basés Cortex-M, MCU crossover, et sous-systèmes temps réel dans processeurs d'applications, ciblant appareils edge industriels et IoT contraints en ressources.

L'accélérateur d'apprentissage automatique Ethos-U55 hautement configurable travaille avec le cœur Cortex-M pour atteindre une empreinte petite, délivrant plus de 30× d'amélioration en performance d'inférence comparé à MCUs haute performance, dit NXP.

Revendiqué comme premier processeur IA multi-cœur pour applications capteurs embarqués, le processeur de capteur neuronal (NSP) ECM3532 d'Eta Compute Inc. dispose de la technologie brevetée Continuous Voltage Frequency Scaling (CVFS) de la compagnie et délivre aussi bas que 100-µW consommation active en applications always-on. Le NSP multicœur ECM3532 combine un MCU et un DSP, tous deux avec CVFS, pour optimiser l'exécution pour la meilleure efficacité, le rendant adapté pour nœuds capteurs IoT.

Conçu pour applications image et capteur always-on, le NSP d'Eta Compute offre une offre logicielle et matérielle complète. La plateforme délivre l'IA aux appareils edge et transforme données capteurs en information actionnable pour applications comme voix, activité, geste, son, image, température, pression, et biométrie. La plateforme résout défis en edge computing, incluant temps de réponse plus bas, sécurité accrue, et précision plus haute.

La plateforme IA autonome inclut un processeur multicœur, qui inclut mémoire flash, SRAM, I/O, périphériques, et plateforme de développement logiciel apprentissage automatique. Le CVFS augmente substantiellement performance et efficacité pour appareils edge. L'architecture CVFS auto-temporisée ajuste automatiquement et continûment taux d'horloge interne et tension d'alimentation pour maximiser l'efficacité énergétique pour la charge de travail donnée. L'ECM3532 est packagé en BGA 5 × 5-mm, 81-billes.