プロセッサーはIoTとAIのコンバージェンスに対応します

マイクロプロセッサ（MPU）およびマイクロコントローラ（MCU）のメーカーは、超低電力、より高速なシステムパフォーマンス、アクティブな改ざん検出や安全なファームウェアのインストールなどのセキュリティ強化に重点を置いた新しいデバイスを使用して、増大するモノのインターネットアプリケーションに対応し続けています。これらのチップは、低電力を消費しながら、ますます多くのセンサーからの大量のデータを処理する必要があります。消費電力を削減するために、チップメーカーは、適応型電圧スケーリング、パワーゲーティング、複数の低電力動作モードなどの技術を使用しています。

市場調査会社のStatistaによると、IoT接続デバイスの世界市場は2025年までに約386億台に達すると予測されており、2018年の220億台から増加しています。これらの接続されたデバイスは、スマートフォン、スマートアプライアンス、ホームセキュリティシステムから、コネクテッドカー、スマートシティ、産業用IoTに至るまで、さまざまな業界にまたがっています。

多くの業界で人工知能とIoTが融合しているため、追加のインテリジェンスにより、セキュリティ、信頼性、パフォーマンス、そしてもちろんコストに関するいくつかの課題が追加されます。これらのチップは、消費電力を削減しながら、パフォーマンスを向上させた高速処理を提供する必要があります。これらのチップメーカーの中には、消費電力を削減するための高度な圧縮や機械学習（ML）モデルなどの手法も採用しているものもあります。

これは、IoTとコンバージドAIアプリケーションを対象とするMPUとMCUのサンプルです。

Microchip Technology Inc.のPIC18-Q43ファミリのマイクロコントローラは、さまざまな接続アプリケーションを対象としており、より構成可能なコア独立周辺機器（CIP）を統合します。これにより、多くのソフトウェアタスクがハードウェアにオフロードされ、システムパフォーマンスと市場投入までの時間が短縮されます。 CPIは、カスタムハードウェアベースの機能を作成する際の設計の柔軟性を高め、開発者が特定の設計構成を簡単にカスタマイズできるようにします。これらは、CPUの介入を必要とせずにタスクを処理するための追加機能を備えて設計されています。

構成可能な周辺機器は相互接続されており、システム応答を改善するための追加コードなしで、データ、ロジック入力、またはアナログ信号のほぼゼロレイテンシの共有を可能にします。アプリケーションには、家電製品、セキュリティシステム、モーターおよび産業用制御、照明、IoTなど、さまざまなリアルタイム制御および接続アプリケーションが含まれます。

MicrochipのPIC18-Q43マイクロコントローラー（画像：Microchip Technology）

タイマー、簡略化されたパルス幅変調（PWM）出力、CLC、計算付きアナログ-デジタルコンバーター（ADCC）、および複数のシリアル通信を含むCIPにより、開発者は開発時間を短縮し、システムパフォーマンスを向上させることができます。 CLCを使用すると、開発者は波形生成やタイミング測定などの機能を調整できます。マイクロチップ社によると、CIPにより、制御ループ全体をカスタマイズ可能なオンチップハードウェアで実現することもできます。

PIC18-Q43製品ファミリは、さまざまなメモリサイズ、パッケージ、および価格でご利用いただけます。

ルネサスエレクトロニクスは、セキュリティとワイヤレス通信向けに最適化されたRX23Wを最近発売しました。これは、家電製品や医療機器などのIoTエンドポイントデバイス向けのBluetooth5.0を備えた32ビットMCUです。 MCUには、盗聴、改ざん、ウイルスなどのBluetoothセキュリティリスクに対処するために、RXMCUファミリに搭載されているルネサスのTrustedSecureIPも含まれています。

RX23Wは、ルネサスのRXv2コアをベースにしており、浮動小数点ユニット（FPU）とDSP機能が改善され、4.33コアマーク/ MHzの高性能を実現しています。チップは54MHzの最大クロック周波数で動作します。 RX23Wは、システム制御とワイヤレス通信用に最適化されており、長距離およびメッシュネットワーク機能を含む完全なBluetooth 5.0低エネルギーサポートを提供し、3mAで業界最低レベルの受信モードのピーク消費電力を主張します。

Bluetooth5.0を搭載したルネサスのRX23W32ビットマイクロコントローラー（画像：ルネサスエレクトロニクス）

RX23Wは、セキュリティ、タッチキー、USB、CAN機能など、IoT機器のさまざまな周辺機能も統合しています。これらの機能により、RX23Wは、家電製品、ヘルスケア機器、スポーツおよびフィットネス機器などのIoTエンドポイント機器のシステム制御とBluetoothワイヤレス機能の両方を1つのチップに実装できます。さらに、Bluetoothメッシュ機能により、工場や建物でセンサーデータを収集する産業用IoT機器に最適です。

RX23Wは現在、512KBのオンチップフラッシュメモリを備えた7×7mm56ピンQFNおよび5.5×5.5mm85ピンBGAパッケージで提供されています。

また、IoT接続デバイスの保護を強化することを目的としたのは、ArmTrustZoneハードウェアベースのセキュリティを備えたArmCortex-M3332ビットRISCコアに基づくSTMicroelectronics超低電力STM32L5x2MCUです。トラステッドコンピューティングは、サイバー保護のための保護された実行環境と、デバイスまたはソフトウェアの破損の試みをブロックする機密コード（暗号化およびキーストレージ）を作成することにより、ネットワークに接続されたデバイスを認証します。一方、2番目の独立した実行環境は、信頼できないコードの実行を可能にします。 、会社は言った。

STは、110 MHzまでのクロック周波数で動作する新しいSTM32L5シリーズMCUを使用して、設計者が各I / O、周辺機器、またはフラッシュまたはSRAMの領域をTrustZone保護に含めたり除外したりできるようにします。これにより、機密性の高いワークロードを完全に分離してセキュリティを最大限に高めることができます。

さらに、TrustZoneは、安全なブート、統合されたSRAMとフラッシュの特別な読み取りと書き込みの保護、およびAES 128- / 256ビットキーハードウェアアクセラレーション、公開キーアクセラレーション（PKA）、AES-を含む暗号化アクセラレーションをサポートするように設計されています。外部コードまたはデータを保護するための128オンザフライ復号化（OTFDEC）。その他の機能には、アクティブな改ざん検出と安全なファームウェアのインストールが含まれます。これらのセキュリティ機能を組み合わせることで、PSA認定レベル2の認定が提供されます。

STMicroelectronicsのSTM32L5マイクロコントローラー（画像：STMicroelectronics）

STM32L5ファミリは、適応型電圧スケーリング、リアルタイムアクセラレーション、パワーゲーティング、複数の低電力動作モードなどの技術の追加により、超低電力も提供します。これらの技術により、MCUは、デバイスがコイン電池から電力を供給されているか、環境発電でさえ電力を供給されているかにかかわらず、高性能で長いランタイムを実現できます。

スイッチモード降圧レギュレータは、VDD電圧が十分に高い場合に低電力性能を向上させるために、オンザフライでパワーアップまたはパワーダウンすることもできます。 ULPMark EEMBCによって開発された実際のベンチマークに基づいて超低電力効率を測定するスコアは次のとおりです。1.8Vで370ULPMark-CoreProfileおよび54ULPMark-PeripheralProfile。

その他のMCU機能には、書き込み中の読み取り操作を可能にし、診断付きのエラー訂正コード（ECC）をサポートする512 Kバイトのデュアルバンクフラッシュ、256 KバイトのSRAM、およびシングル、デュアル、クワッドを含む高速外部メモリのサポートが含まれます。 、またはオクタルSPIおよびHyperbusフラッシュまたはSRAM、およびSRAM、PSRAM、NOR、NAND、またはFRAMのインターフェイス。

デジタル周辺機器には、システムに1.8 Vの電力が供給されている場合でもUSB通信を維持できる専用電源付きのUSBフルスピード、およびUSB Type-C Rev.1.2およびUSBPower Delivery Rev.3.0仕様に準拠したUCPDコントローラーが含まれます。スマートアナログ機能には、アナログ-デジタルコンバーター（ADC）、2つのパワーゲーティングデジタル-アナログコンバーター（DAC）、2つの超低電力コンパレーター、および外部または内部フォロワールーティングとプログラム可能な2つのオペアンプが含まれます。ゲインアンプ（PGA）機能。

STM32L5シリーズは、独自のSTM32CubeL5ワンストップショップソフトウェアパッケージを提供します。これには、ハードウェアアブストラクションレイヤーと低レベルドライバー、FreeRTOS、Trusted Firmware-M（TF-M）、SecureBootおよびSecureFirmware Update（SBSFU）、USB-が含まれます。 PDデバイスドライバー、MbedTLSおよびMbedCrypto、FatFSファイルシステム、およびタッチセンシングドライバー。

STM32L5x2 MCUは、計測、ヘルス（人間または機械）の監視、モバイルPOSなどの産業用IoTアプリケーションに最適です。 STM32L5x2 MCUは、民生用および商用アプリケーション向けの標準温度グレード（-40°C〜85°C）、または-40°C〜125°Cで指定された高温グレードで利用できます。

AIとIoTの統合

Armは、AIプラットフォーム上に構築され、最近、Cortex-MプロセッサとEthos-U55ニューラルプロセッシングユニット（NPU）を発表しました。これは、Cortex-M用の業界初のmicroNPUとして宣伝されています。要求の厳しいMLアプリケーションの場合、Cortex-M55をEthos-U55 microNPUと組み合わせることができます。これにより、既存のCortex-MプロセッサよりもMLパフォーマンスが480倍向上します。

Cortex-M55は、最もAI対応のCortex-Mプロセッサと呼ばれ、Arm Heliumベクトル処理テクノロジを備えたArmV8.1-Mアーキテクチャに基づく最初のプロセッサであり、よりエネルギー効率の高いDSPおよびMLパフォーマンスを提供します。 Cortex-M55は、以前のCortex-M世代と比較して、MLパフォーマンスが最大15倍向上し、DSPパフォーマンスが5倍向上し、効率が向上します。

同社によれば、Cortex-Mプロセッサの新機能であるArm Custom Instructionsは、特定のワークロードを最適化するためのプロセッサ機能を拡張するために利用できるようになります。

Ethos-U55は高度に構成可能であり、エリアに制約のある組み込みおよびIoTデバイスでのML推論用に特別に設計されています。同社によれば、電力を節約し、MLモデルのサイズを大幅に縮小して、以前は大規模なシステムでのみ実行されていたニューラルネットワークの実行を可能にする高度な圧縮技術を提供します。

これらのプロセッサはArmTrustZoneと連携して、セキュリティを完全なシステムオンチップに簡単に組み込むことができるようにします。

オーディオ、音声、MLなどの超低電力で安全なエッジアプリケーション向けに設計されたNXPセミコンダクターズのi.MX RT600クロスオーバーMCUファミリは、エッジでの組み込み処理のコスト要件を満たしながら、高性能と統合の間のギャップを埋めます。 （i.MX RT1170は、EPの2019 Product of the Year Awardsを受賞しています。）

この拡張は、専用のNPUを備えた最近発表されたi.MX 8M Plusアプリケーションプロセッサを含む、同社のML製品に基づいています。これは、産業およびIoTエッジで高度な機械学習推論のための専用NPUを統合したi.MXファミリーの最初のデバイスです。また、独立したリアルタイムサブシステム、デュアルカメラISP、高性能DSP、エッジアプリケーション用の3DGPUをパッケージ化しています。

NXPのi.MXRT600開発ボード（画像：NXPセミコンダクターズ）

i.MX RT600マルチコアクロスオーバープロセッサフ​​ァミリは、最大300MHzで動作するArmCortex-M33と、最大600MHzで動作するオプションのCadenceTensilica HiFi 4オーディオ/音声デジタルシグナルプロセッサ（DSP）を備え、4つのMACSとハードウェアを備えています-ベースの超越機能とアクティベーション機能。

i.MXRT600はアクティブパワーとリークパワー用に最適化された28nm FD-SOIプロセスに基づいて構築されており、同時ゼロウェイト状態用に構成された4.5MBのオンチップ低リークSRAMを備えた高性能コアをサポートします。アクセスし、オーディオ/音声、ML、およびニューラルネットワークベースのアプリケーションのリアルタイム実行に適しています。

クロスオーバーMCUは、EdgeLock、NXPの高度な組み込みセキュリティテクノロジー、およびeIQ forGlowニューラルネットワークコンパイラを使用したMLサポートも備えています。

セキュリティ機能には、不変のハードウェア「信頼のルート」を備えたセキュアブート、SRAM物理アンクローン機能（PUF）ベースの一意キーストレージ、証明書ベースのセキュアデバッグ認証、AES-256およびSHA2-256アクセラレーション、およびセキュアのためのDICEセキュリティ標準実装が含まれます。クラウドからエッジへの通信。このチップには、安全なブートおよび暗号化操作のためのオプションのヒューズベースのルートキーストレージメカニズムと、ECCおよびRSAアルゴリズム専用の非対称アクセラレータを提供する公開キーインフラストラクチャ（PKI）または非対称暗号化も含まれています。

クロスオーバープロセッサには、最大8つのDMICチャネルをサポートするオーディオ/音声サブシステム、音声アクティベーション検出（VAD）用のハードウェアおよび最大8つのI ² が含まれます。 S周辺機器。その他の周辺機器には、ワイヤレス通信用のSDIO、オンチップPHYを備えた高速USB、温度センサーを備えた12ビットADC、および50 Mbits / s SPI、I3C、6つの構成可能なシリアルインターフェイス（USART、SPI）を含むいくつかのシリアルインターフェイスが含まれます。 、I2C、またはI2S）、個別のFIFOおよびDMAサービス要求をサポートします。

NXPは、Ethos U-55をCortex-Mベースのマイクロコントローラー、クロスオーバーMCU、およびアプリケーションプロセッサーのリアルタイムサブシステムに実装し、リソースに制約のある産業用およびIoTエッジデバイスをターゲットにすることを計画しています。

高度に構成可能なEthos-U55機械学習アクセラレーターは、Cortex-Mコアと連携して小さなフットプリントを実現し、高性能MCUと比較して推論パフォーマンスを30倍以上向上させるとNXPは述べています。

組み込みセンサーアプリケーション向けの最初のAIマルチコアプロセッサとして主張されているEtaCompute Inc.のECM3532ニューラルセンサープロセッサ（NSP）は、同社の特許取得済みの連続電圧周波数スケーリング（CVFS）を備えており、常に100μWの有効電力消費を実現します。アプリケーションで。 ECM3532マルチコアNSPは、MCUとDSPを両方ともCVFSと組み合わせて、実行を最適化して最高の効率を実現し、IoTセンサーノードに適しています。

常時接続の画像およびセンサーアプリケーション向けに設計されたEtaComputeのNSPは、完全なソフトウェアとハ​​ードウェアを提供します。このプラットフォームは、AIをエッジデバイスに配信し、センサーデータを、音声、アクティビティ、ジェスチャー、サウンド、画像、温度、圧力、生体認証などのアプリケーション向けの実用的な情報に変換します。このプラットフォームは、応答時間の短縮、セキュリティの向上、精度の向上など、エッジコンピューティングの課題を解決します。

スタンドアロンAIプラットフォームには、フラッシュメモリ、SRAM、I / O、周辺機器、機械学習ソフトウェア開発プラットフォームを含むマルチコアプロセッサが含まれています。 CVFSは、エッジデバイスのパフォーマンスと効率を大幅に向上させます。セルフタイムCVFSアーキテクチャは、内部クロックレートと供給電圧を自動的かつ継続的に調整して、特定のワークロードのエネルギー効率を最大化します。 ECM3532は、5×5 mm、81ボールのBGAにパッケージ化されています。