プロセッサがIoTとAIのシームレスな統合を強化

マイクロプロセッサ（MPU）とマイクロコントローラー（MCU）メーカーは、超低消費電力、より高速なシステム性能、アクティブタンパー検出とセキュアファームウェアインストールを含む強化されたセキュリティに焦点を当てた新デバイスで、成長するIoT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、より多くのセンサーからの大量データを処理しながら低消費電力を維持する必要があります。消費電力削減のため、チップメーカーは適応電圧スケーリング、パワーゲーティング、複数の低消費電力動作モードなどの技術を使用しています。

IoT接続デバイスのグローバル市場は、市場調査会社Statistaによると、2018年の220億台から2025年までに約386億台に達すると予測されています。これらの接続デバイスは今や、スマートフォン、スマート家電、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まで、産業横断的に広がっています。

多くの産業で人工知能とIoTの融合が進む中、追加のインテリジェンスはセキュリティ、信頼性、性能、そしてもちろんコストの面でいくつかの課題をもたらします。これらのチップは、消費電力を削減しながら高速処理と強化された性能を提供する必要があります。これらのチップメーカーの一部は、高度な圧縮技術を採用して消費電力と機械学習（ML）モデルを削減しています。

ここでは、IoTと融合AIアプリケーションをターゲットとするMPUとMCUのサンプリングを紹介します。

多様な接続アプリケーションをターゲットとし、Microchip Technology Inc.のPIC18-Q43ファミリは、より多くの設定可能なコア独立ペリフェラル（CIP）を統合し、多くのソフトウェアタスクをハードウェアにオフロードすることで、より高速なシステム性能と市場投入時間を実現。CPIは、開発者が特定の設計設定をカスタマイズしやすくするカスタムハードウェアベースの機能作成時に、より大きな設計柔軟性を提供。CPUの介入なしでタスクを処理する追加機能で設計されています。

設定可能なペリフェラルは相互接続され、追加コードなしでデータ、ロジック入力、アナログ信号のニアゼロレイテンシ共有を可能にし、システム応答を改善。アプリケーションには、ホーム家電、セキュリティシステム、モーターおよび産業制御、照明、IoTを含む多様なリアルタイム制御と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、簡易パルス幅変調（PWM）出力、CLC、演算機能付きアナログ-デジタルコンバータ（ADCC）、複数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性能を向上可能。CLCにより開発者は波形生成とタイミング測定などの機能を調整可能。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可能、とMicrochipは述べています。

PIC18-Q43製品ファミリは、多様なメモリサイズ、パッケージ、価格帯で提供されています。

セキュリティとワイヤレス通信に最適化され、Renesas Electronics Corp.は最近、IoTエンドポイントデバイス（家電やヘルスケア機器など）向けにBluetooth 5.0搭載の32ビットMCU「RX23W」を発表。このMCUには、RX MCUファミリで特徴的なRenesasのTrusted Secure IPも含まれ、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します。

RX23WはRenesasのRXv2コアベースで、4.33 Coremark/MHzの高性能を達成し、改良された浮動小数点ユニット（FPU）とDSP機能を備えます。チップは最大54 MHzのクロック周波数で動作。システム制御とワイヤレス通信に最適化され、RX23Wはロングレンジとメッシュネットワーキング機能を含む完全なBluetooth 5.0 Low Energyサポートを提供し、業界最低レベルの受信モードピーク消費電力3 mAを主張しています。

RenesasのRX23W 32ビットマイクロコントローラー（Bluetooth 5.0搭載）（画像: Renesas Electronics）

RX23Wはまた、セキュリティ、タッチキー、USB、CAN機能を含むIoT機器向けの多様なペリフェラル機能を統合。これらの機能により、RX23Wは単一チップでシステム制御とBluetoothワイヤレス機能の両方をIoTエンドポイント機器（家電、ヘルスケア機器、スポーツ・フィットネス機器など）に実装可能、とRenesasは述べています。さらに、Bluetoothメッシュ機能により、工場やビル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、7×7 mm 56ピンQFNと5.5×5.5 mm 85ピンBGAパッケージで、512 KBオンチップフラッシュメモリ付きで提供中です。

また、IoT接続デバイスのより良い保護を目指すSTMicroelectronicsの超低消費電力STM32L5x2 MCUは、Arm TrustZoneハードウェアベースセキュリティを備えたArm Cortex-M33 32ビットRISCコアベースです。トラステッドコンピューティングが、ネットワーク接続デバイスを認証し、サイバー保護と機密コード（暗号化と鍵ストレージ）のための保護された実行環境を作成することで、デバイスやソフトウェアの破損試みをブロックし、第2の独立した実行環境で信頼できないコードの実行を可能にします、と同社。

新しいSTM32L5シリーズMCUでは、最大110 MHzのクロック周波数で動作し、STは設計者が各I/O、ペリフェラル、フラッシュまたはSRAMの領域をTrustZone保護から含めたり除外したりできるようにし、機密ワークロードを最大セキュリティで完全に分離可能にします、とSTは述べています。

さらに、TrustZoneはセキュアブート、統合SRAMとフラッシュの特別な読み出し/書き込み保護、AES 128/256ビット鍵ハードウェアアクセラレーション、公開鍵アクセラレーション（PKA）、AES-128オンザフライ復号化（OTFDEC）を含む暗号化アクセラレーションをサポートするよう設計されており、外部コードやデータを保護。その他の機能には、アクティブタンパー検出とセキュアファームウェアインストールが含まれます。これらのセキュリティ機能が合わさって、PSA Certified Level 2認証を提供します。

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

STM32L5ファミリはまた、適応電圧スケーリング、リアルタイムアクセラレーション、パワーゲーティング、複数の低消費電力動作モードなどの技術追加により超低消費電力を実現。これらの技術により、デバイスがコインセルやエナジーハーベスティングで駆動される場合でも、高性能と長時間稼働を両立、とSTは述べています。

スイッチモード降圧レギュレータも、VDD電圧が十分高いときにオン/オフを切り替え可能で、低消費電力性能を改善。ULPMarkスコア（EEMBC開発の実世界ベンチマークベースの超低消費電力効率測定）は、1.8 Vで370 ULPMark-CoreProfileと54 ULPMark-PeripheralProfileです。

その他のMCU機能には、リードホイルライト操作を可能にし、診断付きエラー訂正コード（ECC）をサポートする512 KBデュアルバンクフラッシュ、256 KB SRAM、シングル、デュアル、クアッド、オクタルSPIおよびHyperbusフラッシュまたはSRAM、SRAM、PSRAM、NOR、NAND、FRAMインターフェースを含む高速外部メモリサポートが含まれます。

デジタルペリフェラルには、専用電源付きUSB Full Speedが含まれ、システムが1.8 Vで駆動されていてもUSB通信を維持可能。UCPDコントローラーがUSB Type-C Rev. 1.2とUSB Power Delivery Rev. 3.0仕様に準拠。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（ADC）、2つのパワーゲート付きデジタル-アナログコンバータ（DAC）、2つの超低消費電力コンパレータ、外部または内部フォロワールーティングとプログラマブルゲインアンプ（PGA）機能を備えた2つのオペアンプが含まれます。

STM32L5シリーズは、ハードウェア抽象化レイヤーとローレベルドライバー、FreeRTOS、Trusted Firmware-M（TF-M）、Secure BootとSecure Firmware Update（SBSFU）、USB-PDデバイスドライバー、MbedTLSとMbedCrypto、FatFSファイルシステム、タッチセンシングドライバーを含む、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。

STM32L5x2 MCUは、メータリング、ヘルス（人間または機械）モニタリング、モバイルPOSなどの産業用IoTアプリケーションに適しています。STM32L5x2 MCUは、コンシューマーおよび商用アプリケーション向け標準温度グレード（-40°C〜85°C）またはハイテンパレードグレード（-40°C〜125°C）で提供されます。

融合したAIとIoT

AIプラットフォームを基盤に、Armは最近Cortex-M55プロセッサとEthos-U55ニューラル処理ユニット（NPU）を発表し、Cortex-M向け業界初のマイクロNPUと謳っています。要求の厳しいMLアプリケーション向けに、Cortex-M55をEthos-U55マイクロNPUと組み合わせると、既存Cortex-Mプロセッサ比で合わせて480倍のML性能向上を実現します。

Cortex-M55は、最もAI対応能力の高いCortex-Mプロセッサと呼ばれ、Armv8.1-Mアーキテクチャに基づく初の製品で、Arm Heliumベクトル処理技術を搭載し、よりエネルギー効率の良いDSPとML性能を提供。Cortex-M55は、前世代Cortex-M比で最大15倍のML性能向上と5倍のDSP性能向上を、より高い効率で実現します。

Cortex-Mプロセッサの新機能であるArm Custom Instructionsが、特定ワークロード最適化のためのプロセッサ能力拡張に利用可能になる予定、と同社。

Ethos-U55は高度に設定可能で、面積制約のある組み込みおよびIoTデバイスでのML推論向けに特別に設計。高度な圧縮技術で電力を節約し、MLモデルサイズを大幅に削減し、以前はより大型システムでのみ実行可能だったニューラルネットワークの実行を可能にします、と同社。

これらのプロセッサはArm TrustZoneと連携し、セキュリティを完全なシステムオンチップにより容易に組み込めるようにします。

超低消費電力、セキュアなエッジアプリケーション（オーディオ、音声、ML）向けに設計されたNXP Semiconductorsのi.MX RT600クロスオーバーMCUファミリは、高性能と統合のギャップを埋め、エッジでの組み込み処理のコスト要件を満たします。（i.MX RT1170はEPの2019年Product of the Year Awards受賞。）

この拡張は、最近発表された専用NPU搭載i.MX 8M Plusアプリケーションプロセッサを含む同社のML提供を基盤としています。これは、産業およびIoTエッジでの高度な機械学習推論のために専用NPUを統合したi.MXファミリ初のデバイスです。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、3D GPUをエッジアプリケーション向けにパッケージ化しています。

NXPのi.MX RT600開発ボード（画像: NXP Semiconductors）

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300 MHzで動作するArm Cortex-M33と、オプションで最大600 MHzで動作するCadence Tensilica HiFi 4オーディオ/音声デジタル信号プロセッサ（DSP）（4 MACとハードウェアベース超越関数と活性化関数付き）を搭載。

アクティブとリーク電力に最適化された28 nm FD-SOIプロセス上に構築され、i.MX RT600は4.5 MBのオンチップ低リークSRAMで高性能コアをサポートし、これは同時ゼロウェイトステートアクセス用に設定されており、オーディオ/音声、ML、ニューラルネットワークベース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はまた、NXPの先進組み込みセキュリティテクノロジーEdgeLockと、eIQ for Glowニューラルネットワークコンパイラを使用したMLサポートを搭載。

セキュリティ機能には、不変ハードウェア「ルートオブトラスト」によるセキュアブート、SRAM物理的にクローン不可能な機能（PUF）ベースのユニーク鍵ストレージ、証明書ベースセキュアデバッグ認証、AES-256とSHA2-256アクセラレーション、クラウドツーエッジセキュア通信のためのDICEセキュリティ標準実装が含まれます。チップにはまた、セキュアブートと暗号操作用のオプションのヒューズベースルート鍵ストレージメカニズムと、公開鍵基盤（PKI）、または非対称暗号化が含まれ、ECCとRSAアルゴリズム用の専用非対称アクセラレータを提供。

クロスオーバープロセッサには、最大8 DMICチャネルサポート付きオーディオ/音声サブシステム、音声活性化検出（VAD）用ハードウェア、最大8 I²Sペリフェラルが含まれます。その他のペリフェラルには、ワイヤレス通信用SDIO、オンチップPHY付き高速USB、温度センサー付き12ビットADC、個別FIFOとDMAサービスリクエストサポート付き50 Mbits/s SPI、I3C、6つの設定可能シリアルインターフェース（USART、SPI、I2C、またはI2S）が含まれます。

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、アプリケーションプロセッサのリアルタイムサブシステムに実装し、リソース制約のある産業およびIoTエッジデバイスをターゲットとする予定です。

高度に設定可能なEthos-U55機械学習アクセラレータは、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比で30倍以上の推論性能向上を提供します、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初のAIマルチコアプロセッサと謳われるEta Compute Inc.のECM3532ニューラルセンサープロセッサ（NSP）は、同社特許のContinuous Voltage Frequency Scaling（CVFS）を搭載し、常時オンアプリケーションで100 µWという低いアクティブ消費電力を実現。ECM3532マルチコアNSPは、MCUとDSPの両方にCVFSを搭載し、最高効率で実行を最適化し、IoTセンサーノードに適しています。

常時オン画像とセンサーアプリケーション向けに設計されたEta ComputeのNSPは、完全なソフトウェアとハードウェア提供を提供。プラットフォームはエッジデバイスにAIをもたらし、センサーデータを音声、活動、ジェスチャー、音、画像、温度、圧力、生体認証などのアプリケーション向けに実用的な情報に変換。プラットフォームはエッジコンピューティングの課題——より低い応答時間、セキュリティ向上、精度向上——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、ペリフェラル、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ます。CVFSがエッジデバイスの性能と効率を大幅に向上。自己タイミングCVFSアーキテクチャが、与えられたワークロードのエネルギー効率を最大化するために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。ECM3532は5×5 mm、81ボールBGAパッケージ。