处理器解决物联网和人工智能的融合

微处理器 (MPU) 和微控制器 (MCU) 制造商继续通过专注于超低功耗、更快系统性能和增强安全性（包括主动篡改检测和安全固件安装）的新设备来应对不断增长的物联网应用。这些芯片需要在低功耗的同时处理来自越来越多传感器的大量数据。为了降低功耗，芯片制造商正在使用自适应电压缩放、电源门控和多种低功耗工作模式等技术。

根据市场研究公司 Statista 的数据，到 2025 年，全球物联网连接设备市场预计将达到约 386 亿台，高于 2018 年的 220 亿台。这些互联设备现在跨越多个行业，从智能手机、智能电器和家庭安全系统到互联汽车、智慧城市和工业物联网。

随着人工智能和物联网在许多行业的融合，额外的智能增加了安全性、可靠性、性能，当然还有成本方面的挑战。这些芯片需要在降低功耗的同时提供具有增强性能的高速处理。其中一些芯片制造商还采用高级压缩等技术来降低功耗和机器学习 (ML) 模型。

以下是针对 IoT 和融合 AI 应用的 MPU 和 MCU 示例。

Microchip Technology Inc. 的 PIC18-Q43 系列微控制器针对各种互联应用，集成了更多可配置的内核独立外设 (CIP)，可将许多软件任务卸载到硬件上，从而加快系统性能并缩短上市时间。在创建基于硬件的自定义功能时，CPI 提供了更大的设计灵活性，使开发人员可以更轻松地自定义其特定的设计配置。它们的设计具有额外的功能，无需 CPU 干预即可处理任务。

可配置的外设相互连接，以允许数据、逻辑输入或模拟信号的近零延迟共享，而无需额外代码以改进系统响应。应用包括各种实时控制和连接应用，包括家用电器、安全系统、电机和工业控制、照明和物联网。

Microchip 的 PIC18-Q43 微控制器（图片：Microchip Technology）

CIP 包括定时器、简化的脉宽调制 (PWM) 输出、CLC、带计算功能的模数转换器 (ADCC) 和多个串行通信，使开发人员能够缩短开发时间并提高系统性能。 CLC 允许开发人员定制波形生成和时序测量等功能。 Microchip 表示，CIP 还可以在可定制的片上硬件中实现整个控制回路。

PIC18-Q43 产品系列提供多种存储器尺寸、封装和价位。

针对安全和无线通信进行了优化，瑞萨电子公司最近推出了 RX23W，这是一款带有蓝牙 5.0 的 32 位 MCU，用于家用电器和医疗保健设备等物联网端点设备。 MCU 还包括瑞萨电子的可信安全 IP，在其 RX MCU 系列中具有特色，以解决蓝牙安全风险，例如窃听、篡改和病毒。

RX23W基于瑞萨电子RXv2内核，实现了4.33 Coremark/MHz的高性能，并改进了浮点单元（FPU）和DSP功能。该芯片的最大时钟频率为 54 MHz。 RX23W 针对系统控制和无线通信进行了优化，提供完整的蓝牙 5.0 低功耗支持，包括远程和网状网络功能，并声称在 3 mA 时达到业界最低水平的接收模式峰值功耗。

瑞萨电子的 RX23W 32 位微控制器，支持蓝牙 5.0（图片：瑞萨电子）

RX23W 还为物联网设备集成了一系列外围功能，包括安全、触摸键、USB 和 CAN 功能。瑞萨电子表示，这些功能使 RX23W 能够在单个芯片上实现家用电器、医疗保健设备、运动健身设备等物联网端点设备的系统控制和蓝牙无线功能。此外，蓝牙网状网络功能使其成为收集工厂或建筑物中传感器数据的工业物联网设备的最佳选择。

RX23W 现已提供 7 × 7 毫米 56 引脚 QFN 和 5.5 × 5.5 毫米 85 引脚 BGA 封装，具有 512 KB 片上闪存。

同样旨在为物联网连接设备提供更好保护的还有意法半导体的超低功耗 STM32L5x2 MCU，它基于 Arm Cortex-M33 32 位 RISC 内核和 Arm TrustZone 基于硬件的安全性。可信计算通过为网络保护和敏感代码（加密和密钥存储）创建受保护的执行环境来验证连接到网络的设备，以阻止破坏设备或软件的尝试，而第二个独立的执行环境允许运行不受信任的代码，公司说。

借助新的 STM32L5 系列 MCU，在高达 110 MHz 的时钟频率下运行，ST 使设计人员能够在 TrustZone 保护中包括或排除每个 I/O、外设或闪存或 SRAM 区域。 ST 表示，这允许完全隔离敏感工作负载以获得最大安全性。

此外，TrustZone 旨在支持安全启动、集成 SRAM 和闪存的特殊读取和写入保护以及加密加速，包括 AES 128-/256 位密钥硬件加速、公钥加速 (PKA) 和 AES- 128 即时解密 (OTFDEC)，以保护外部代码或数据。其他功能包括主动篡改检测和安全固件安装。这些安全功能共同提供了 PSA 认证级别 2 的认证。

STMicroelectronics 的 STM32L5 微控制器（图片：STMicroelectronics）

由于增加了自适应电压缩放、实时加速、电源门控和多种低功耗操作模式等技术，STM32L5 系列还提供超低功耗。 ST 表示，这些技术使 MCU 能够提供高性能和长运行时间，无论设备是由纽扣电池供电还是由能量收集供电。

当 VDD 电压足够高时，开关模式降压稳压器也可以即时上电或断电，以提高低功耗性能。 ULP 标志 根据 EEMBC 开发的实际基准来衡量超低功耗效率的分数是：370 ULPMark-CoreProfile 和 54 ULPMark-PeripheralProfile at 1.8 V。

其他 MCU 功能包括 512 KB 双组闪存，允许边读边写操作并支持带有诊断功能的纠错码 (ECC)、一个 256 KB SRAM 以及对高速外部存储器的支持，包括单、双、四，或八进制SPI和Hyperbus flash或SRAM，以及用于SRAM、PSRAM、NOR、NAND或FRAM的接口。

数字外设包括带专用电源的 USB 全速，即使系统以 1.8 V 供电，客户也能保持 USB 通信，以及符合 USB Type-C Rev. 1.2 和 USB Power Delivery Rev. 3.0 规范的 UCPD 控制器。智能模拟功能包括一个模数转换器 (ADC)、两个电源门控数模转换器 (DAC)、两个超低功耗比较器和两个具有外部或内部跟随器路由和可编程的运算放大器-增益放大器 (PGA) 能力。

STM32L5 系列提供自己的 STM32CubeL5 一站式软件包，其中包括硬件抽象层和底层驱动程序、FreeRTOS、可信固件-M (TF-M)、安全启动和安全固件更新 (SBSFU)、USB- PD 设备驱动程序、MbedTLS 和 MbedCrypto、FatFS 文件系统和 Touch Sensing 驱动程序。

STM32L5x2 MCU 非常适合工业物联网应用，包括计量、健康（人或机器）监控和移动销售点。 STM32L5x2 MCU 可提供用于消费和商业应用的标准温度等级（-40°C 至 85°C）或指定为 -40°C 至 125°C 的高温等级。

融合人工智能和物联网

基于其人工智能平台，Arm 最近推出了 Cortex-M55 处理器和 Ethos-U55 神经处理单元 (NPU)，被誉为业界第一个用于 Cortex-M 的微型 NPU。对于要求严苛的 ML 应用，Cortex-M55 可以与 Ethos-U55 microNPU 搭配使用，与现有 Cortex-M 处理器相比，它们共同提供了 480 倍的 ML 性能提升。

Cortex-M55 被称为最具 AI 能力的 Cortex-M 处理器，也是第一个基于 Armv8.1-M 架构和 Arm Helium 矢量处理技术的处理器，可提供更节能的 DSP 和 ML 性能。与前几代 Cortex-M 相比，Cortex-M55 的机器学习性能提高了 15 倍，DSP 性能提高了 5 倍，而且效率更高。

该公司表示，Cortex-M 处理器的一项新功能 Arm 自定义指令将可用于扩展处理器功能以优化特定的工作负载。

Ethos-U55 具有高度可配置性，专为区域受限的嵌入式和物联网设备中的机器学习推理而设计。据该公司称，它提供了先进的压缩技术来节省能源并显着减少 ML 模型的大小，从而能够执行以前只能在大型系统上运行的神经网络。

这些处理器与 Arm TrustZone 协同工作，以确保可以更轻松地将安全性整合到完整的片上系统中。

NXP Semiconductors 的 i.MX RT600 跨界 MCU 系列专为超低功耗、安全的边缘应用（包括音频、语音和机器学习）而设计，弥补了高性能和集成之间的差距，同时满足了边缘嵌入式处理的成本要求。 （i.MX RT1170 获得了 EP 的 2019 年度产品奖。）

此次扩展建立在公司的机器学习产品之上，包括最近发布的带有专用 NPU 的 i.MX 8M Plus 应用处理器。这是 i.MX 系列中第一款集成专用 NPU 以在工业和物联网边缘进行高级机器学习推理的设备。还为边缘应用封装了独立的实时子系统、双摄像头ISP、高性能DSP和3D GPU。

NXP 的 i.MX RT600 开发板（图片来源：NXP Semiconductors）

i.MX RT600 多核跨界处理器系列具有运行高达 300 MHz 的 Arm Cortex-M33 和运行高达 600 MHz 的可选 Cadence Tensilica HiFi 4 音频/语音数字信号处理器 (DSP)，具有四个 MACS 和硬件-基于超越函数和激活函数。

i.MX RT600 基于针对有源和泄漏功率优化的 28 纳米 FD-SOI 工艺，支持具有 4.5 MB 片上低泄漏 SRAM 的高性能内核，该 SRAM 已配置为同时零等待状态访问，使其适合实时执行音频/语音、机器学习和基于神经网络的应用程序。

跨界 MCU 还具有 EdgeLock、恩智浦先进的嵌入式安全技术，以及使用 eIQ for Glow 神经网络编译器的 ML 支持。

安全功能包括具有不可变硬件“信任根”的安全启动、基于 SRAM 物理不可克隆功能 (PUF) 的唯一密钥存储、基于证书的安全调试身份验证、AES-256 和 SHA2-256 加速以及 DICE 安全标准实施以确保安全云到边缘通信。该芯片还包括一个可选的基于熔丝的根密钥存储机制，用于安全启动和加密操作，以及一个公钥基础设施 (PKI)，或非对称密码，为 ECC 和 RSA 算法提供专用的非对称加速器。

分频处理器包括一个音频/语音子系统，支持多达 8 个 DMIC 通道、语音激活检测 (VAD) 硬件和多达 8 个 I ² S 外设。其他外设包括用于无线通信的 SDIO、带片上 PHY 的高速 USB、带温度传感器的 12 位 ADC，以及多个串行接口，包括 50-Mbits/s SPI、I3C 和六个可配置串行接口（USART、SPI 、I2C 或 I2S)，具有单独的 FIFO 和 DMA 服务请求支持。

恩智浦计划在其基于 Cortex-M 的微控制器、跨界 MCU 和应用处理器中的实时子系统中实施 Ethos U-55，针对资源受限的工业和物联网边缘设备。

恩智浦表示，高度可配置的 Ethos-U55 机器学习加速器与 Cortex-M 内核配合使用以实现较小的占用空间，与高性能 MCU 相比，推理性能提高了 30 倍以上。

Eta Compute Inc. 的 ECM3532 神经传感器处理器 (NSP) 被誉为第一款适用于嵌入式传感器应用的 AI 多核处理器，采用该公司获得专利的连续电压频率调节 (CVFS)，并始终提供低至 100-μW 的有源功耗 -在应用程序上。 ECM3532 多核 NSP 将 MCU 和 DSP 与 CVFS 相结合，以优化执行以获得最佳效率，使其适用于物联网传感器节点。

Eta Compute 的 NSP 专为始终在线的图像和传感器应用而设计，提供完整的软件和硬件产品。该平台向边缘设备提供人工智能，并将传感器数据转化为可用于语音、活动、手势、声音、图像、温度、压力和生物识别等应用的可操作信息。该平台解决了边缘计算方面的挑战，包括缩短响应时间、提高安全性和提高准确性。

独立的 AI 平台包括一个多核处理器，其中包括闪存、SRAM、I/O、外设和机器学习软件开发平台。 CVFS 显着提高了边缘设备的性能和效率。自定时 CVFS 架构自动连续调整内部时钟频率和电源电压，以最大限度地提高给定工作负载的能效。 ECM3532 采用 5 × 5 毫米、81 球 BGA 封装。