处理器助力IoT与AI无缝融合

市场背景

微处理器（MPU）和微控制器（MCU）厂商持续推出新器件应对不断增长的IoT应用，聚焦超低功耗、更快系统性能、增强安全（含主动篡改检测和安全固件安装）。这些芯片需处理海量传感器数据同时保持低功耗。为降低功耗，厂商采用自适应电压调节、电源门控、多种降功耗运行模式等技术。

据Statista预测，全球IoT连接设备市场将从2018年220亿增至2025年约386亿。连接设备跨越智能手机、智能家电、家庭安防、联网汽车、智慧城市到工业IoT等行业。

随着AI与IoT跨行业融合，额外智能带来安全、可靠性、性能和成本挑战。芯片需在降低功耗前提下提供高速处理和增强性能。部分厂商还采用高级压缩技术降低功耗和机器学习模型大小。

典型MPU/MCU产品示例

Microchip PIC18-Q43系列

面向多种连接应用，Microchip PIC18-Q43集成更多可配置核心独立外设（CIP），将软件任务卸载到硬件，提升系统性能和上市速度。CIP提供更大设计灵活性，创建自定义基于硬件的功能，简化开发者定制特定设计配置。它们设计有额外能力无需CPU干预处理任务。

可配置外设互联实现数据、逻辑输入或模拟信号近零延迟共享，无需额外代码，改善系统响应。应用包括家电、安防系统、电机与工业控制、照明、IoT等实时控制和连接应用。

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

CIP包括定时器、简化PWM输出、CLC、带计算的ADC（ADCC）、多串行通信，使开发者缩短开发时间、提升系统性能。CLC允许开发者定制波形生成和时序测量等功能。CIP还能在可定制片上硬件实现完整控制回路。

PIC18-Q43产品系列提供多种存储尺寸、封装和价位。

Renesas RX23W

针对安全和无线通信优化，Renesas近期推出RX23W——搭载Bluetooth 5.0的32位MCU，面向家电和医疗设备等IoT终端设备。MCU集成Renesas Trusted Secure IP（其RX MCU家族特有），应对蓝牙窃听、篡改、病毒等安全风险。

RX23W基于RXv2核心，实现4.33 Coremark/MHz高性能，改进浮点单元（FPU）和DSP功能。最大时钟频率54 MHz。针对系统控制和无线通信优化，提供完整Bluetooth 5.0低能耗支持，含远距离和Mesh网络功能，声称业界最低接收模式峰值功耗3 mA。

Renesas RX23W 32位带Bluetooth 5.0微控制器（图片：Renesas Electronics）

RX23W还集成IoT设备所需外设功能：安全、触控按键、USB、CAN。这些功能使RX23W能在单芯片上实现系统控制和蓝牙无线功能，适用于家电、医疗、运动健身设备等IoT终端设备。蓝牙Mesh功能使其成为工厂或建筑采集传感器数据的工业IoT设备的最佳选择。

RX23W现已推出7×7 mm 56引脚QFN和5.5×5.5 mm 85引脚BGA封装，片上闪存512 KB。

STMicroelectronics STM32L5x2系列

同样旨在为IoT连接设备提供更好保护，ST推出基于Arm Cortex-M33 32位RISC核心与Arm TrustZone硬件安全的超低功耗STM32L5x2 MCU。可信计算通过创建受保护执行环境认证网络连接设备，用于网络防护和敏感代码（加密和密钥存储），阻止篡改设备或软件尝试；第二个独立执行环境允许运行不受信代码。

新STM32L5系列MCU工作频率高达110 MHz，ST使设计师可将每个I/O、外设、闪存或SRAM区域纳入或排除TrustZone保护，允许敏感工作负载完全隔离以实现最大安全性。

此外，TrustZone设计支持安全启动、集成SRAM和闪存的特殊读出和写保护、加密加速（含AES 128/256位密钥硬件加速、公钥加速（PKA）、AES-128即时解密（OTFDEC）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。这些安全特性共同达到PSA Certified Level 2认证。

STMicroelectronics STM32L5微控制器（图片：STMicroelectronics）

STM32L5系列还通过自适应电压调节、实时加速、电源门控、多种降功耗模式等技术实现超低功耗。这些技术使MCU在纽扣电池甚至能量采集供电时仍能提供高性能和长续航。降压开关稳压器可动态上下电，在VDD电压足够高时改善低功耗性能。ULPMark分数（基于EEMBC真实基准测量超低功耗效率）：1.8 V下370 ULPMark-CoreProfile和54 ULPMark-PeripheralProfile。

其他MCU特性：512 KB双区闪存支持读写操作并带ECC诊断、256 KB SRAM、支持高速外部存储（单/双/四/八路SPI、Hyperbus闪存或SRAM，以及SRAM、PSRAM、NOR、NAND、FRAM接口）。数字外设含专用供电的USB Full Speed（允许系统在1.8 V下保持USB通信）、符合USB Type-C Rev.1.2和USB PD Rev.3.0规范的UCPD控制器。智能模拟功能含ADC、两个电源门控DAC、两个超低功耗比较器、两个带外部/内部跟随路由和可编程增益放大器（PGA）能力的运算放大器。

STM32L5系列提供STM32CubeL5一站式软件包，含硬件抽象层和底层驱动、FreeRTOS、Trusted Firmware-M (TF-M)、安全启动和安全固件更新（SBSFU）、USB-PD设备驱动、MbedTLS和MbedCrypto、FatFS文件系统、触摸感应驱动。

STM32L5x2 MCU适合工业IoT应用，含计量、健康（人或机器）监测、移动POS。提供标准温度等级（-40°C至85°C）用于消费和商业应用，或高温等级（-40°C至125°C）。

融合AI与IoT

基于其AI平台，Arm近期推出Cortex-M55处理器和Ethos-U55神经处理单元（NPU），号称业界首款面向Cortex-M的microNPU。对于要求苛刻的ML应用，Cortex-M55可与Ethos-U55 microNPU配对，两者结合比现有Cortex-M处理器提升480倍ML性能。

Cortex-M55被称为最强AI能力Cortex-M处理器，首个基于Armv8.1-M架构并采用Arm Helium矢量处理技术，提供更节能DSP和ML性能。与前代Cortex-M相比，ML性能提升15倍，DSP性能提升5倍，效率更高。

Cortex-M处理器新功能Arm Custom Instructions将可用于扩展处理器能力以针对特定工作负载优化。

Ethos-U55高度可配置，专为面积受限嵌入式和IoT设备的ML推理设计。提供先进压缩技术节省功率并大幅缩减ML模型尺寸，使原本仅能在大型系统运行的神经网络得以执行。

这些处理器配合Arm TrustZone确保安全更易融入完整片上系统。

NXP i.MX RT600跨界MCU家族

专为超低功耗、安全边缘应用（音频、语音、ML）设计，NXP i.MX RT600跨界MCU家族在满足边缘嵌入式处理成本要求的同时，填补高性能与集成度间的空白。（i.MX RT1170曾获EP 2019年度产品奖。）

扩展建立在公司ML产品基础上，包括近期发布的集成专用NPU的i.MX 8M Plus应用处理器——i.MX家族首款集成专用NPU用于工业和IoT边缘高级ML推理的器件。还封装独立实时子系统、双摄像头ISP、高性能DSP、3D GPU用于边缘应用。

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

i.MX RT600多核跨界处理器家族包含高达300 MHz的Arm Cortex-M33和可选高达600 MHz的Cadence Tensilica HiFi 4音频/语音DSP，四MAC和基于硬件的超越和激活函数。

基于针对主动和漏电功耗优化的28 nm FD-SOI工艺，i.MX RT600用4.5 MB片上低漏电SRAM支持高性能核心，配置为同时零等待状态访问，适合音频/语音、ML、神经网络应用的实时执行。

跨界MCU还具备EdgeLock（NXP先进嵌入式安全技术）和使用eIQ for Glow神经网络编译器的ML支持。

安全特性：带不可变硬件“信任根”的安全启动、基于SRAM PUF的唯一密钥存储、基于证书的安全调试认证、AES-256和SHA2-256加速、用于安全云到边缘通信的DICE安全标准实现。芯片还含可选基于熔丝的根密钥存储机制用于安全启动和加密操作、公钥基础设施（PKI）即非对称加密，提供专用非对称加速器用于ECC和RSA算法。

跨界处理器含音频/语音子系统，支持高达八路DMIC通道，含语音激活检测（VAD）硬件和高达八路I²S外设。其他外设：用于无线通信的SDIO、片上PHY高速USB、带温度传感器的12位ADC、多个串行接口（含50 Mbits/s SPI、I3C、六个可配置串行接口USART/SPI/I2C/I2S，各带独立FIFO和DMA服务请求支持）。

NXP计划在基于Cortex-M的微控制器、跨界MCU、应用处理器实时子系统中实现Ethos U-55，面向资源受限工业和IoT边缘设备。

高度可配置Ethos-U55 ML加速器与Cortex-M核心协作实现小占用面积，据NXP称推理性能比高性能MCU提升30倍以上。

Eta Compute ECM3532神经传感器处理器

号称首款面向嵌入式传感器应用的AI多核处理器，Eta Compute ECM3532神经传感器处理器（NSP）采用专利持续电压频率调节（CVFS），在常开应用中实现低至100 µW有源功耗。ECM3532多核NSP结合MCU和DSP，均具备CVFS，为最佳效率优化执行，适合IoT传感器节点。

专为常开图像和传感器应用设计，Eta Compute NSP提供完整软硬件方案。平台将AI带到边缘设备，将传感器数据转化为可操作信息，用于语音、活动、手势、声音、图像、温度、压力、生物识别等应用。平台解决边缘计算挑战：降低响应时间、增强安全、提高准确性。

独立AI平台含多核处理器（含闪存、SRAM、I/O、外设）、ML软件开发平台。CVFS大幅提升边缘设备性能和效率。自计时CVFS架构自动连续调整内部时钟频率和供电电压，针对给定工作负载最大化能效。ECM3532封装为5×5 mm、81球BGA。