프로세서, IoT와 AI의 원활한 통합을 주도하다

마이크로프로세서(MPU)와 마이크로컨트롤러(MCU) 제조사들은 초저전력, 더 빠른 시스템 성능, 액티브 변조 감지와 보안 펌웨어 설치를 포함한 강화된 보안에 초점을 맞춘 새로운 디바이스로 증가하는 사물인터넷 애플리케이션을 지속적으로 다루고 있습니다. 이 칩들은 점점 더 많은 센서에서 쏟아지는 막대한 양의 데이터를 처리하면서 저전력을 소비해야 합니다. 전력 소비를 줄이기 위해 칩 제조사들은 적응형 전압 스케일링, 파워 게이팅, 다중 저전력 동작 모드 같은 기술을 사용하고 있습니다.

글로벌 IoT 연결 기기 시장은 Statista에 따르면 2018년 220억 대에서 2025년 약 386억 대에 이를 것으로 예상됩니다. 이 연결 기기들은 이제 스마트폰, 스마트 가전, 홈 보안 시스템부터 커넥티드 카, 스마트 시티, 산업용 IoT까지 산업 전반에 걸쳐 확산되어 있습니다.

인공지능과 IoT의 융합이 많은 산업에서 진행됨에 따라, 추가된 지능은 보안, 신뢰성, 성능, 그리고 물론 비용 측면에서 몇 가지 과제를 추가합니다. 이 칩들은 전력 소비를 줄이면서 향상된 성능으로 고속 처리를 제공해야 합니다. 일부 칩 제조사들은 전력 소비를 줄이고 머신러닝(ML) 모델을 위해 첨단 압축 기술도 채택하고 있습니다.

IoT와 융합 AI 애플리케이션을 겨냥한 MPU와 MCU의 샘플링을 소개합니다.

다양한 연결 애플리케이션을 겨냥한 Microchip Technology Inc.의 PIC18-Q43 마이크로컨트롤러 제품군은 더 많은 구성 가능한 코어 독립형 주변장치(CIP)를 통합하여 많은 소프트웨어 작업을 하드웨어로 오프로드함으로써 더 빠른 시스템 성능과 시장 출시를 실현합니다. CIP는 개발자가 특정 설계 구성을 더 쉽게 맞춤화할 수 있도록 맞춤형 하드웨어 기반 기능을 생성할 때 더 큰 설계 유연성을 제공합니다. CPU 개입 없이 작업을 처리하도록 추가 기능으로 설계되었습니다.

구성 가능한 주변장치들은 추가 코드 없이 데이터, 로직 입력, 아날로그 신호의 근제로 레이턴시 공유를 허용하도록 상호 연결됩니다. 애플리케이션에는 가전제품, 보안 시스템, 모터 및 산업 제어, 조명, IoT를 포함한 다양한 실시간 제어 및 연결 애플리케이션이 포함됩니다.

Microchip의 PIC18-Q43 마이크로컨트롤러 (이미지: Microchip Technology)

타이머, 단순화된 펄스 폭 변조(PWM) 출력, CLC, 연산 기능이 있는 아날로그-디지털 컨버터(ADCC), 다중 직렬 통신을 포함한 CIP들은 개발자가 개발 시간을 단축하고 시스템 성능을 개선할 수 있게 합니다. CLC는 개발자가 파형 생성과 타이밍 측정 같은 기능을 맞춤화할 수 있게 합니다. CIP는 전체 제어 루프가 맞춤형 온칩 하드웨어에서 실현될 수 있게 한다고 Microchip은 말했습니다.

PIC18-Q43 제품군은 다양한 메모리 크기, 패키지, 가격대로 제공됩니다.

보안과 무선 통신에 최적화된 Renesas Electronics Corp.는 최근 홈 어플라이언스와 헬스케어 장비 같은 IoT 엔드포인트 디바이스를 위한 블루투스 5.0 탑재 32비트 MCU인 RX23W를 출시했습니다. 이 MCU는 RX MCU 제품군에 탑재된 Renesas의 Trusted Secure IP도 포함하여 도청, 변조, 바이러스 같은 블루투스 보안 위험을 해결합니다.

RX23W는 4.33 Coremark/MHz의 고성능을 달성하는 개선된 부동소수점 유닛(FPU)과 DSP 기능을 가진 Renesas의 RXv2 코어를 기반으로 합니다. 칩은 최대 54MHz 클럭 주파수로 동작합니다. 시스템 제어와 무선 통신에 최적화된 RX23W는 롱레인지와 메쉬 네트워킹 기능을 포함한 완전한 블루투스 5.0 저에너지 지원을 제공하며, 업계 최저 수준의 수신 모드 피크 전력 소모인 3mA를 주장합니다.

Renesas의 RX23W 블루투스 5.0 탑재 32비트 마이크로컨트롤러 (이미지: Renesas Electronics)

RX23W는 또한 IoT 장비를 위한 보안, 터치키, USB, CAN 기능을 포함한 다양한 주변장치 기능을 통합합니다. 이 기능들은 RX23W가 홈 어플라이언스, 헬스케어 장비, 스포츠 및 피트니스 장비 같은 IoT 엔드포인트 장비에서 시스템 제어와 블루투스 무선 기능을 단일 칩으로 구현할 수 있게 한다고 Renesas는 말했습니다. 또한 블루투스 메쉬 기능은 공장이나 건물에서 센서 데이터를 수집하는 산업용 IoT 장비에 최적화됩니다.

RX23W는 현재 7×7mm 56핀 QFN과 5.5×5.5mm 85핀 BGA 패키지로 512KB 온칩 플래시 메모리와 함께 제공됩니다.

또한 IoT 연결 기기 보호를 위해 STMicroelectronics의 초저전력 STM32L5x2 MCU가 있습니다. 이는 Arm TrustZone 하드웨어 기반 보안을 가진 Arm Cortex-M33 32비트 RISC 코어 기반입니다. 신뢰 컴퓨팅은 보호된 실행 환경을 생성하여 사이버 보호와 민감한 코드(암호화 및 키 스토리지)를 위해 네트워크에 연결된 디바이스를 인증하며, 디바이스나 소프트웨어를 손상시키려는 시도를 차단합니다. 반면 두 번째 독립적인 실행 환경은 신뢰할 수 없는 코드 실행을 허용한다고 회사는 말했습니다.

새로운 STM32L5 시리즈 MCU로, 최대 110MHz 클럭 주파수에서 동작하며, ST는 설계자가 각 I/O, 주변장치, 플래시 또는 SRAM 영역을 TrustZone 보호에 포함하거나 제외할 수 있게 합니다. 이를 통해 민감한 워크로드를 최대 보안을 위해 완전히 격리할 수 있다고 ST는 말했습니다.

또한 TrustZone은 시큐어 부트, 통합 SRAM과 플래시에 대한 특수 읽기/쓰기 보호, 암호화 가속(AES 128/256비트 키 하드웨어 가속, 공개 키 가속(PKA), AES-128 온더플라이 복호화(OTFDEC))을 지원하여 외부 코드나 데이터를 보호하도록 설계되었습니다. 다른 기능으로는 액티브 변조 감지와 보안 펌웨어 설치가 있습니다. 함께, 이 보안 기능들은 PSA Certified Level 2 인증을 제공합니다.

STMicroelectronics의 STM32L5 마이크로컨트롤러 (이미지: STMicroelectronics)

STM32L5 제품군은 또한 적응형 전압 스케일링, 실시간 가속, 파워 게이팅, 다중 저전력 동작 모드 같은 기술 추가로 초저전력을 제공합니다. 이 기술들은 디바이스가 코인 셀이나 심지어 에너지 하베스팅으로 구동되든 높은 성능과 긴 런타임을 제공할 수 있게 한다고 ST는 말했습니다.

스위치 모드 강압 레귤레이터는 VDD 전압이 충분히 높을 때 플라이 온/오프하여 저전력 성능을 개선할 수도 있습니다. 실제 벤치마크를 기반으로 EEMBC가 개발한 초저전력 효율을 측정하는 ULPMark 점수는: 1.8V에서 370 ULPMark-CoreProfile과 54 ULPMark-PeripheralProfile입니다.

기타 MCU 기능으로는 읽기-동안-쓰기 동작을 허용하고 진단과 함께 오류 정정 코드(ECC)를 지원하는 512KB 듀얼 뱅크 플래시, 256KB SRAM, 싱글, 듀얼, 쿼드, 옥탈 SPI와 Hyperbus 플래시 또는 SRAM을 포함한 고속 외부 메모리 지원, SRAM, PSRAM, NOR, NAND, FRAM 인터페이스가 있습니다.

디지털 주변장치에는 전용 전원이 있는 USB Full Speed가 포함되어 시스템이 1.8V로 전원 공급될 때에도 USB 통신을 유지할 수 있게 하며, USB Type-C Rev. 1.2와 USB Power Delivery Rev. 3.0 사양을 준수하는 UCPD 컨트롤러가 있습니다. 스마트 아날로그 기능으로는 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 두 개의 파워 게이티드 디지털-아날로그 컨버터(DAC), 두 개의 초저전력 비교기, 외부 또는 내부 팔로워 라우팅과 프로그래머블 게인 증폭기(PGA) 기능을 가진 두 개의 연산 증폭기가 있습니다.

STM32L5 시리즈는 하드웨어 추상화 계층과 로우레벨 드라이버, FreeRTOS, Trusted Firmware-M(TF-M), 시큐어 부트와 시큐어 펌웨어 업데이트(SBSFU), USB-PD 디바이스 드라이버, MbedTLS와 MbedCrypto, FatFS 파일 시스템, 터치 센싱 드라이버를 포함하는 자체 STM32CubeL5 원스톱 숍 소프트웨어 패키지를 제공합니다.

STM32L5x2 MCU는 미터링, 헬스(인간 또는 기계) 모니터링, 모바일 POS를 포함한 산업용 IoT 애플리케이션에 적합합니다. STM32L5x2 MCU는 소비자 및 상업용 애플리케이션을 위한 표준 온도 등급(-40°C~85°C) 또는 -40°C~125°C로 지정된 고온 등급으로 제공됩니다.

융합된 AI와 IoT

자사의 AI 플랫폼을 기반으로 Arm은 최근 Cortex-M55 프로세서와 Ethos-U55 신경망 처리 유닛(NPU)을 도입했습니다. 이는 Cortex-M용 업계 최초의 마이크로 NPU로 선전됩니다. 까다로운 ML 애플리케이션을 위해 Cortex-M55는 Ethos-U55 마이크로 NPU와 짝을 이룰 수 있으며, 함께 기존 Cortex-M 프로세서 대비 480배 ML 성능 향상을 제공합니다.

Cortex-M55는 가장 AI 역량이 뛰어난 Cortex-M 프로세서이자 Arm Helium 벡터 처리 기술을 가진 Armv8.1-M 아키텍처 기반 최초의 프로세서로 불립니다. 이는 더 에너지 효율적인 DSP와 ML 성능을 제공합니다. Cortex-M55는 이전 Cortex-M 세대 대비 최대 15배 ML 성능 향상과 5배 DSP 성능 증가를 더 높은 효율로 제공합니다.

Cortex-M 프로세서의 새로운 기능인 Arm Custom Instructions는 특정 워크로드 최적화를 위해 프로세서 역량을 확장하는 데 사용 가능해질 것이라고 회사는 말했습니다.

Ethos-U55는 영역 제약 임베디드 및 IoT 디바이스에서 ML 추론을 위해 특별히 설계된 고도로 구성 가능합니다. 첨단 압축 기술로 전력을 절약하고 ML 모델 크기를 크게 줄여 이전에는 더 큰 시스템에서만 실행되던 신경망 실행을 가능하게 한다고 회사는 말했습니다.

이 프로세서들은 Arm TrustZone과 함께 작동하여 보안이 완전한 시스템온칩에 더 쉽게 통합될 수 있도록 합니다.

초저전력, 보안 엣지 애플리케이션(오디오, 음성, ML)을 위해 설계된 NXP Semiconductors의 i.MX RT600 크로스오버 MCU 제품군은 고성능과 통합 사이의 간극을 메우면서 임베디드 엣지 처리의 비용 요구사항을 충족합니다. (i.MX RT1170은 EP의 2019 올해의 제품 어워드 수상작입니다.)

이 확장은 최근 발표된 전용 NPU를 가진 i.MX 8M Plus 애플리케이션 프로세서를 포함한 회사의 ML 제품에 기반합니다. 이는 산업 및 IoT 엣지에서 첨단 머신러닝 추론을 위한 전용 NPU를 통합한 i.MX 제품군의 첫 번째 디바이스입니다. 또한 독립적인 실시간 서브시스템, 듀얼 카메라 ISP, 고성능 DSP, 3D GPU를 엣지 애플리케이션용으로 패키징합니다.

NXP의 i.MX RT600 개발 보드 (이미지: NXP Semiconductors)

i.MX RT600 멀티코어 크로스오버 프로세서 제품군은 최대 300MHz로 실행되는 Arm Cortex-M33과 최대 600MHz로 실행되는 선택적 Cadence Tensilica HiFi 4 오디오/음성 디지털 신호 프로세서(DSP)를 특징으로 하며, 4개의 MAC과 하드웨어 기반 초월 및 활성화 기능을 가집니다.

활성 및 누설 전력에 최적화된 28nm FD-SOI 공정으로 구축된 i.MX RT600은 4.5MB의 온칩 저누설 SRAM으로 고성능 코어를 지원하며, 동시 제로 웨이트 상태 접근으로 구성되어 오디오/음성, ML, 신경망 기반 애플리케이션의 실시간 실행에 적합합니다.

크로스오버 MCU들은 또한 NXP의 첨단 임베디드 보안 기술인 EdgeLock과, Glow 신경망 컴파일러를 위한 eIQ를 사용한 ML 지원을 특징으로 합니다.

보안 기능에는 불변 하드웨어 '루트 오브 트러스트'를 가진 시큐어 부트, SRAM 물리적 복제 방지 기능(PUF) 기반 고유 키 스토리지, 인증서 기반 보안 디버그 인증, AES-256과 SHA2-256 가속, 클라우드-투-엣지 보안 통신을 위한 DICE 보안 표준 구현이 포함됩니다. 칩은 또한 시큐어 부트와 암호화 연산을 위한 선택적 퓨즈 기반 루트 키 스토리지 메커니즘과 공개 키 인프라(PKI), 즉 비대칭 암호화를 포함하여 ECC와 RSA 알고리즘을 위한 전용 비대칭 가속기를 제공합니다.

크로스오버 프로세서들은 최대 8개 DMIC 채널을 지원하는 오디오/음성 서브시스템을 포함하며, 음성 활성화 감지(VAD)용 하드웨어와 최대 8개 I²S 주변장치를 가집니다. 기타 주변장치로는 무선 통신용 SDIO, 온칩 PHY가 있는 고속 USB, 온도 센서가 있는 12비트 ADC, 개별 FIFO와 DMA 서비스 요청 지원을 가진 6개의 구성 가능한 직렬 인터페이스(USART, SPI, I2C, 또는 I2S)를 포함한 여러 직렬 인터페이스가 있습니다.

NXP는 Cortex-M 기반 마이크로컨트롤러, 크로스오버 MCU, 애플리케이션 프로세서의 실시간 서브시스템에 Ethos U-55를 구현할 계획이며, 리소스 제약 산업 및 IoT 엣지 디바이스를 타겟으로 합니다.

고도로 구성 가능한 Ethos-U55 머신러닝 가속기는 Cortex-M 코어와 함께 작동하여 작은 풋프린트를 달성하며, 고성능 MCU 대비 30배 이상의 추론 성능 향상을 제공한다고 NXP는 말했습니다.

임베디드 센서 애플리케이션을 위한 최초의 AI 멀티코어 프로세서로 주장되는 Eta Compute Inc.의 ECM3532 신경 센서 프로세서(NSP)는 회사의 특허받은 연속 전압 주파수 스케일링(CVFS)을 특징으로 하며, 상시 애플리케이션에서 100µW까지 낮은 활성 전력 소비를 제공합니다. ECM3532 멀티코어 NSP는 MCU와 DSP를 결합하며, 둘 다 CVFS를 가지고 있어 최고 효율을 위한 실행을 최적화하여 IoT 센서 노드에 적합합니다.

상시 이미지 및 센서 애플리케이션을 위해 설계된 Eta Compute의 NSP는 완전한 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션을 제공합니다. 이 플랫폼은 엣지 디바이스에 AI를 제공하고 센서 데이터를 음성, 활동, 제스처, 사운드, 이미지, 온도, 압력, 생체 인식 같은 애플리케이션을 위한 실행 가능한 정보로 변환합니다. 이 플랫폼은 낮은 응답 시간, 증가된 보안, 높은 정확성을 포함한 엣지 컴퓨팅의 과제들을 해결합니다.

독립형 AI 플랫폼에는 플래시 메모리, SRAM, I/O, 주변장치, 머신러닝 소프트웨어 개발 플랫폼을 포함한 멀티코어 프로세서가 포함됩니다. CVFS는 엣지 디바이스의 성능과 효율을 실질적으로 증가시킵니다. 자가 타이밍 CVFS 아키텍처는 내부 클럭 속도와 공급 전압을 자동으로 지속적으로 조정하여 주어진 워크로드에 대한 에너지 효율을 극대화합니다. ECM3532는 5×5mm, 81볼 BGA로 패키징됩니다.