IoT와 AI의 융합 문제를 해결하는 프로세서

마이크로프로세서(MPU) 및 마이크로컨트롤러(MCU) 제조업체는 초저전력, 더 빠른 시스템 성능, 능동 변조 감지 및 보안 펌웨어 설치를 포함하는 강화된 보안에 중점을 둔 새로운 장치로 증가하는 사물 인터넷 애플리케이션을 계속 해결하고 있습니다. 이 칩은 저전력을 소비하면서 점점 더 많은 센서에서 나오는 방대한 양의 데이터를 처리해야 합니다. 전력 소비를 줄이기 위해 칩 제조업체는 적응형 전압 스케일링, 전력 게이팅 및 다중 전력 감소 작동 모드와 같은 기술을 사용하고 있습니다.

시장 조사 기관인 Statista에 따르면 IoT 연결 장치의 세계 시장은 2018년 220억 대에서 2025년까지 약 386억 대에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 연결된 장치는 이제 스마트폰, 스마트 가전제품, 홈 보안 시스템에서 커넥티드 카, 스마트 시티, 산업용 IoT에 이르기까지 다양한 산업에 걸쳐 있습니다.

많은 산업 분야에서 인공 지능과 IoT가 수렴됨에 따라 추가 지능은 보안, 안정성, 성능 및 비용과 관련된 몇 가지 문제를 추가합니다. 이러한 칩은 전력 소비를 줄이면서 향상된 성능으로 고속 처리를 제공해야 합니다. 이러한 칩 제조업체 중 일부는 전력 소비를 줄이기 위한 고급 압축 및 머신 러닝(ML) 모델과 같은 기술도 채택하고 있습니다.

다음은 IoT 및 융합 AI 애플리케이션을 대상으로 하는 MPU 및 MCU의 샘플입니다.

다양한 연결 애플리케이션을 목표로 하는 Microchip Technology Inc.의 PIC18-Q43 마이크로컨트롤러 제품군은 보다 구성 가능한 코어 독립 주변기기(CIP)를 통합하여 많은 소프트웨어 작업을 하드웨어로 오프로드하여 시스템 성능과 출시 시간을 단축합니다. CPI는 사용자 지정 하드웨어 기반 기능을 생성할 때 보다 뛰어난 설계 유연성을 제공하여 개발자가 특정 설계 구성을 보다 쉽게 ​​사용자 지정할 수 있도록 합니다. CPU의 개입 없이 작업을 처리할 수 있는 추가 기능으로 설계되었습니다.

구성 가능한 주변 장치는 상호 연결되어 시스템 응답 개선을 위한 추가 코드 없이 데이터, 논리 입력 또는 아날로그 신호의 대기 시간 공유가 거의 0에 가깝습니다. 애플리케이션에는 가전 제품, 보안 시스템, 모터 및 산업 제어, 조명, IoT를 비롯한 다양한 실시간 제어 및 연결된 애플리케이션이 포함됩니다.

Microchip의 PIC18-Q43 마이크로컨트롤러(이미지:Microchip Technology)

타이머, 단순화된 PWM(펄스 폭 변조) 출력, CLC, ADCC(Analog-to-Digital Converter with Computation) 및 다중 직렬 통신을 포함한 CIP를 통해 개발자는 개발 시간을 단축하고 시스템 성능을 개선할 수 있습니다. CLC를 통해 개발자는 파형 생성 및 타이밍 측정과 같은 기능을 맞춤화할 수 있습니다. CIP는 또한 맞춤형 온칩 하드웨어에서 전체 제어 루프를 실현할 수 있다고 Microchip은 말했습니다.

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

보안 및 무선 통신에 최적화된 Renesas Electronics Corp.은 최근 가전 제품 및 건강 관리 장비와 같은 IoT 엔드포인트 장치를 위한 Bluetooth 5.0이 포함된 32비트 MCU인 RX23W를 출시했습니다. MCU에는 도청, 변조 및 바이러스와 같은 Bluetooth 보안 위험을 해결하기 위해 RX MCU 제품군에 포함된 Renesas의 신뢰할 수 있는 보안 IP도 포함되어 있습니다.

RX23W는 4.33 Coremark/MHz의 고성능을 구현하는 Renesas의 RXv2 코어를 기반으로 하며 향상된 부동 소수점 단위(FPU) 및 DSP 기능을 제공합니다. 칩은 54MHz의 최대 클록 주파수에서 작동합니다. 시스템 제어 및 무선 통신에 최적화된 RX23W는 장거리 및 메시 네트워킹 기능을 포함한 완전한 Bluetooth 5.0 저에너지 지원을 제공하며 3mA에서 업계 최저 수준의 수신 모드 피크 전력 소비를 주장합니다.

Bluetooth 5.0이 탑재된 Renesas의 RX23W 32비트 마이크로컨트롤러(이미지:Renesas Electronics)

RX23W는 또한 보안, 터치키, USB 및 CAN 기능을 포함하여 IoT 장비를 위한 다양한 주변 기능을 통합합니다. 이러한 기능을 통해 RX23W는 단일 칩에서 가전 제품, 건강 관리 장비, 스포츠 및 피트니스 장비와 같은 IoT 엔드포인트 장비에 대한 시스템 제어 및 Bluetooth 무선 기능을 모두 구현할 수 있다고 Renesas는 말했습니다. 또한, 블루투스 메시 기능은 공장이나 건물에서 센서 데이터를 수집하는 산업용 IoT 장비에 최적입니다.

RX23W는 현재 512KB 온칩 플래시 메모리가 포함된 7×7mm 56핀 QFN 및 5.5×5.5mm 85핀 BGA 패키지로 제공됩니다.

또한 Arm TrustZone 하드웨어 기반 보안을 갖춘 Arm Cortex-M33 32비트 RISC 코어를 기반으로 하는 STMicroelectronics 초저전력 STM32L5x2 MCU는 IoT 연결 장치에 대한 더 나은 보호 기능을 제공하는 것을 목표로 합니다. 신뢰할 수 있는 컴퓨팅은 장치 또는 소프트웨어를 손상시키려는 시도를 차단하는 사이버 보호 및 민감한 코드(암호화 및 키 저장)를 위한 보호된 실행 환경을 생성하여 네트워크에 연결된 장치를 인증하는 반면, 두 번째 독립 실행 환경은 신뢰할 수 없는 코드 실행을 허용합니다. , 회사는 말했습니다.

110MHz의 클록 주파수에서 작동하는 새로운 STM32L5 시리즈 MCU를 통해 ST는 설계자가 각 I/O, 주변기기 또는 플래시 또는 SRAM 영역을 TrustZone 보호에서 포함하거나 제외할 수 있도록 합니다. 이를 통해 보안을 극대화하기 위해 민감한 워크로드를 완전히 격리할 수 있다고 ST는 말했습니다.

또한 TrustZone은 보안 부팅, 통합 SRAM 및 플래시에 대한 특수 읽기 및 쓰기 보호, AES 128비트/256비트 키 하드웨어 가속, PKA(공개 키 가속) 및 AES-를 포함한 암호화 가속을 지원하도록 설계되었습니다. 128 On-Fly Decryption(OTFDEC), 외부 코드 또는 데이터 보호. 다른 기능에는 활성 변조 감지 및 보안 펌웨어 설치가 포함됩니다. 이러한 보안 기능은 함께 PSA 인증 레벨 2에 대한 인증을 제공합니다.

STMicroelectronics의 STM32L5 마이크로컨트롤러(이미지:STMicroelectronics)

STM32L5 제품군은 또한 적응형 전압 조정, 실시간 가속, 전력 게이팅, 다중 전력 감소 작동 모드와 같은 기술이 추가되어 초저전력을 제공합니다. 이러한 기술을 통해 MCU는 장치가 코인 셀 또는 에너지 수확에 의해 구동되는지 여부에 관계없이 고성능과 긴 런타임을 제공할 수 있다고 ST는 말했습니다.

스위치 모드 강압 레귤레이터는 VDD 전압이 충분히 높을 때 저전력 성능을 향상시키기 위해 즉석에서 전원을 켜거나 끌 수도 있습니다. ULPMark EEMBC에서 개발한 실제 벤치마크를 기반으로 초저전력 효율성을 측정하는 점수는 1.8V에서 370 ULPMark-CoreProfile 및 54 ULPMark-PeripheralProfile입니다.

다른 MCU 기능에는 쓰기 중 읽기 작업을 허용하고 진단 기능이 있는 오류 수정 코드(ECC)를 지원하는 512KB 듀얼 뱅크 플래시, 256KB SRAM 및 단일, 이중, 쿼드를 포함한 고속 외부 메모리 지원이 포함됩니다. , 또는 8진수 SPI 및 Hyperbus 플래시 또는 SRAM, 그리고 SRAM, PSRAM, NOR, NAND 또는 FRAM용 인터페이스.

디지털 주변 장치에는 시스템에 1.8V 전원이 공급되는 경우에도 고객이 USB 통신을 유지할 수 있도록 하는 전용 전원이 포함된 USB Full Speed와 USB Type-C Rev. 1.2 및 USB Power Delivery Rev. 3.0 사양을 준수하는 UCPD 컨트롤러가 포함됩니다. 스마트 아날로그 기능에는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 2개의 전원 게이트형 디지털-아날로그 변환기(DAC), 2개의 초저전력 비교기, 외부 또는 내부 팔로워 라우팅 및 프로그래밍 가능한 2개의 연산 증폭기가 포함됩니다. 이득 증폭기(PGA) 기능.

STM32L5 시리즈는 하드웨어 추상화 계층 및 로우 레벨 드라이버, FreeRTOS, TF-M(Trusted Firmware-M), SBSFU(보안 부팅 및 보안 펌웨어 업데이트), USB- PD 장치 드라이버, MbedTLS 및 MbedCrypto, FatFS 파일 시스템, 터치 감지 드라이버

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

AI 및 IoT 융합

Arm은 AI 플랫폼을 기반으로 최근 Cortex-M용 업계 최초의 microNPU로 선전되는 Cortex-M55 프로세서와 Ethos-U55 NPU(신경 처리 장치)를 출시했습니다. 까다로운 ML 애플리케이션의 경우 Cortex-M55를 Ethos-U55 microNPU와 함께 사용하면 기존 Cortex-M 프로세서에 비해 ML 성능이 480배 향상됩니다.

Cortex-M55는 가장 AI가 가능한 Cortex-M 프로세서라고 하며 Armv8.1-M 아키텍처에 기반한 Arm Helium 벡터 처리 기술을 기반으로 하는 최초의 프로세서로 에너지 효율적인 DSP 및 ML 성능을 제공합니다. Cortex-M55는 이전 Cortex-M 세대에 비해 ML 성능이 최대 15배 향상되고 DSP 성능이 5배 향상되며 효율성이 향상됩니다.

Cortex-M 프로세서의 새로운 기능인 Arm Custom Instruction은 특정 워크로드 최적화를 위해 프로세서 기능을 확장하는 데 사용할 수 있다고 회사는 밝혔습니다.

Ethos-U55는 고도로 구성 가능하며 영역이 제한된 임베디드 및 IoT 장치의 ML 추론을 위해 특별히 설계되었습니다. 회사에 따르면 이전에 더 큰 시스템에서만 실행되었던 신경망을 실행할 수 있도록 전력을 절약하고 ML 모델 크기를 크게 줄이는 고급 압축 기술을 제공합니다.

이러한 프로세서는 Arm TrustZone과 함께 작동하여 보안이 완전한 시스템 온 칩에 보다 쉽게 ​​통합될 수 있도록 합니다.

오디오, 음성, ML을 포함한 초저전력 보안 에지 애플리케이션용으로 설계된 NXP Semiconductors의 i.MX RT600 크로스오버 MCU 제품군은 에지에서 임베디드 처리를 위한 비용 요구 사항을 충족하면서 고성능과 통합 간의 격차를 해소합니다. (i.MX RT1170은 EP의 2019 올해의 제품 상을 수상한 제품입니다.)

이 확장은 전용 NPU가 있는 최근에 발표된 i.MX 8M Plus 애플리케이션 프로세서를 포함하여 회사의 ML 제품을 기반으로 합니다. 이것은 산업 및 IoT 에지에서 고급 기계 학습 추론을 위한 전용 NPU를 통합한 i.MX 제품군의 첫 번째 장치입니다. 또한 독립적인 실시간 하위 시스템, 듀얼 카메라 ISP, 고성능 DSP 및 에지 애플리케이션용 3D GPU를 패키지로 제공합니다.

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

i.MX RT600 멀티코어 크로스오버 프로세서 제품군은 최대 300MHz로 실행되는 Arm Cortex-M33과 4개의 MACS 및 하드웨어를 통해 최대 600MHz로 실행되는 Cadence Tensilica HiFi 4 오디오/음성 디지털 신호 프로세서(DSP) 옵션을 제공합니다. 기반 초월 및 활성화 기능.

활성 및 누설 전력에 최적화된 28nm FD-SOI 프로세스를 기반으로 구축된 i.MX RT600은 동시 제로 대기 상태를 위해 구성된 4.5MB 온칩 저누설 SRAM이 있는 고성능 코어를 지원합니다. 액세스하여 오디오/음성, ML 및 신경망 기반 애플리케이션의 실시간 실행에 적합합니다.

크로스오버 MCU에는 NXP의 고급 임베디드 보안 기술인 EdgeLock과 Glow 신경망 컴파일러용 eIQ를 사용한 ML 지원 기능도 있습니다.

보안 기능에는 변경할 수 없는 하드웨어 "신뢰할 수 있는 루트"를 사용한 보안 부팅, SRAM PUF(물리적 복제 방지 기능) 기반 고유 키 저장소, 인증서 기반 보안 디버그 인증, AES-256 및 SHA2-256 가속, 보안을 위한 DICE 보안 표준 구현이 포함됩니다. 클라우드 간 통신. 또한 이 칩에는 보안 부팅 및 암호화 작업을 위한 선택적인 퓨즈 기반 루트 키 저장 메커니즘과 ECC 및 RSA 알고리즘을 위한 전용 비대칭 가속기를 제공하는 PKI(공개 키 인프라) 또는 비대칭 암호화가 포함되어 있습니다.

크로스오버 프로세서에는 VAD(음성 활성화 감지) 및 최대 8개의 I ² 용 하드웨어와 함께 최대 8개의 DMIC 채널을 지원하는 오디오/음성 하위 시스템이 포함됩니다. S 주변기기. 기타 주변 장치로는 무선 통신용 SDIO, 온칩 PHY가 있는 고속 USB, 온도 센서가 있는 12비트 ADC, 50Mbits/s SPI, I3C 및 6개의 구성 가능한 직렬 인터페이스(USART, SPI 포함)를 포함한 여러 직렬 인터페이스가 있습니다. , I2C 또는 I2S), 개별 FIFO 및 DMA 서비스 요청 지원

NXP는 리소스가 제한된 산업용 및 IoT 에지 장치를 대상으로 Cortex-M 기반 마이크로컨트롤러, 크로스오버 MCU 및 애플리케이션 프로세서의 실시간 하위 시스템에 Ethos U-55를 구현할 계획입니다.

고도로 구성 가능한 Ethos-U55 기계 학습 가속기는 Cortex-M 코어와 함께 작동하여 작은 설치 공간을 달성하고 고성능 MCU에 비해 ​​추론 성능이 30배 이상 향상되었다고 NXP는 말했습니다.

임베디드 센서 애플리케이션을 위한 최초의 AI 멀티코어 프로세서라고 주장되는 Eta Compute Inc.의 ECM3532 신경 센서 프로세서(NSP)는 회사의 특허 CVFS(Continuous Voltage Frequency Scaling)를 특징으로 하며 항상 100μW의 낮은 유효 전력 소비를 제공합니다. 응용 프로그램에. ECM3532 멀티코어 NSP는 MCU와 DSP를 CVFS와 결합하여 최고의 효율성을 위해 실행을 최적화하므로 IoT 센서 노드에 적합합니다.

상시 작동 이미지 및 센서 애플리케이션을 위해 설계된 Eta Compute의 NSP는 완전한 소프트웨어 및 하드웨어 제품을 제공합니다. 이 플랫폼은 AI를 에지 장치에 제공하고 센서 데이터를 음성, 활동, 제스처, 소리, 이미지, 온도, 압력 및 생체 인식과 같은 애플리케이션에 대한 실행 가능한 정보로 전환합니다. 이 플랫폼은 응답 시간 단축, 보안 강화, 정확도 향상 등 에지 컴퓨팅의 문제를 해결합니다.

독립형 AI 플랫폼에는 플래시 메모리, SRAM, I/O, 주변 장치 및 기계 학습 소프트웨어 개발 플랫폼을 포함하는 멀티코어 프로세서가 포함됩니다. CVFS는 에지 장치의 성능과 효율성을 크게 높입니다. 자체 타이밍 CVFS 아키텍처는 내부 클록 속도와 공급 전압을 자동으로 지속적으로 조정하여 주어진 워크로드에 대한 에너지 효율성을 극대화합니다. ECM3532는 5 × 5mm, 81볼 BGA로 패키징됩니다.