边缘AI时代,STM32引领的未来MCU战略:MPU中集成NPU是趋势

2024-05-30 06:44:03 Nancy,EETOP

当前,随着边缘AI的兴起,更多高位运算AI能力正下沉到通常部署在物联网边缘的智能设备上。如从智能手机的引入,已经让传统的按钮式或段码屏的显示,转向有屏的显示。把大数据模型经过不断细分到边缘端来做运算,是当前边缘AI的趋势。由此,对边缘智能终端的设计也提出了响应更快、性能更高、功耗更低、连接更强、安全更好等诸多要求。

意法半导体将 STM32视为实现边缘智能的关键推动因素。今年上半年,意法半导体重磅推出四款MCU新品,即无线MCU STM32WBA、首款64位微处理器 STM32MP2、高性能微控制器STM32H7R/S、及超低功耗新系列微控制器STM32U0,充分展示了其在性能、超低功耗、MP及安全方面所做的努力。 

STM32未来增长点:无线连接、边缘AI、低功耗、安全性 

与世界无缝沟通,支持多种协议 

典型代表就是专注于短距离通信技术的STM32 WBA。这是一款基于Cortex M33内核的无线单核MCU产品,内核主频可以跑到 100MHz,最大输出功率可以达到 10DBM,可支持多种2.4G协议,包括低功耗蓝牙、Open Thread ZigBee 以及基于Thread的 Matter 协议。

在生态设计上,WBA 可以支持原型设计开发的 NUCLEO 板子和探索套件,可以支持集成多协议方案,包括 BLE5.4,ZigBee、Open Thread 以及基于 Thread 的 Matter 协议。同时 CubeMX 可以集成一个先进的射频协议栈,CubeMonRF 可以带来更加先进的QL功能,可方便链路的检测和质量可靠性的检测。此外,对于蓝牙设备来说, 额外增加了手机上的开发软件。

意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理于引介绍,此次发布的WBA54/55,是在其去年发布的STM32WBA52基础上拓展了协议支持,从以前的单BLE支持到了 ZigBee 和 Thread。其中,蓝牙支持 BLE5.4。它有一个更新是 LE Audio ,主要特征是更低功耗、更高的音频质量以及更低的延迟和更扩展的连接。

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于引,意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理

WBA基于40纳米的低功耗设计,是一个低功耗的系列产品,能够更好地延长电池续航时间。此外,WBA55额外设计了 SMPS的电源开关设计,在待机模式下可以小于140nA的功耗,可以更好的满足用户对于低功耗的要求。

于引表示:“我们相信, LE Audio会在整个音频界带给我们更好的音频上的体验。除了可以支持多种无线协议,获得更大的设计灵活性之外,WBA可以支持有高处理性能以及可扩展的外设,最多可以支持20个设备同时连接。” 

在MPU中集成NPU是边缘AI终端的趋势 

当前,数字化转型席卷全球。数字化的核心赋能技术包括云计算、数据分析,人工智能物联网。微控制器是整个数字世界应用最普遍的数字芯片之一,同时它也是这个快速变化世界的重要组成部分。

具有先进边缘AI功能是STM32MP2这款新品最显著的特性。这是ST首款64位通用微处理器产品,具备卓越的处理性能。产品采取异构结构,最高配备双核Arm® Cortex®-A35 1.5G 主频和Cortex®-M33 400M 主频内核。MP2有丰富的外设接口,可以在这两个内核上灵活分配,还通过其多媒体功能支持机器视觉等高端边缘计算应用,创造了更多的应用可能。

ST中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理杜铭介绍说:异构的好处是方便开发者的应用更灵活,如大的数据处理可以通过高算力核来做,而实时性的信号采集和监控则可以通过实时的 MCU 核实现。” 微信图片_20240530065452.png

杜铭,ST中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理

据介绍,STM32MP2专门内置了1.35TOPS的NPU加速器,能灵活地在CPUGPU或NPU上运行AI应用,可提供先进的边缘AI能力。当前,凡是和智慧相关的应用,设计者们都会思考怎么去支持AI杜铭表示:“AI的执行,不仅仅是通过 NPU,但 NPU 是首选,因为它是硬件加速单元。在MPU中集成NPU处理单元我相信这应该是MPU的运算趋势。 

那么,MP2具体可带来哪些AI应用呢?

对于AI中的数据模型训练,根据数据模型来源的不同,MP2提供了两种方式。一是工程师自有数据模型,比如基于 TensorFlow  ONNX 的模型,这些模型可以在本地 MPU 编译器上进行优化和转换,最后部署到MP2 上;二是针对没有数据模型的用户,ST可以提供模型库,用户根据需求选择模型来建立自己的边缘 AI计算能力,之后通过MPU的离线编译器或云端编译器,编译出优化的二进制代码,部署到 MP2 上,从而实现边缘应用。

杜铭介绍,ST模型库中提供了四类模型,包括运动姿势估算、图像分类、语义分割及物体检测。目前ST支持的模型是 ONNX  TensorFlow两种 Code语言,支持的格式是整形 8位整数和32位浮点数。MPU离线编译器有桌面版和云端版,均可实现模型的优化、量化和转换。所有模型都托管在GitHub上,用户可通过自己的任何一个应用免费抓取任何一个模型,训练自己的代码, 验证自己的应用和这个模型选择是否适合 

低功耗是MCU可持续发展的关键 

意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理张明表示:“目前全世界都在寻找可持续发展的战略。有上亿颗的传感器和执行器布局在世界的各个角落,如果把这些设备功耗做一定的优化, 就可以大大节省能源损耗。

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张明,意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理

前两年ST发布了最新的 STM32 超低功耗系列U系列STM32U5,它是一颗基于 Cortex-M33内核主频160MHzMCU,最大的 Flash 可以到 4MByte,最大的 RAM 可以到 3MByte,主要目标市场是中高端的应用。此次,ST又正式推出U系列最新一代超低功耗入门级MCU STM32U0。

STM32U0是一颗 Cortex M0+内核, 主频 56MHz,ULP Mark  L0  244 分提高到了 430分,其整个功耗也比前几代有了很大的优化。据介绍,STM32U0 采 ST 最新的超低漏电流技术,有优异的静态功耗表现和多个超低功耗的模式,包括待机模式下极低的静态功耗和卓越的唤醒性能,最多可将电池续航时间延长两倍。

同时,STM32U0 有很高的集成性,包括LCD驱动器、MSI内部振荡器、ART加速器等,可以有效降低整个BOM成本。此外,STM32U0 使用了 L0、L4 以及 U5 等成熟的功能, 而且和前代产品是 Pin-to-pin 兼容,可以为入门级的电池供应应用开发者提供一个自由的设计空间。 

高性能是核心,性价比是助推器 

卷“已经是时下非常流行的共识。那么对于半导体市场来说,卷的不仅仅是推陈出新的速度,还有性能和性价比的平衡。STM32H7R/S也是迄今为止性价比最高的H7系列。意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理黄熘特别分享说:“这是ST迄今售价最低的一款 H7系列!”

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黄熘,意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部市场经理黄熘

据介绍,STM32H7是一款高扩展性,高性能MCU,搭载了意法半导体迄今发布的产品中性能最高的Arm®Cortex®-M内核(最高运行频率600MHz的Cortex-M7),集成了容量最小的片上存储器和高速外部接口。芯片上嵌入了64 KB  Bootflash闪存和可灵活配置620 KB 的SRAM存储器,及带Flex ECC的32 x 32 KB缓存,而应用代码和数据则存放在片外存储器芯片上。

产品沿用H7的40纳米工艺,有很强的连通性,采样率可以达到200MHz应用上,该新品分为两个系列,即STM32H7R3 通用型 STM32H7R7图显型。除了高性能内核外,这款微控制器还集成了NeoChrom GPU图形处理器,能够实现MPU级别的图形用户界面(GUI),并且具备很强的算力,在图形化数据上可以极大降低CPU的负载。

除了高性能、高扩展内核外,黄熘表示:“STM32H7R/S没有内置Flash,但有非常灵活的不同连接接口和外部存储器,设计人员可以根据具体应用选择不同接口,及不同容量的外部Flash。此外,在封装上也可有多种选择,从68引脚的低成本封装,到最多225引脚的封装,既可以满足成本预算需求,又可以解决外部连接设备数量最多的问题。” 

强大安全性,是重要的保障 

大数据时代,由网络带来的安全威胁给嵌入式系统带来了新的挑战。业界也一直在不断升级更新更高级别的安全标准,以应对嵌入式系统的信息安全。

在意法半导体新发布的这四款新品中,在安全性方面,为确保产品能够满足特定的安全认证要求,也是做了许多努力。

lWBA 满足 SESIP等级3的目标认证,符合美国网络信任标准和在2025年将强制执行的欧盟关于无线电设备指令即 RED的法规;

lSTM32MP2可以做到SESIP 3 Level,并且可以做到手持POS机的安全级别。同时满足PSA一级认证;

lSTM32H7R/S是目前安全级别最高的,目标是符合 SESIP 等级 3,以及PSA 级 3的认证;

lSTM32U0是市场上首个通过 SESIP Level3、PSI Level1、NIST 认证的 CortexM0+ 内核的微控制器。 

不可或缺的战略支柱 

STM32是工业级32位MCU的领跑者,是通用微控制器市场排名前列的MCU品牌。意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部、物联网/人工智能技术创新中心及数字营销副总裁朱利安分享说:“我们将STM32视为释放开发人员创造力,并实现云连接和边缘人工智能的关键推动因素。ST 不仅是嵌入式处理和微控制器领域的领导者, 同时也是这个领域最具创新性的公司。

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朱利安,意法半导体中国区微控制器、数字IC与射频产品部、物联网/人工智能技术创新中心及数字营销副总裁 

纳米新工艺助力性能和功耗双飞跃 

今年3月,意法半导体(ST)和三星晶圆代工厂共同开发出基于18纳米全耗尽绝缘体上硅(FD-SOI)技术,并整合嵌入式相变存储器(ePCM)的先进制造工艺,用以支持下一代汽车、工业嵌入式处理器的升级进化。与目前在用的 ST 40nm 嵌入式非易失性存储器 (eNVM) 技术相比,集成 ePCM 的18nm FD-SOI制造工艺,使嵌入式处理应用的性能和功耗实现巨大飞跃。

P18 技术的主要特点就是超低功耗和高功率密度,因此功率性能和功率比非常高。因为 PCM 存储单元极为稳定,极大提高了可靠性。这也正是工业和汽车应用所需要的。此外,它还能够让产品在各种温度工况下保持较长的使用寿命。

朱利安分享说:“随着研究工作取得进展, 我们认为下一代 STM32 可以使用更小的光刻机。我们希望通过工业的技术迭代更新,可以有效提高产品的功率密度,改善性能,同时降低能耗。”据介绍基于新技术的下一代 STM32 微控制器的首款产品将于 2024下半年开始向部分客户提供样片,2025 年下半年排产。

不过,朱利安也表示, 40 纳米转向 18 纳米,虽然完成向下一代技术和下一代工艺的迭代,但40纳米技术仍将长期存在。P18技术主要用于一些有影响力的产品,尤其是需要高性能、高功率密度以及高内存, 并且功耗也大的产品设计和制造。 

完备的生态支持,至关重要 

生态系统和生态系统伙伴的合作,一直都是STM32产品定位当中非常重要的一环。众所周知, STM32 家族是以控制器为主,其首款芯片STM32F1于2007年发布。经过十几年的数次技术迭代和产品线的不断丰富,目前整个STM32家族已经形成5大系列产品,低功耗 MCU、主流 MCU、无线MCU、高性能 MCU以及嵌入式的 MPU,拥有超过 3000 款 MCU 产品,仅在去年就新增了 600款。

朱利安分享说:“ST从 2007 年开始打造以 STM32Cube 为中心的生态系统,目前,已经有10万家公司正在使用ST的产品,100万开发人员正在使用ST的生态系统。2023年,STM32 社区社区的开发者单独访问量超过130万次

除了生态系统的支撑之外,产能保障也是重要的战略支柱。此外,意法半导体尤其重视中国市场,致力于打造一条本地化的供应链。目前, 每分钟出产4000个MCU,约合每天达到600万个。 

朱利安特别表示:“再次重申我们对中国市场的承诺。在当前的背景下, 我认为这一点非常重要。”

关键词: 边缘 战略 NPU

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