運用內(nèi)建加速器的低功耗MCU 打造高性能邊緣智能應用

物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴展，推動了新一輪大規(guī)模的智慧化升級浪潮。智慧化正在從云端向具有機器學習（ML）能力的邊緣設備轉(zhuǎn)移，這些設備能夠在本地處理傳感器數(shù)據(jù)流，與基于云的AI系統(tǒng)相比，延遲更低，安全性更高，提供更好的用戶隱私保護。為了將邊緣設備從單純的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換為具有自主操作能力的邊緣智慧，開發(fā)人員需要具有多核性能并內(nèi)置加速器的新型低功耗微控制器（MCU）來執(zhí)行ML任務，同時最小化功耗預算以保持節(jié)能的系統(tǒng)設計。
因應未來的邊緣智慧，恩智浦MCX產(chǎn)品針對廣泛的物聯(lián)網(wǎng)、邊緣ML和工業(yè)應用場景進行了優(yōu)化。此平臺結(jié)合恩智浦LPC和Kinetis MCU系列的DNA，為智能互聯(lián)設備重新定義下一代通用MCU。
在MCX產(chǎn)品組合中，恩智浦MCX N高性能系列是專為安全、智能的邊緣應用而設計。N系列中的MCX N94x和MCX N54x MCU系列，具有高效的多核架構(gòu)、內(nèi)置EdgeLock安全子系統(tǒng)和用于實時推理的專用內(nèi)置神經(jīng)處理單元（NPU）。MCX N94x系列適用于工業(yè)應用，具有更廣泛的模擬和馬達控制外設，而MCX N54x系列針對消費和物聯(lián)網(wǎng)應用。

150MHz的MCU能帶來什么？答案遠超想象
使用低功耗的150MHz MCU實現(xiàn)多任務處理性能、高級神經(jīng)網(wǎng)絡和ML功能聽起來似乎非常困難。MCX N94x和MCX N54x基于高性能雙核Arm Cortex-M33，運行頻率高達150 MHz，芯片內(nèi)整合高達2MB的閃存，可配置的帶ECC檢測的RAM、智能DMA、DSP協(xié)處理器、安全子系統(tǒng)和恩智浦設計的一體化NPU。開發(fā)人員可以使用這些內(nèi)核和加速器的任意組合來完成具體任務，而無需提高MCU的時鐘速度或增加功耗。


 
圖一 : MCX N94x架構(gòu)

芯片內(nèi)多種加速器使MCX N系列MCU能夠以低功耗預算高效地處理多個復雜任務，同時保證系統(tǒng)的安全性。多核心設計通過智慧、高效地將工作負載分配到模擬和數(shù)字外設，提高了系統(tǒng)性能并降低功耗。因此，MCU的工作電流消耗小于45μA/MHz，如果啟用實時時鐘（RTC）和保持8KB SRAM，掉電模式下消耗的電流不到2.5μA，如果在啟用RTC和8KB SRAM的深度掉電模式下，消耗的電流不到1μA。
雙核架構(gòu)將功能全面的Cortex-M33內(nèi)核與M33從核相結(jié)合來管理控制功能，使開發(fā)人員能夠并行運行應用程序，或根據(jù)需要關(guān)閉單個內(nèi)核來降低總體功耗。例如在物聯(lián)網(wǎng)設備的安全無線（OTA）更新期間，主M33內(nèi)核可以處理系統(tǒng)安全，而第二個從核執(zhí)行控制功能。
隨著MCX N系列發(fā)布，恩智浦自主研發(fā)的NPU亮相，以實現(xiàn)邊緣的高性能和低功耗智能。與只使用CPU內(nèi)核相比，內(nèi)置NPU的ML吞吐量提高了30倍。


 
圖二 : NPU的相對加速度

如此的ML性能表現(xiàn)在MCU領(lǐng)域，使得TinyML在資源和功率受限的邊緣設備上展現(xiàn)超凡的運算力。突破性能邊界，暢想如下的應用可能，例如實現(xiàn)復雜的深度學習模型、為門禁控制添加人臉和語音識別功能、為家庭安全系統(tǒng)建置電池供電的玻璃破碎探測器、為馬達控制預測維護開發(fā)振動傳感器和設計配備生物傳感器的智能可穿戴設備等。

設計靈活安全
MCX N系列具有高精度混合信號模擬周邊，具備更強的自主性，可以減少CPU中斷并節(jié)省電力。例如ADC具備智能化設計，可以持續(xù)收集資料并在本地對儲存的數(shù)據(jù)進行分配。MCU的兩個16位ADC都可以用作兩個單端輸入ADC（有效地用作四個ADC）或用作單個差分輸入ADC。
工業(yè)級通訊外設包括以太網(wǎng)、CAN-FD、BLDC/PMSM馬達控制支持、高速和全速USB以及內(nèi)置傳感器接口（MIPI-I3C、I2C、UART和SPI）。為了提高靈活性，恩智浦的低功耗Flexcomm接口允許十個串行周邊（包括SPI、UART和I2C）任意組合。
MCX N系列內(nèi)建EdgeLock安全子系統(tǒng)，可以安全啟動不可變的信任根、實現(xiàn)硬件加速加密、主動和被動入侵檢測以及電壓和溫度篡改檢測。這種安全架構(gòu)為現(xiàn)場更新和在線傳輸提供支持，并防止遠程原始設計制造商（ODM）過度生產(chǎn)。
為了簡化和加速系統(tǒng)開發(fā)，MCX N系列支持恩智浦的MCUXpresso軟件套件。開發(fā)人員可以選擇使用功能全面的MCUXpresso IDE或IAR和Keil的IDE。恩智浦為驅(qū)動程序和中間件提供大量范例，并支持一系列RTOS選項，恩智浦的合作伙伴生態(tài)體系也提供一系列兼容中間件，如此可以實現(xiàn)大量應用程序的快速開發(fā)。

（本文作者CK Phua為NXP邊緣處理業(yè)務部微控制器產(chǎn)品經(jīng)理）