運(yùn)用內(nèi)建加速器的低功耗MCU 打造高性能邊緣智能應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，推動(dòng)了新一輪大規(guī)模的智慧化升級(jí)浪潮。智慧化正在從云端向具有機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）能力的邊緣設(shè)備轉(zhuǎn)移，這些設(shè)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(hù)。為了將邊緣設(shè)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(kāi)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(lái)執(zhí)行ML任務(wù)，同時(shí)最小化功耗預(yù)算以保持節(jié)能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
因應(yīng)未來(lái)的邊緣智慧，恩智浦MCX產(chǎn)品針對(duì)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)、邊緣ML和工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。此平臺(tái)結(jié)合恩智浦LPC和Kinetis MCU系列的DNA，為智能互聯(lián)設(shè)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(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(shí)時(shí)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(yīng)用，具有更廣泛的模擬和馬達(dá)控制外設(shè)，而MCX N54x系列針對(duì)消費(fèi)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

150MHz的MCU能帶來(lái)什么？答案遠(yuǎn)超想象
使用低功耗的150MHz MCU實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理性能、高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和ML功能聽(tīng)起來(lái)似乎非常困難。MCX N94x和MCX N54x基于高性能雙核Arm Cortex-M33，運(yùn)行頻率高達(dá)150 MHz，芯片內(nèi)整合高達(dá)2MB的閃存，可配置的帶ECC檢測(cè)的RAM、智能DMA、DSP協(xié)處理器、安全子系統(tǒng)和恩智浦設(shè)計(jì)的一體化NPU。開(kāi)發(fā)人員可以使用這些內(nèi)核和加速器的任意組合來(lái)完成具體任務(wù)，而無(wú)需提高M(jìn)CU的時(shí)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(yù)算高效地處理多個(gè)復(fù)雜任務(wù)，同時(shí)保證系統(tǒng)的安全性。多核心設(shè)計(jì)通過(guò)智慧、高效地將工作負(fù)載分配到模擬和數(shù)字外設(shè)，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(shí)時(shí)時(shí)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(lái)管理控制功能，使開(kāi)發(fā)人員能夠并行運(yùn)行應(yīng)用程序，或根據(jù)需要關(guān)閉單個(gè)內(nèi)核來(lái)降低總體功耗。例如在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全無(wú)線（OTA）更新期間，主M33內(nèi)核可以處理系統(tǒng)安全，而第二個(gè)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(shí)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(duì)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(shè)備上展現(xiàn)超凡的運(yùn)算力。突破性能邊界，暢想如下的應(yīng)用可能，例如實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型、為門禁控制添加人臉和語(yǔ)音識(shí)別功能、為家庭安全系統(tǒng)建置電池供電的玻璃破碎探測(cè)器、為馬達(dá)控制預(yù)測(cè)維護(hù)開(kāi)發(fā)振動(dòng)傳感器和設(shè)計(jì)配備生物傳感器的智能可穿戴設(shè)備等。

設(shè)計(jì)靈活安全
MCX N系列具有高精度混合信號(hào)模擬周邊，具備更強(qiáng)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(shè)計(jì)，可以持續(xù)收集資料并在本地對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分配。MCU的兩個(gè)16位ADC都可以用作兩個(gè)單端輸入ADC（有效地用作四個(gè)ADC）或用作單個(gè)差分輸入ADC。
工業(yè)級(jí)通訊外設(shè)包括以太網(wǎng)、CAN-FD、BLDC/PMSM馬達(dá)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(gè)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(dòng)不可變的信任根、實(shí)現(xiàn)硬件加速加密、主動(dòng)和被動(dòng)入侵檢測(cè)以及電壓和溫度篡改檢測(cè)。這種安全架構(gòu)為現(xiàn)場(chǎng)更新和在線傳輸提供支持，并防止遠(yuǎn)程原始設(shè)計(jì)制造商（ODM）過(guò)度生產(chǎn)。
為了簡(jiǎn)化和加速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，MCX N系列支持恩智浦的MCUXpresso軟件套件。開(kāi)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(dòng)程序和中間件提供大量范例，并支持一系列RTOS選項(xiàng)，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(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)。

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