IoT und Mobile SoCs: Rechenleistung für Geräte der nächsten Generation

Seitdem die ersten Smartphones auf den Markt kamen, läuft das Rennen darum, mehr Funktionalität in ein einzelnes Gerät zu packen. Dies geschieht nicht nur auf der Softwareebene, sondern erfordert auch die richtige Hardware, um die notwendige Verarbeitungsleistung zu bieten. Mit mehr Funktionalität, die in einen kleineren Raum gepackt wird, enthalten neuere Smartphones immer leistungsfähigere System-on-Chip (SoC)-Geräte, die die Datenverarbeitung und die Schnittstelle zu anderen Untersystemen in mobilen Geräten bereitstellen.

Mobile SoCs für den Einsatz in neueren Smartphones und IoT beinhalten ein LTE-Modem, einen Grafikprozessor, einen digitalen Signalprozessor zur Unterstützung von künstlicher Intelligenz (KI)-Funktionalität, Cache-Speicher, Gerätesicherheit und andere Funktionen, alles integriert in einem einzigen Chip. Neue Produkte werden leistungsfähige mobile SoCs benötigen, da die IoT-Revolution weitergeht und die Funktionsanforderungen in diesen Geräten weiter zunehmen.

IoT und Mobile SoC-Controller

Mit neueren IoT-Geräten, die die Integration von mehr Software-Ebene-Funktionen erfordern, die seit einiger Zeit Computern vorbehalten waren, werden diese Geräte mehr Verarbeitungsleistung für den Einsatz in einer Vielzahl neuer Anwendungen benötigen. Einige der vorgesehenen Funktionen umfassen maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz, beides sind verarbeitungs- und speicherintensive Anwendungen. Die derzeit fortschrittlichsten Chips, die in kommerziell erhältlichen Smartphones verwendet werden, sind Apples A12 Bionic, Qualcomms Snapdragon 855 und Huaweis Kirin 980, die mit einem 7-nm-Lithographieprozess hergestellt werden. Die Tabelle unten zeigt einen Funktionsvergleich zwischen den dreien.

Die Kirin 980 und Snapdragon 855 SoC-Controller haben CPUs, die auf der ARM-Architektur basieren, ein Akronym für Advanced Reduced Instruction Set Computing (RISC) Machine. Diese Architektur wird an Mikrocontroller-Chiphersteller lizenziert, um in Controllern für mobile Geräte enthalten zu sein. Die RISC-Architektur in ARM-basierten SoC-Controllern benötigt weniger Transistoren, daher kosten diese Controller weniger und verbrauchen weniger Energie als Controller, die in den meisten Personal Computern zu finden sind. Dies macht ARM-basierte mobile SoCs gut geeignet für Smartphones, IoT-Geräte und andere eingebettete Systeme.

Die neuesten Generationen von ARM Cortex-M-Prozessoren zielen auf IoT-Geräteanwendungen ab, indem sie Sicherheits- und maschinelle Lernlösungen bieten, zusätzlich zu den Anforderungen an Hochleistungs-Eingebettete-Systeme wie Echtzeit deterministische Interrupt-Antwort, geringer Energieverbrauch und 32-Bit- oder 64-Bit-Wortgröße.

Die Cortex-M23 und Cortex-M33 Prozessoren sind mit einer Sicherheitstechnologie namens TrustZone^TM verfügbar, die eine systemweite Hardware-Isolation für vertrauenswürdige Software bietet. Die Kerne Cortex-M7 und Cortex-M33 unterstützen die digitale Signalverarbeitung (DSP) und die Verarbeitung von Gleitkommazahlen mit einfacher Genauigkeit (32-Bit). Diese Fähigkeiten ermöglichen maschinelles Lernen auf dem Gerät für Anwendungen wie Computer Vision und Edge Computing für IoT-Geräte.

ARM Cortex Mobile SoC Mikrocontroller

ST Microelectronics, STM32L552RC

Die STM32L552xx-Serie von Geräten ist eine Familie von Mikrocontrollern mit extrem niedrigem Stromverbrauch (STM32L5-Serie), die auf dem 32-Bit-RISC-Kern ARM Cortex-M33 in einem 64-Pin-LQFP-Gehäuse basiert. Diese Geräte umfassen eingebettete Hochgeschwindigkeitsspeicher (256 KB SRAM/512 KB Flash), eine umfangreiche Auswahl an erweiterten I/Os und Peripheriegeräten auf zwei APB-Bussen und zwei AHB-Bussen mit einer 32-Bit-Multi-AHB-Busmatrix:

Der Cortex-M33-Kern verfügt über eine Einheit für Gleitkommazahlen mit einfacher Genauigkeit (FPU), die alle Arm^®-Datenverarbeitungsinstruktionen mit einfacher Genauigkeit und alle Datentypen unterstützt. Der Cortex-M33-Kern implementiert auch einen vollständigen Satz von DSP (digitale Signalverarbeitung)-Instruktionen, TrustZone-bewusste Unterstützung und eine Speicherschutzeinheit (MPU), die die Sicherheit der Anwendung erhöht. [Aus dem Produktbrief]

Zusätzlich enthalten diese Geräte zwei 5 Msps 12-Bit-ADCs, zwei DAC-Kanäle, zwei Komparatoren, zwei Operationsverstärker, einen internen Spannungsreferenzpuffer, eine stromsparende RTC, zwei allgemeine 32-Bit-Timer, zwei 16-Bit-PWM-Timer für die Motorsteuerung, sieben allgemeine 16-Bit-Timer und zwei 16-Bit-Stromspartimer. Die Geräte unterstützen vier digitale Filter für externe Sigma-Delta-Modulatoren (DFSDM). Bis zu 22 kapazitive Sensorkanäle stehen für HMI-Integration zur Verfügung.

Blockdiagramm des STM32L552RC von ST Microelectronics.

ST Microelectronics, STM32F746NG

Die STM32F745xx und STM32F746xx-Serie von Geräten haben einen niedrigen Preis, bieten jedoch vergleichbare oder bessere Fähigkeiten als der vorherige Controller. Diese Geräte basieren auf dem ARM Cortex-M7 32-Bit-RISC-Kern. Sie implementieren auch einen vollständigen Satz von DSP-Befehlen und eine Speicherschutzeinheit (MPU) für verbesserte IoT-Anwendungssicherheit. Diese Serie von Geräten integriert auch Hochgeschwindigkeitsspeicher (320 KB SRAM/1 MB Flash), einschließlich 64 KB TCM RAM für die Echtzeitverarbeitung kritischer Daten.

Zusätzlich zur Busarchitektur des vorherigen Produkts bietet dieses Produkt ähnliche Signalverarbeitungs-/Konvertierungsfunktionen mit fortschrittlichen Kommunikationsfunktionen:

Alle Geräte bieten drei 12-Bit-ADCs, zwei DACs, eine stromsparende RTC, dreizehn allgemeine 16-Bit-Timer einschließlich zwei PWM-Timer für die Motorsteuerung und einen stromsparenden Timer, der im Stoppmodus verfügbar ist, zwei allgemeine 32-Bit-Timer, einen echten Zufallszahlengenerator (RNG). Sie verfügen auch über Standard- und erweiterte Kommunikationsschnittstellen. [Aus dem Produktbrief]

NXP Semiconductors, MKL16Z256VLH4

Der MKL16Z256VLH4 ist ein extrem preisgünstiger mobiler SoC, der auf dem ARM Cortex-M0+ Kern mit 48 MHz läuft. Obwohl er eine langsamere Verarbeitungsgeschwindigkeit bietet, bietet er dennoch 32-Bit-Verarbeitung, extrem niedrigen Stromverbrauch mit Schlafmodus und eingebettete Speicher (32 KB SRAM/256 KB Flash). Angesichts seines niedrigeren Preispunkts, mehrerer Standardkommunikationsschnittstellen und analoger Module (16-Bit-SAR-ADC und 12-Bit-DAC) ist eine Anwendung für dieses Produkt in kleinen IoT-Geräten, die Signale von Sensoren erfassen und verarbeiten werden. Dieses Produkt wird in einem 64-Pin-LQFP-Gehäuse geliefert, obwohl es eine Variante gibt, die in einem 64-Pin-MAPBGA-Gehäuse geliefert wird (MKL16Z256VMP4).

Blockdiagramm des MKL16Z256VLH4 von NXP Semiconductor.

Die eingebettete Datenverarbeitung in IoT und anderen Anwendungsbereichen wird weiter fortschreiten, und Sie können die Leistung Ihres nächsten Systems mit dem richtigen Mikrocontroller oder anderen programmierbaren Logikgeräten maximieren.

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