IoT i mobilne SoC: Moc obliczeniowa dla urządzeń nowej generacji

Od kiedy pierwsze smartfony trafiły na rynek, trwa wyścig, aby zapakować jak najwięcej funkcjonalności w jedno urządzenie. Nie dzieje się to tylko na poziomie oprogramowania, wymaga to również odpowiedniego sprzętu, aby zapewnić niezbędną moc obliczeniową. Z większą funkcjonalnością pakowaną w mniejszą przestrzeń, nowsze smartfony zawierają coraz bardziej zaawansowane układy system-on-chip (SoC), które zapewniają przetwarzanie danych i interfejs z innymi podsystemami w urządzeniach mobilnych.

Mobilne układy SoC do użytku w nowszych smartfonach i IoT zawierają modem LTE, procesor graficzny, procesor sygnałów cyfrowych wspierający funkcjonalność sztucznej inteligencji (AI), pamięć podręczną, bezpieczeństwo urządzenia i inne funkcje, wszystko zintegrowane w jednym chipie. Nowe produkty będą wymagać potężnych mobilnych układów SoC, ponieważ rewolucja IoT trwa i zapotrzebowanie na funkcjonalność w tych urządzeniach ciągle rośnie.

IoT i kontrolery mobilne SoC

Z nowymi urządzeniami IoT wymagającymi integracji większej liczby funkcji na poziomie oprogramowania, które od pewnego czasu były relegowane do komputerów, te urządzenia będą potrzebować większej mocy obliczeniowej do użytku w różnorodnych nowych aplikacjach. Niektóre przewidywane funkcjonalności to uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja, obie z nich są aplikacjami wymagającymi dużej mocy obliczeniowej i pamięci. Najbardziej zaawansowane chipy obecnie używane w komercyjnie dostępnych smartfonach to A12 Bionic firmy Apple, Snapdragon 855 firmy Qualcomm i Kirin 980 firmy Huawei, które są produkowane przy użyciu procesu litograficznego 7 nm. Poniższa tabela pokazuje porównanie funkcji między tymi trzema.

Kontrolery SoC Kirin 980 i Snapdragon 855 mają procesory oparte na architekturze ARM, co jest akronimem od Advanced Reduced Instruction Set Computing (RISC) Machine. Ta architektura jest licencjonowana producentom chipów mikrokontrolerów do włączenia w kontrolery dla urządzeń mobilnych. Architektura RISC w kontrolerach SoC opartych na ARM wymaga mniej tranzystorów, stąd te kontrolery kosztują mniej i dysypują mniej mocy niż kontrolery znajdujące się w większości komputerów osobistych. To sprawia, że mobilne układy SoC oparte na ARM są dobrze przystosowane do smartfonów, urządzeń IoT i innych systemów wbudowanych.

Najnowsze generacje procesorów ARM Cortex-M są ukierunkowane na aplikacje urządzeń IoT, zapewniając rozwiązania z zakresu bezpieczeństwa i uczenia maszynowego, oprócz wysokowydajnych wymagań systemów wbudowanych, takich jak deterministyczna odpowiedź przerwania w czasie rzeczywistym, niskie zużycie energii i rozmiar słowa 32-bitowego lub 64-bitowego.

Procesory Cortex-M23 i Cortex-M33 są dostępne z technologią bezpieczeństwa o nazwie TrustZone^TM, która zapewnia systemową izolację sprzętową dla zaufanego oprogramowania. Rdzenie Cortex-M7 i Cortex-M33 zapewniają wsparcie dla przetwarzania sygnałów cyfrowych (DSP) oraz pojedynczej precyzji (32-bitowej) przetwarzania zmiennoprzecinkowego. Te możliwości umożliwią uczenie maszynowe na urządzeniu do zastosowania w aplikacjach takich jak wizja komputerowa i przetwarzanie na krawędzi dla urządzeń IoT.

Mikrokontrolery ARM Cortex Mobile SoC

ST Microelectronics, STM32L552RC

Seria urządzeń STM32L552xx to ultra-niskomocna rodzina mikrokontrolerów (Seria STM32L5) zbudowana na bazie 32-bitowego rdzenia RISC ARM Cortex-M33 w obudowie LQFP o 64 pinach. Urządzenia te zawierają wbudowane szybkie pamięci (256 KB SRAM/512 KB Flash), obszerny zakres ulepszonych wejść/wyjść i peryferiów na dwóch magistralach APB oraz dwóch magistralach AHB z 32-bitową matrycą magistrali wielu AHB:

Rdzeń Cortex-M33 zawiera jednostkę zmiennoprzecinkową (FPU) pojedynczej precyzji, która obsługuje wszystkie instrukcje przetwarzania danych pojedynczej precyzji Arm^® oraz wszystkie typy danych. Rdzeń Cortex-M33 implementuje również pełny zestaw instrukcji DSP (przetwarzanie sygnałów cyfrowych), wsparcie świadome TrustZone oraz jednostkę ochrony pamięci (MPU), co zwiększa bezpieczeństwo aplikacji. [Z noty produktowej]

Ponadto, te urządzenia zawierają dwa 12-bitowe przetworniki ADC o szybkości 5 Msps, dwa kanały DAC, dwa komparatory, dwa wzmacniacze operacyjne, wewnętrzny bufor referencyjny napięcia, niskomocowy RTC, dwa ogólnego przeznaczenia 32-bitowe timery, dwa 16-bitowe timery PWM dedykowane do sterowania silnikami, siedem ogólnego przeznaczenia 16-bitowych timerów oraz dwa 16-bitowe timery niskomocowe. Urządzenia obsługują cztery cyfrowe filtry dla zewnętrznych modulatorów sigma delta (DFSDM). Dostępnych jest do 22 kanałów czujników pojemnościowych do integracji HMI.

Schemat blokowy STM32L552RC od ST Microelectronics.

ST Microelectronics, STM32F746NG

Seriale urządzeń STM32F745xx i STM32F746xx mają niską cenę przy jednoczesnym oferowaniu porównywalnych lub lepszych możliwości niż poprzedni kontroler. Urządzenia te oparte są na rdzeniu ARM Cortex-M7 32-bit RISC. Implementują również pełny zestaw instrukcji DSP i jednostkę ochrony pamięci (MPU) dla zwiększonego bezpieczeństwa aplikacji IoT. Ta seria urządzeń zawiera również szybkie wbudowane pamięci (320 KB SRAM/1 MB Flash), w tym 64 KB RAM TCM do czasu rzeczywistego przetwarzania krytycznych danych.

W dodatku do architektury magistrali znalezionej w poprzednim produkcie, ten produkt oferuje podobne funkcje przetwarzania sygnałów/konwersji z zaawansowanymi funkcjami komunikacyjnymi:

Wszystkie urządzenia oferują trzy 12-bitowe ADC, dwa DAC, niskoprądowy RTC, trzynaście ogólnego przeznaczenia 16-bitowych timerów w tym dwa timery PWM do sterowania silnikami i jeden niskoprądowy timer dostępny w trybie Stop, dwa ogólnego przeznaczenia 32-bitowe timery, prawdziwy generator liczb losowych (RNG). Posiadają również standardowe i zaawansowane interfejsy komunikacyjne. [Z noty produktu]

NXP Semiconductors, MKL16Z256VLH4

MKL16Z256VLH4 to ultra-tani mobilny SoC oparty na rdzeniu ARM Cortex-M0+ pracującym z częstotliwością 48 MHz. Chociaż oferuje wolniejszą prędkość przetwarzania, nadal zapewnia 32-bitowe przetwarzanie, ultra-niskie zużycie energii z trybem uśpienia i wbudowane pamięci (32 KB SRAM/256 KB Flash). Biorąc pod uwagę jego niższą cenę, wiele standardowych interfejsów komunikacyjnych i modułów analogowych (16-bitowy SAR ADC i 12-bitowy DAC), jednym z zastosowań tego produktu są małe urządzenia IoT, które będą akwizować i przetwarzać sygnały z czujników. Produkt ten jest dostępny w obudowie 64-pinowej LQFP, chociaż istnieje wariant w obudowie 64-pinowej MAPBGA (MKL16Z256VMP4).

Schemat blokowy MKL16Z256VLH4 od NXP Semiconductor.

Wbudowane obliczenia w IoT i innych obszarach aplikacji będą nadal postępować, i możesz maksymalizować wydajność swojego następnego systemu z odpowiednim mikrokontrolerem lub innym programowalnym urządzeniem logicznym.

Mamy nadzieję, że ten post był dla Ciebie przydatny! Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.