IoT и мобильные SoC: вычислительная мощность для устройств следующего поколения

С момента появления первых смартфонов началась гонка за внедрение всё большего функционала в одно устройство. Это происходит не только на уровне программного обеспечения, но и требует соответствующего аппаратного обеспечения для предоставления необходимой вычислительной мощности. С увеличением функциональности в меньшем пространстве, новые смартфоны включают всё более мощные системы на кристалле (SoC), которые обеспечивают обработку данных и взаимодействие с другими подсистемами в мобильных устройствах.

Мобильные SoC для использования в новых смартфонах и IoT включают LTE-модем, графический процессор, цифровой сигнальный процессор для поддержки функциональности искусственного интеллекта (ИИ), кэш-память, безопасность устройства и другие функции, все интегрированные в один чип. Новые продукты потребуют мощных мобильных SoC по мере продолжения революции IoT и расширения требований к функциональности этих устройств.

IoT и контроллеры мобильных SoC

С учетом того, что новые устройства IoT требуют интеграции большего количества функций на уровне программного обеспечения, которые долгое время были присущи компьютерам, эти устройства потребуют большей вычислительной мощности для использования в различных новых приложениях. Некоторые предполагаемые функции включают машинное обучение и искусственный интеллект, обе из которых являются приложениями, требующими больших вычислительных и памятных ресурсов. Наиболее продвинутые чипы, в настоящее время используемые в коммерчески доступных смартфонах, это A12 Bionic от Apple, Snapdragon 855 от Qualcomm и Kirin 980 от Huawei, которые изготавливаются с использованием литографического процесса 7 нм. В таблице ниже показано сравнение характеристик между тремя.

Контроллеры SoC Kirin 980 и Snapdragon 855 имеют ЦП, основанные на архитектуре ARM, что является аббревиатурой от Advanced Reduced Instruction Set Computing (RISC) Machine. Эта архитектура лицензирована производителям микроконтроллерных чипов для включения в контроллеры мобильных устройств. Архитектура RISC в контроллерах SoC на базе ARM требует меньшего количества транзисторов, следовательно, эти контроллеры стоят дешевле и рассеивают меньше энергии, чем контроллеры, найденные в большинстве персональных компьютеров. Это делает мобильные SoC на базе ARM хорошо подходящими для смартфонов, устройств IoT и других встроенных систем.

Новейшие поколения процессоров ARM Cortex-M нацелены на приложения устройств IoT, предоставляя решения для безопасности и машинного обучения, в дополнение к высокопроизводительным требованиям встроенных систем, таким как реальное детерминированное прерывание, низкое энергопотребление и размер слова 32-бита или 64-бита.

Процессоры Cortex-M23 и Cortex-M33 доступны с технологией безопасности под названием TrustZone^TM, которая обеспечивает системную аппаратную изоляцию для доверенного программного обеспечения. Ядра Cortex-M7 и Cortex-M33 поддерживают цифровую обработку сигналов (DSP) и одинарную точность (32-битную) обработку с плавающей точкой. Эти возможности позволят машинное обучение на устройстве для использования в таких приложениях, как компьютерное зрение и вычисления на периферии для устройств IoT.

Микроконтроллеры ARM Cortex Mobile SoC

ST Microelectronics, STM32L552RC

Серия устройств STM32L552xx представляет собой семейство микроконтроллеров с ультранизким энергопотреблением (серия STM32L5), построенных на основе 32-битного RISC-ядра ARM Cortex-M33 в корпусе LQFP на 64 контакта. Эти устройства включают встроенные высокоскоростные памяти (256 КБ SRAM/512 КБ Flash), обширный набор улучшенных входов/выходов и периферийных устройств на двух шинах APB и двух шинах AHB с 32-битной матрицей множественных шин AHB:

Ядро Cortex-M33 оснащено блоком одинарной точности с плавающей запятой (FPU), который поддерживает все инструкции обработки данных одинарной точности Arm^® и все типы данных. Ядро Cortex-M33 также реализует полный набор инструкций DSP (цифровой обработки сигналов), поддержку TrustZone и блок защиты памяти (MPU), что повышает безопасность приложения. [Из описания продукта]

Кроме того, эти устройства включают два 12-битных АЦП с частотой дискретизации 5 Мвыб/с, два канала ЦАП, два компаратора, два операционных усилителя, внутренний опорный буфер напряжения, низкоэнергетические RTC, два универсальных 32-битных таймера, два 16-битных ШИМ таймера для управления двигателями, семь универсальных 16-битных таймеров и два 16-битных низкоэнергетических таймера. Устройства поддерживают четыре цифровых фильтра для внешних модуляторов сигма-дельта (DFSDM). Доступно до 22 каналов емкостного сенсорного ввода для интеграции HMI.

Блок-схема STM32L552RC от ST Microelectronics.

ST Microelectronics, STM32F746NG

Серии устройств STM32F745xx и STM32F746xx имеют низкую цену при сохранении сопоставимых или более высоких возможностей по сравнению с предыдущим контроллером. Эти устройства основаны на 32-битном RISC-ядре ARM Cortex-M7. Также реализован полный набор инструкций DSP и блок защиты памяти (MPU) для повышения безопасности приложений IoT. В эту серию устройств также включены высокоскоростные встроенные памяти (320 КБ SRAM/1 МБ Flash), включая 64 КБ TCM RAM для реального времени обработки критических данных.

В дополнение к архитектуре шины, найденной в предыдущем продукте, этот продукт предлагает аналогичные функции обработки/преобразования сигналов с расширенными коммуникационными возможностями:

Все устройства предлагают три 12-битных АЦП, два ЦАП, низкопотребляющие RTC, тринадцать универсальных 16-битных таймеров, включая два таймера ШИМ для управления двигателями и один низкопотребляющий таймер, доступный в режиме Stop, два универсальных 32-битных таймера, генератор истинно случайных чисел (RNG). Они также оснащены стандартными и расширенными интерфейсами связи. [Из описания продукта]

NXP Semiconductors, MKL16Z256VLH4

MKL16Z256VLH4 - это ультрадоступный мобильный SoC, построенный на ядре ARM Cortex-M0+ с частотой 48 МГц. Несмотря на более низкую скорость обработки, он все же обеспечивает 32-битную обработку, ультранизкое энергопотребление с режимом сна и встроенные памяти (32 КБ SRAM/256 КБ Flash). Учитывая его низкую цену, множество стандартных интерфейсов связи и аналоговых модулей (16-битный SAR АЦП и 12-битный ЦАП), одно из применений этого продукта - в небольших IoT-устройствах, которые будут собирать и обрабатывать сигналы от датчиков. Этот продукт поставляется в 64-контактном корпусе LQFP, хотя есть вариант в 64-контактном корпусе MAPBGA (MKL16Z256VMP4).

Блок-схема MKL16Z256VLH4 от NXP Semiconductor.

Встраиваемые вычисления в IoT и других областях применения будут продолжать развиваться, и вы можете максимизировать производительность вашей следующей системы с помощью правильного микроконтроллера или другого программируемого логического устройства.

Надеемся, что этот пост был для вас полезен! Чтобы быть в курсе наших последних статей, подпишитесь на нашу рассылку.