IoT và SoC di động: Sức mạnh xử lý cho thiết bị thế hệ tiếp theo

Kể từ khi những chiếc smartphone đầu tiên xuất hiện trên thị trường, cuộc đua đã bắt đầu nhằm tích hợp nhiều chức năng hơn vào một thiết bị duy nhất. Điều này không chỉ xảy ra ở cấp độ phần mềm, mà còn đòi hỏi phần cứng phù hợp để cung cấp sức mạnh xử lý cần thiết. Với việc ngày càng nhiều chức năng được tích hợp vào không gian nhỏ hơn, những chiếc smartphone mới hơn bao gồm các thiết bị hệ thống trên chip (SoC) mạnh mẽ hơn, cung cấp khả năng xử lý dữ liệu và giao tiếp với các hệ thống phụ trợ trong thiết bị di động.

Các SoC di động dành cho smartphone mới và IoT bao gồm modem LTE, bộ xử lý đồ họa, bộ xử lý tín hiệu số để hỗ trợ chức năng trí tuệ nhân tạo (AI), bộ nhớ cache, bảo mật thiết bị và các chức năng khác, tất cả được tích hợp vào một chip duy nhất. Các sản phẩm mới sẽ yêu cầu SoC di động mạnh mẽ khi cuộc cách mạng IoT tiếp tục và nhu cầu về chức năng trong các thiết bị này tiếp tục mở rộng.

IoT và Bộ Điều Khiển SoC Di Động

Với các thiết bị IoT mới yêu cầu tích hợp nhiều chức năng ở cấp độ phần mềm đã được giao cho máy tính từ lâu, những thiết bị này sẽ cần sức mạnh xử lý lớn hơn để sử dụng trong một loạt ứng dụng mới. Một số chức năng được hình dung bao gồm học máy và trí tuệ nhân tạo, cả hai đều là các ứng dụng tiêu thụ nhiều xử lý và bộ nhớ. Các chip tiên tiến nhất hiện được sử dụng trong các smartphone có sẵn trên thị trường là A12 Bionic của Apple, Snapdragon 855 của Qualcomm và Kirin 980 của Huawei, được chế tạo bằng quy trình lithography 7 nm. Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh tính năng giữa ba loại.

Các bộ điều khiển SoC Kirin 980 và Snapdragon 855 có CPU dựa trên kiến trúc ARM, là viết tắt của Advanced Reduced Instruction Set Computing (RISC) Machine. Kiến trúc này được cấp phép cho các nhà sản xuất chip vi điều khiển để tích hợp vào bộ điều khiển cho thiết bị di động. Kiến trúc RISC trong các bộ điều khiển SoC dựa trên ARM yêu cầu ít transistor hơn, do đó những bộ điều khiển này có giá thành thấp hơn và tỏa nhiệt ít hơn so với các bộ điều khiển được tìm thấy trong hầu hết máy tính cá nhân. Điều này làm cho các SoC di động dựa trên ARM phù hợp với smartphone, thiết bị IoT và các hệ thống nhúng khác.

Thế hệ mới nhất của các bộ xử lý ARM Cortex-M nhắm đến các ứng dụng thiết bị IoT bằng cách cung cấp giải pháp bảo mật và học máy, ngoài các yêu cầu hệ thống nhúng hiệu suất cao như phản ứng ngắt xác định thời gian thực, tiêu thụ điện năng thấp và kích thước từ 32-bit hoặc 64-bit.

Các bộ xử lý Cortex-M23 và Cortex-M33 có sẵn với công nghệ bảo mật được gọi là TrustZone^TM, cung cấp sự cô lập phần cứng trên toàn hệ thống cho phần mềm đáng tin cậy. Các lõi Cortex-M7 và Cortex-M33 hỗ trợ xử lý tín hiệu số (DSP) và xử lý dấu phẩy động đơn độ chính xác (32-bit). Những khả năng này sẽ cho phép học máy trên thiết bị được sử dụng trong các ứng dụng như thị giác máy tính và tính toán biên cho các thiết bị IoT.

ARM Cortex Mobile SoC Microcontrollers

ST Microelectronics, STM32L552RC

Dòng thiết bị STM32L552xx là một gia đình microcontroller siêu tiết kiệm năng lượng (STM32L5 Series) được xây dựng trên cơ sở lõi ARM Cortex-M33 32-bit RISC trong gói 64-pin LQFP. Những thiết bị này bao gồm bộ nhớ tốc độ cao tích hợp (256 KB SRAM/512 KB Flash), một loạt các I/O và ngoại vi nâng cao trên hai bus APB, và hai bus AHB với một ma trận bus AHB 32-bit đa năng:

Lõi Cortex-M33 tích hợp một đơn vị xử lý dấu phẩy động đơn độ chính xác (FPU), hỗ trợ tất cả các lệnh xử lý dữ liệu đơn độ chính xác của Arm^® và tất cả các loại dữ liệu. Lõi Cortex-M33 cũng thực hiện một bộ đầy đủ các lệnh DSP (xử lý tín hiệu số), hỗ trợ TrustZone và một đơn vị bảo vệ bộ nhớ (MPU) nâng cao bảo mật cho ứng dụng. [Từ tài liệu sản phẩm]

Ngoài ra, những thiết bị này bao gồm hai ADC 12-bit 5 Msps, hai kênh DAC, hai bộ so sánh, hai bộ khuếch đại hoạt động, một bộ lưu trữ tham chiếu điện áp nội bộ, một RTC tiết kiệm năng lượng, hai bộ đếm thời gian chung 32-bit, hai bộ đếm thời gian PWM 16-bit dành cho điều khiển động cơ, bảy bộ đếm thời gian chung 16-bit, và hai bộ đếm thời gian tiết kiệm năng lượng 16-bit. Các thiết bị hỗ trợ bốn bộ lọc số cho các modulator sigma delta bên ngoài (DFSDM). Tối đa 22 kênh cảm biến dung lượng có sẵn cho tích hợp HMI.

Sơ đồ khối STM32L552RC từ ST Microelectronics.

ST Microelectronics, STM32F746NG

Các dòng sản phẩm STM32F745xx và STM32F746xx có mức giá thấp nhưng vẫn cung cấp khả năng tương đương hoặc tốt hơn so với bộ điều khiển trước đó. Các thiết bị này dựa trên lõi ARM Cortex-M7 32-bit RISC. Nó cũng triển khai một bộ đầy đủ các lệnh DSP và đơn vị bảo vệ bộ nhớ (MPU) để tăng cường bảo mật ứng dụng IoT. Dòng sản phẩm này cũng bao gồm bộ nhớ nhúng tốc độ cao (320 KB SRAM/1 MB Flash), bao gồm 64 KB RAM TCM cho việc xử lý thời gian thực của dữ liệu quan trọng.

Ngoài kiến trúc bus được tìm thấy trong sản phẩm trước, sản phẩm này cung cấp chức năng xử lý/tính toán tín hiệu tương tự với các tính năng giao tiếp tiên tiến:

Tất cả các thiết bị đều cung cấp ba ADC 12-bit, hai DAC, một RTC tiết kiệm năng lượng, mười ba bộ đếm thời gian chung 16-bit bao gồm hai bộ đếm thời gian PWM cho điều khiển động cơ và một bộ đếm thời gian tiết kiệm năng lượng có sẵn trong chế độ Stop, hai bộ đếm thời gian chung 32-bit, một bộ sinh số ngẫu nhiên thực sự (RNG). Chúng cũng tích hợp các giao diện giao tiếp tiêu chuẩn và tiên tiến. [Từ tóm tắt sản phẩm]

NXP Semiconductors, MKL16Z256VLH4

MKL16Z256VLH4 là một SoC di động cực kỳ phải chăng được xây dựng trên lõi ARM Cortex-M0+ chạy ở tốc độ 48 MHz. Mặc dù tốc độ xử lý chậm hơn, nó vẫn cung cấp xử lý 32-bit, tiêu thụ năng lượng cực thấp với chế độ ngủ và bộ nhớ nhúng (32 KB SRAM/256 KB Flash). Với mức giá thấp, nhiều giao diện giao tiếp tiêu chuẩn và các mô-đun tương tự (ADC SAR 16-bit và DAC 12-bit), một ứng dụng cho sản phẩm này là trong các thiết bị IoT nhỏ sẽ thu thập và xử lý tín hiệu từ cảm biến. Sản phẩm này có trong gói 64 chân LQFP, mặc dù có một biến thể có trong gói 64 chân MAPBGA (MKL16Z256VMP4).

Sơ đồ khối MKL16Z256VLH4 từ NXP Semiconductor.

Việc tính toán nhúng trong IoT và các lĩnh vực ứng dụng khác sẽ tiếp tục tiến bộ, và bạn có thể tối đa hóa hiệu suất của hệ thống tiếp theo của mình với vi điều khiển hoặc thiết bị logic lập trình phù hợp.

Chúng tôi hy vọng bạn thấy bài viết này hữu ích! Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.