2024年MCU大變局：NPU和64位

嵌入式專欄

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作者 | 付斌
出品 | 電子工程世界
今年非常流行一句話，叫做“無AI，不終端”。在MCU領(lǐng)域，也正在進(jìn)行著邊緣AI和TinyML的革命。對于MCU來說，跑AI也是非常重點(diǎn)的應(yīng)用之一。前兩天，就連實(shí)時控制派系的MCU TI C2000都開始搭載NPU和64位化。可見，MCU正在加速向AI進(jìn)化。
帶NPU的C2000：能干什么


TI在最近推出的兩款MCU，第一款是業(yè)界首款具有集成神經(jīng)處理單元（NPU）的實(shí)時微控制器產(chǎn)品組合TMS320F28P55x系列（簡稱F28P55x系列），可實(shí)現(xiàn)高精度和低延遲的故障檢測。F28P55x系列中的NPU從主CPU卸載了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的執(zhí)行，與軟件實(shí)現(xiàn)相比，延遲降低了5～10倍，從而實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的決策。此外，在集成NPU上運(yùn)行的模型通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)并適應(yīng)不同環(huán)境，可以幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超過99%的故障檢測準(zhǔn)確率，從而在邊緣做出更明智的決策。從官方的Datasheet來看，F(xiàn)28P55x的實(shí)時內(nèi)核采用C28x系列的32位150MHz DSP MCU，通過浮點(diǎn)單元（FPU）、三角函數(shù)數(shù)學(xué)單元（TMU）和VCRC（循環(huán)冗余檢查）擴(kuò)展指令集得到進(jìn)一步增強(qiáng)，加快了實(shí)時控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的通用算法的速度；擁有獨(dú)立的32位浮點(diǎn)加速器150MHZ CLA，其擁有專用內(nèi)存資源，可以直接訪問典型控制系統(tǒng)中所需的鍵外圍設(shè)備；NPU具有600～1200MOPS（每秒百萬操作）的能力（600MOPS at75MHz on 8bWx8bD，1200MOPS at 75MHz on 4bWx8bD），與僅基于軟件的實(shí)現(xiàn)相比，NP最多可提供10倍的NN推理周期改進(jìn)。

帶NPU有什么用？根據(jù)TI官方的介紹，工程師面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計能夠?qū)崟r做出準(zhǔn)確、智能決策的系統(tǒng)，以執(zhí)行太陽能和儲能系統(tǒng)中的電弧故障檢測以及用于預(yù)測性維護(hù)的電機(jī)軸承故障檢測等功能。而TI新型的F28P55x系列通過確保實(shí)時處理的一致性能來應(yīng)對這兩個挑戰(zhàn)。
若要維持電機(jī)驅(qū)動和太陽能系統(tǒng)的可靠運(yùn)作，需要快速且可預(yù)測的系統(tǒng)故障偵測，以協(xié)助減少誤報，同時也需監(jiān)控電機(jī)軸承異常和實(shí)際故障。支持邊緣AI的MCU可監(jiān)控兩種類型的故障：當(dāng)電機(jī)軸承出現(xiàn)異常狀況或劣化時，就會發(fā)生電機(jī)軸承故障。檢測這些故障對于防止意外故障、減少停機(jī)時間和降低維護(hù)成本十分重要。太陽能電弧故障是指當(dāng)電流流經(jīng)非預(yù)期路徑（如空氣） 時發(fā)生的電弧放電。太陽能電弧故障通常是由太陽能系統(tǒng)中出現(xiàn)絕緣崩潰、連接松動或其他故障所引起。放電會產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量，導(dǎo)致火災(zāi)或損壞電氣系統(tǒng)。監(jiān)控與偵測太陽能電弧故障有助于預(yù)防危險事件的發(fā)生，并確保太陽能系統(tǒng)的安全性與可靠性。上述兩種故障，傳統(tǒng)人工判讀或者分析頻域電流信號再套用閾值式規(guī)則來檢測電弧故障信號需要大量系統(tǒng)專業(yè)只是，在適應(yīng)性和靈敏度等方面存在限制。適用于馬達(dá)軸承和電弧故障檢測的CNN模型可從振動信號等原始傳感器數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)復(fù)雜的模式，然后檢測指示軸承故障的微妙變化。通過在MCU執(zhí)行CNN模型，可能有助于提高故障偵測率，進(jìn)而協(xié)助避免誤報，同時提供更佳的預(yù)測性維護(hù)。透過邊緣AI，這些系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)并適應(yīng)其環(huán) 境，以便優(yōu)化實(shí)時控制，提高整體系統(tǒng)可靠性、安全性和效率，同時減少停機(jī)時間。對于馬達(dá)驅(qū)動，CNN可以根據(jù)振動或電流信號識別故障模式，例如軸承磨損或轉(zhuǎn)子不平衡。在太陽能系統(tǒng)中，CNN可檢測 DC 電流波形的異常，以進(jìn)行電弧故障檢測。在電池管理應(yīng)用中，CNN 模型可以分析電池充電曲線 壽命、電池健康狀況監(jiān)控和電池充電狀態(tài)評估。其適應(yīng)性可確保在動態(tài)條件下準(zhǔn)確偵測故障，同時實(shí)時處理則能優(yōu)化效率。

64位C2000：比32位C28強(qiáng)2～5倍


第二款產(chǎn)品為F29H85x系列，它基于TI的新型64位C29 DSP CPU內(nèi)核構(gòu)建，提供具有集成功能安全和信息安全功能的高級架構(gòu)。官方介紹，基于C29內(nèi)核的MCU，性能是以前TI C28內(nèi)核產(chǎn)品和市場上其MCU的2～5倍。官方Datasheet顯示，F(xiàn)29H85x系列實(shí)時控制子系統(tǒng)具有多達(dá)三個200MHz C29x DSP內(nèi)核。C29x支持從片上閃存或RAM運(yùn)行的32位和64位浮點(diǎn)和定點(diǎn)信號處理。器件包含許多功能，以支持系統(tǒng)級ASIL-D功能安全解決方案。C29x CPU1和CPU2內(nèi)核可以鎖步，用于檢測永久和瞬態(tài)故障。C29核心的創(chuàng)新包括：重新設(shè)計的平臺：采用VLIW架構(gòu)并配備完全保護(hù)的流水線，能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)8條指令的并行執(zhí)行。新的編譯器：通過基于LLVM/Clang的編譯器提高性能，無需自定義編碼或匯編即可實(shí)現(xiàn)性能提升。重新設(shè)計的中斷性能：硬件支持快速的自動上下文保存和恢復(fù)，以應(yīng)對實(shí)時中斷。新的中斷控制器允許完全用戶配置中斷優(yōu)先級和閾值。增強(qiáng)的平臺性能：具備低延遲的內(nèi)存和外設(shè)互連設(shè)計，內(nèi)置安全和保護(hù)功能，增強(qiáng)保護(hù)的同時保持最大實(shí)時性能。

F29H85x系列MCU的應(yīng)用主要瞄準(zhǔn)電動汽車實(shí)時控制方面。
根據(jù)官方文檔，使用F29H85x系列MCU，設(shè)計人員可以同步分配MCU三個內(nèi)核中的兩個，以處理主機(jī)MCU所需的關(guān)鍵功能，例如AUTOSAR和ASIL-D完整性級別的關(guān)鍵安全和安保任務(wù)，而其余內(nèi)核則處理系統(tǒng)中的控制功能。C29核心與安全與防護(hù)單元（SSU）的集成，實(shí)現(xiàn)了在同一核心上無縫執(zhí)行多個控制功能，同時防止各功能之間相互干擾。F29H85x 系列 MCU 通過增強(qiáng)的 EPWM 功能，進(jìn)一步提升了汽車系統(tǒng)的性能，使得新型控制拓?fù)浜退惴ǖ膽?yīng)用成為可能，例如矩陣變換器拓?fù)�。這些功能包括復(fù)雜的比較方案，并集成了安全檢查，如保證最小死區(qū)和非法組合邏輯。此外，這些 MCU 中集成的 ADC 幫助實(shí)現(xiàn)精確的傳感功能，具備硬件過采樣和結(jié)果安全檢查等特性，從而減少了執(zhí)行常見任務(wù)所需的軟開銷。
邊緣NPU火了，但有些廠商更為保守


過去MCU中一直都存在的DSP和FPU，一定程度上都能對AI進(jìn)行、加速。但AI模型愈發(fā)復(fù)雜化，僅依靠DPS和FPU算力無疑是不足的。所以廠商都開始向MCU中塞入NPU，像手機(jī)SoC、AI PC那樣，大幅度降低MCU在AI上的功耗。恩智浦在上個月推出了擁有NPU的跨界MCU i.MX RT700，至此，恩智浦MCU、跨界MCU、應(yīng)用處理器三大系列均擁有了NPU。也就是說，恩智浦整個產(chǎn)品線都內(nèi)置了AI/ML加速器功能，算力覆蓋從10G到幾T TOPS。R700相比于前代產(chǎn)品，提升幅度非常之大，可以說是“降維打擊”，早在發(fā)布之前就引發(fā)了工程師群體的討論。相比上一代產(chǎn)品，其在邊緣提供高達(dá)172倍的速度提升和119倍的節(jié)能，同時功耗比上一代產(chǎn)品降低了30～70%。

今年4月，英飛凌發(fā)布新一代PSOC Edge產(chǎn)品組合。從具體產(chǎn)品來看，有用Arm NPU的，也有自家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器：PSOC Edge E83和E84內(nèi)置Arm Ethos -U55 NPU處理器，E81采用Arm Helium DSP技術(shù)和英飛凌NNLite神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）加速器。

瑞薩一直也布局AI，其曾在去年發(fā)布內(nèi)置瑞薩電子獨(dú)家硬件加速器 “DRP，動態(tài)可配置處理器-AI”的RZ/V2MA系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了精確圖像識別和多攝像頭圖像支持功能。據(jù)了解，DRP-AI專為嵌入式機(jī)器視覺類AI/ML應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計，可提供實(shí)時AI推理和圖像處理功能，兼具高AI推理性能和低功耗特性，家族化產(chǎn)品支持0.4~80TOPS不等的可擴(kuò)展AI算力，為資源有限的嵌入式端側(cè)AI應(yīng)用提供差異化有競爭力的解決方案。

ADI也在自己的產(chǎn)品中加入了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）加速器，其推出的邊緣AI解決方案MAX7800X系列MCU，由兩個微控制器內(nèi)核（ARM Cortex M4F和RISC-V）加上一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）加速器構(gòu)成。

ST也看好NPU在MCU或者M(jìn)PU中的表現(xiàn)，但是不知道為什么產(chǎn)品姍姍來遲。2022年，報道稱ST將推出其首款配備完整神經(jīng)處理單元 (NPU) 的微控制器STM32N6。而后，又在Embedded World 2023上搶先展示了STM32N6。筆者猜測，可能ST對于NPU的態(tài)度上比較保守。目前來說，市場上MCU都在陸續(xù)利用NPU或是自己研發(fā)的神經(jīng)處理加速器布局邊緣AI，Arm、Cadence、Synopsys、Verisilicon、Ceva等IP廠商的NPU IP也在逐漸滲透至MCU中。但總體來說，MCU廠商走得并沒有其他領(lǐng)域那么快。因為市面上跑的邊緣AI，其實(shí)絕大多數(shù)情況下，無論是Arm核，還是用DSP、FPU，不帶NPU的通用MCU已經(jīng)能夠滿足基本要求。與AI PC或者AI手機(jī)不同，MCU領(lǐng)域給產(chǎn)品中增加NPU需要實(shí)打?qū)嵉膽?yīng)用，否則容易缺乏市場。AI PC或者AI手機(jī)就不一樣了，因為這些領(lǐng)域可以隨時增加一些AI軟件之類的，消費(fèi)者可以提前買單�？v觀幾家加入NPU的廠商，都在市場上擁有了應(yīng)用的驗證，初步形成了良好的循環(huán)。等到下游的所有產(chǎn)品都加入了AI功能，并且滲入到了生活，相信邊緣AI和NPU MCU會發(fā)展的比現(xiàn)在更加迅速。
也許是真正意義的64位MCU


事實(shí)上，在過去多年，似乎還沒有真正意義上的64位MCU。雖然有些搭載RISC-V CPU的產(chǎn)品，偶爾還叫MCU，但也可以算作SoC。而TI的C2000，作為一款DSP MCU，跨越64位很明顯可以快速拉升性能。64位MCU主要解決的問題是4GB物理尋址的瓶頸，顯然，目前MCU領(lǐng)域使用64位還并不具備很強(qiáng)的意義。因為，現(xiàn)在32位的性能足夠了，64位在絕大的場景下沒有必要。一位工程師表示，歷史上也出現(xiàn)過一些所謂的64位產(chǎn)品，比如K210是64位的，而且是雙核64位的，但是絕大多數(shù)場合下64位沒有必要，一些特殊場合會出現(xiàn)64位，比如AI。也許，邊緣AI如果能繼續(xù)火下去，而且模型變得更大時，也許64位MCU就會逐漸流行起來。
參考文獻(xiàn)
[1]https://www.ti.com/about-ti/newsroom/news-releases/2024/2024-11-11-new-ti-mcus-enable-edge-ai-and-industry-leading-real-time-control-to-advance-system-efficiency--safety-and-sustainability.html[2]https://www.ti.com/lit/ds/symlink/f29h850tu.pdf?ts=1731401489469&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FF29H850TU[3]https://www.ti.com/lit/ab/spradn6/spradn6.pdf?hqs=epd-asm-cd-rtc_f29xxx-pr-ta-electronicanews-wwe&ts=1731478773238&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fabout-ti%252Fnewsroom%252Fnews-releases%252F2024%252F2024-11-11-new-ti-mcus-enable-edge-ai-and-industry-leading-real-time-control-to-advance-system-efficiency--safety-and-sustainability.html[4]https://www.ti.com/lit/ta/nest132/nest132.pdf?ts=1731459244792&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTMS320F28P550SJ[5]https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f28p550sj.pdf?ts=1731463855496&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Ftool%252FTIDA-010933[6]https://blog.st.com/stm32n6/

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