نمایشگاه Embedded World 2024: میکروکنترلرها (MCU) و (SoC)ها

Embedded World 2024 که چندی پیش در تاریخ ۹ تا ۱۱ آپریل در شهر نورنبرگ آلمان برگزار شد، میزبان شرکت‌هایی بود که آخرین دستاوردهای خود را در رابطه با امبدد سیستم‌ها شامل به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری به نمایش گذاشتند. محوریت نمایشگاه امسال فناوری‌های اینترنت اشیا، هوش مصنوعی، نمایشگرهای الکترونیک، ایمنی و امنیت، طراحی IC و IP، سیستم‌عامل‌های نهفته و فناوری ارتباطات ماشین با ماشین بود.

در ادامه برخی از قابل‌توجه‌ترین فناوری‌هایی که امسال در نمایشگاه معرفی شدند را بررسی خواهیم کرد.

موضوع اصلی نمایشگاه چالش‌های مربوط به هوش مصنوعی لبه است و به همین دلیل جدیدترین محصولات برای میکروکنترلرها (MCU) و سیستم‌های روی تراشه‌ها (SoCs) در ایونت امسال معرفی شدند. بهبود عملکرد هوش مصنوعی/ماشین لرنینگ یک عامل مهم هم در شرکت‌های نوپا و هم شرکت‌های پیشرو در زمینه تولید تراشه‌ها است، به خصوص که بسیاری از طراحان محصول در تلاش هستند قابلیت‌های هوش مصنوعی را به محصولات خود اضافه کنند.

نظرسنجی سایت Embedded.com در سال 2023 نشان داد که 26٪ از افراد در حال حاضر از هوش مصنوعی امبدد استفاده می‌کنند و 24٪ از افراد به استفاده از آن فکر می‌کنند. این آمار در مورد استفاده از فناوری ماشین لرنینگ به ترتیب 23 و 24 درصد است.

بر اساس گزارش IDTechEx، انتظار می‌رود که بازار جهانی تراشه‌های هوش مصنوعی تا سال 2033 به 257.6 میلیارد دلار برسد. IDTechEx همچنین پیش‌بینی می‌کند که بازار جهانی تراشه‌های هوش مصنوعی برای دستگاه‌های لبه تا سال 2034 به 22 میلیارد دلار افزایش یابد که این از طریق کاربرد آن در دستگاه‌های الکترونیکی، صنعت و خودرو ممکن می‌شود.

پردازنده‌های RISC-V نیز در حال ورود به حوزه هوش مصنوعی لبه هستند، به گونه‌ای که بر اساس تحقیقات ABI Research، تعداد تراشه‌های RISC-V تا سال ۲۰۳۰ به ۱۲۹ میلیون می‌رسد.

در ادامه برخی از محصولاتی که در نمایشگاه امسال عرضه شدند را بررسی خواهیم کرد:

شتاب‌دهنده هوش مصنوعی لبه (edge AI)

پردازنده‌ها و پلتفرم‌های جدید هوش مصنوعی برای حل چالش‌های مرتبط با هوش مصنوعی/ماشین لرنینگ بر قابلیت‌های محاسباتی کافی برای کاربردهای خاص به همراه بهره‌وری انرژی و امنیت تمرکز دارند. همه این‌ها در دستگاه‌های edge AI از گجت‌های پوشیدنی و تلفن‌های هوشمند گرفته تا اینترنت اشیاء صنعتی، تجهیزات هوشمند خانه و وسایل نقلیه هوشمند حائز اهمیت هستند.

شرکت Alif Semiconductor

 Alif Semiconductor به تازگی خبر از عرضه سری Balletto داده و مدعی است که Balletto اولین میکروکنترلر بی‌سیم مجهز به تکنولوژی BLE و مطابق با استاندارد Matter است. Balletto همچنین یک پردازنده عصبی دارد که کاربرد آن در صنعت AI/ML است. در MCUهای جدید Balletto از معماری پیشرفته MCU شرکت استفاده شده است. در این معماری از شتاب‌دهنده DSP و یک NPU اختصاصی برای AI/ML  با مصرف انرژی کم و فناوری مدیریت انرژی aiPM استفاده می‌شود. فناوری aiPM چهار حالت دارد که از جمله آن‌ها حالت توقف با مصرف تنها 700 نانو آمپر است.

MCU های Alif Semiconductor’s Balletto

MCU Balletto که در یک پکیج بسیار کوچک WLCSP عرضه می‌شود، از قابلیت‌های هوش مصنوعی/ماشین لرنینگ مانند شناسایی گفتار، نویز کنسلینگ، هدف‌گیری صوتی (وکال تارگتینگ) و بیم فورمینگ در ایربادهای بی‌سیم استریو (TWS)، سنسور فیوژن/ ترکیب سنسورها در مچ‌بندهای هوشمند و دیگر دستگاه‌هایی که محدودیت ابعادی در طراحی دارند، پشتیبانی می‌کند.

تراشه Balletto یک هسته Arm Cortex-M55 با سرعت ۱۶۰ مگاهرتز دارد که در استاندارد CoreMark EEMBC امتیاز ۷۰۴ را کسب کرده است. بهره‌گیری از اکستنشن برداری (Arm Helium M-profile) در این تراشه سبب شده که عملکرد DSP تا %500 بهبود یابد. این تراشه همچنین یک واحد پردازش عصبی (NPU) به اسم Arm Ethos-U55 دارد که می‌تواند تا ۴۶ گیگ عملیات در ثانیه (GOPS) انجام دهد. حافظه TCM آن هم ۲ مگابایت است.

رادیوی Balletto هم به کمک پردازنده و حافظه جداگانه‌ای که دارد، از عملیات هم‌زمان Bluetooth LE 5.3 و Thread از طریق یک آنتن تکی روی یک چیپ پشتیبانی می‌کند. از این ویژگی می‌توان در شبکه‌ها و سیستم‌های اتوماسیون خانگی که از پروتکل Matter پشتیبانی می‌کنند، استفاده کرد. از دیگر ویژگی‌های آن می‌توان به حساسیت به دریافت سیگنال تا 101- dBm، معماری دوگانهPA ، ۷۷ پین GPIO و الگوریتم‌های پیشرفته‌ای که به جلوگیری از تداخل با دستگاه‌های دیگر و تطابق با سایر پروتکل‌های فرکانس ۲.۴ گیگاهرتز کمک می‌کنند، اشاره کرد.

در میکروکنترلرهای Balletto همچنین از پروتکل‌های امنیتی چند لایه‌ای استفاده شده که اولین بار در میکروکنترلرهای Ensemble و پردازنده‌های ترکیبی شرکت الیف سامیکاندا به کار رفته‌اند.

شرکت Infineon Technologies AG

MCU های Infineon Technologies AG

شرکت Infineon Technologies AG نسل بعدی میکروکنترلرهای PSOC Edge خود را که در حوزه ماشین لرنینگ کاربر دارند، معرفی کرد. این میکروکنترلرها اولین بار در نوامبر ۲۰۲۳ معرفی شدند. سه سری جدید از میکروکنترلرهای PSOC (E81، E83 و E84) عملکرد، ویژگی‌ها و حافظه‌های متنوعی دارند که هر کدام برای یک هدف در IoT و صنعت استفاده می‌شوند. دستگاه‌های سری PSOC Edge E8 با مجموعه کاملی از ابزارها و نرم‌افزارهای طراحی سیستم عرضه می‌شوند.

میکروکنترلرهای PSOC Edge E8x به کمک پردازنده Arm Cortex-M55، عملکرد بالایی دارند و از DSP Helium ،Arm Ethos-U55 ،Cortex-M33 و همچنین NNLite بسیار کم‌مصرف مخصوص شرکت Infineon که یک شتاب‌دهنده سخت‌افزاری در شبکه‌های عصبی است، پشتیبانی می‌کند. هر سه سری از تجهیزات جانبی متعدد، حافظه‌های درون تراشه (on-chip)، امنیت سخت‌افزاری تجهیزات مختلف شامل USB HS/FS مبتنی بر پروتکل PHY CAN، اترنت، Wi-Fi 6، بلوتوث، بلوتوث LE و Matter پشتیبانی می‌کنند.

PSOC Edge E81 از تکنولوژی ARM Helium DSP به همراه شتاب‌دهنده Infineon NNLite استفاده می‌کند. PSOC Edge E83 و E84 از یک میکرو پردازنده نورونی به نام Arm Ethos-U55 استفاده می‌کند که به گفته اینفینیون، باعث بهبود 480 برابری عملکرد ماشین لرنینگ نسبت به سیستم‌های Cortex-M می‌شود. این دو سری همچنین از یک شتاب‌دهنده شبکه عصبی Infineon NNlite در ماشین لرنینگ برای دستگاه‌هایی که محاسبات را با مصرف انرژی کم انجام می‌دهند، پشتیبانی می‌کنند.

تراشه جدید Arm Ethos-U85

تراشه جدید Arm Ethos-U85 از طرح‌های جدید حوزه edge-AI از جمله تراشه‌ Alif و تراشه Infineon که سبب ارتقای 4 برابری عملکرد در کاربردهای edge-AI به طور مثال در اتوماسیون کارخانه و دوربین‌های تجاری یا دوربین‌های خانه‌های هوشمند می‌شود، پشتیبانی می‌کند.

نسل سوم NPU

نسل سوم NPU همچنین کارآمدترین NPU Ethos Arm تا به امروز است که 20 درصد راندمان انرژی بالاتر و 4 برابر عملکرد بهتری نسبت به نسل قبلی دارد. واحد پردازش عصبی (NPU) از ۱۲۸ تا ۲۰۴۸ MAC پشتیبانی می‌کند. به عبارتی قادر است تا ۴ تریلیون عملیات در هر ثانیه با فرکانس 1 گیگاهرتز انجام دهد.

Ethos-U85

Ethos-U85 از شبکه‌های ترانسفورماتور و شبکه‌های عصبی کانولوشن (CNN) برای استنتاج هوش مصنوعی پشتیبانی می‌کند. به گفته Arm، شبکه‌های ترانسفورماتور کاربردهای جدیدی را به‌ویژه در مورد هوش مصنوعی بینایی و مولد (GenAI) مانند درک ویدئوها، پر کردن بخش‌های گمشده تصاویر یا تجزیه و تحلیل داده‌های دوربین‌های متعدد برای طبقه‌بندی تصاویر و تشخیص اشیا هدایت سبب می‌شوند.

علاوه بر این، برای سیستم‌های اینترنت اشیاء با عملکرد بالا در حوزه‌هایی مانند بینایی ماشین صنعتی، گجت‌های پوشیدنی‌ و رباتیک؛ Ethos-U85 به کمک پردازنده‌ Armv9 Cortex-A می‌رود تا  ماشین لرنینگ را تسریع کرده و قابلیت استنتاج لبه با بهره‌وری بالا را در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها با عملکرد بالا اضافه کند.

Hailo’s Hailo-10 شتاب دهنده هوش مصنوعی

این SoC جدید به طور خاص برای کارهای GenAI و گرافیکی و در حوزه‌های خرده‌فروشی، آموزشی، شهرهای هوشمند و صنعت کاربرد دارد. نمونه‌ای از این کاربردها در کیوسک مجهز به GenAI و سیستم‌های نقطه فروش هوشمند در خرده‌فروشی‌های آجر و ملات، وایت بردهای تعاملی و دستگاه‌های صنعتی مجهز به بینایی هوش مصنوعی در واحدهای تولیدی هستند.

هوش مصنوعی کم‌مصرف برای اینترنت اشیا نسل بعدی هوش مصنوعی APOLLO

نسل بعدی Apollo از شرکت Ambiq با ترکیب شتاب‌دهنده‌های برداری به همراه بهره‌وری بالای انرژی در استنتاج هوش مصنوعی روی دستگاه‌ها و بدون نیاز به واحد پردازش عصبی (NPU) اختصاصی، عملکرد اینترنت اشیا را به طور قابل‌توجهی بهبود داده‌اند.

این شرکت مدعی است که نسل جدید Apollo به طور کلی به لحاظ سخت‌افزاری و نرم‌افزاری نسبت به نسل‌های قبلی تحت بازنگری قرار گرفته است. این کار با استفاده از پردازنده Arm Cortex-M55، فناوری Arm Helium و با سرعت پردازشی تا ۲۵۰ مگاهرتز ممکن می‌شود.

 Apollo510 نسبت به Apollo4 در عین حال که مصرف انرژی را به نصف کاهش می‌دهد، راندمان انرژی را تا 30 برابر افزایش می‌دهد. این ویژگی‌ها سبب می‌شوند که بتوان کارهای AI/ML را هم‌زمان با برنامه‌های صوتی پیچیده و پردازش مداوم صدا/سنسور روی دستگاه‌های باتری‌دار انجام داد.

تراشه جدید Apollo510 که متعلق به شرکت Ambiq است، یک پردازنده Arm Cortex-M55 دارد، از فناوری Helium استفاده می‌کند و سرعت پردازش آن تا ۲۵۰ مگاهرتز هم می‌رسد. بهبود بهره‌وری انرژی در این تراشه نسبت به نسل قبلی سبب شده که یک گزینه مناسب برای دستگاه‌های IoT باشد که نیاز به پردازش هوش مصنوعی و ماشین لرنینگ دارند، مانند گجت‌های پوشیدنی، تجهیزات دیجیتالی مربوط به کنترل سلامت، عینک‌های AR/VR، اتوماسیون کارخانه و دستگاه‌های نظارت از راه دور.

ویژگی‌های کلیدی Apollo510

حافظه Apollo510 به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود: 4 مگابایت NVM و 3.75 مگابایت SRAM روی تراشه. در Apollo510 همچنین از رابط‌های خارجی با پهنای باند بالا استفاده شده است به طوری که قادر به دستیابی به سرعت‌ 500 مگابایت در ثانیه در پهنای باند بیش از 300 مگابایت در ثانیه است. در قسمت گرافیکی نیز از یک GPU با شتاب‌دهنده گرافیکی استفاده شده است. به علاوه Apollo510 قادر است از نمایشگرهای Memory in Pixel پشتیبانی کند. Apollo510 در بخش نرم‌افزاری هم از پلتفرم secureSPOT، فناوری Arm TrustZone و توابع فیزیکی غیر قابل کلون (PUF) بهره می‌گیرد.

احتمالاً مهم‌ترین کاربرد Apollo510 را در گجت‌های پوشیدنی‌، تجهیزات دیجیتالی کنترل سلامت، کشاورزی، خانه‌های هوشمند، نگه‌داری پیشگیرانه و اتوماسیون کارخانه‌ها شاهد خواهیم بود.

شرکت Synaptics

شرکت Synaptics در نمایشگاه Embedded World دو محصول جدید از سری SL معرفی کرد که شامل پردازنده‌های IoT با قابلیت‌های هوش مصنوعی و کیت توسعه Astra Machina Foundation Series است. این پردازنده‌ها از CPUهای سری Cortex-A شرکت Arm و شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری تشکیل شده‌اند و در استنتاج هوش مصنوعی و پردازش‌های مولتی‌مدیا مثل صوت، ویدیو و گفتار کاربرد دارند.

 سری SL شامل چند محصول می‌شود که به طور خلاصه به ویژگی‌ها وکاربردهای آن اشاره خواهیم کرد.

SL1680: دارای یک پردازنده 64 بیتی چهار هسته‌ای به اسم Arm Cortex-A73، یک پردازنده عصبی 7.9 TOPS NPU، یک پردازنده گرافیکی و یک شتاب‌دهنده مولتی‌مدیا است. این سری در تجهیزات کنترلی خانگی و صنعتی، وسایل هوشمند و سیستم‌های امنیتی کاربرد دارند.

SL1640: دارای یک پردازنده چهار هسته‌ای به نام Arm Cortex-A55، یک پردازنده عصبی 1.6+ TOPS NPU و یک پردازنده گرافیکی GE9920 است. این سری در لوازم خانگی هوشمند، کنفرانس‌های سازمانی، بلندگوهای هوشمند، نمایشگرها و پنل‌های کنترلی کاربرد دارند.

SL1620: دارای یک ساب سیستم پردازنده چهار هسته‌ای به اسم Arm Cortex-A55، الگوریتم‌های صوتی با عملکرد بالا و نمایشگرهای دوگانه است. این سری در کنفرانس‌های چندرسانه‌ای سازمانی، لوازم هوشمند، گیت‌وی‌های امنیتی خانه، تابلوهای دیجیتالی، نمایشگرها، سیستم‌های نقطه فروش و بلندگوهای هوشمند کاربرد دارند.

میکرو کنترلرها (MCU): پشتیبانی از ابتدایی‌ترین سطح عملکرد تا بالاترین سطح عملکرد

شرکت Renesas Electronics

شرکت Renesas Electronics سری جدید میکروکنترلرهای RA0 خود را بر پایه پردازنده Arm Cortex-M23 معرفی کرده است که کمترین مصرف انرژی در صنعت میکروکنترلرهای ۳۲ بیتی چندمنظوره را دارد. این میکروکنترلرها در حالت فعال تنها ۸۴.۳ میکرو آمپر بر مگاهرتز و در حالت خواب تنها ۰.۸۲ میلی‌آمپر مصرف می‌کنند. همچنین یک حالت آماده به کار نرم‌افزاری دارند که مصرف انرژی را به 0.2 میکرو آمپر کاهش می‌دهد. حافظه‌ این میکروکنترلرها از دو قسمت تشکیل شده است: 64KB حافظه‌ فلش و 12 KB حافظه SRAM.

میکرو های شرکت Renesas’ RA0

این میکروکنترلرها دارای یک اسیلاتور داخلی (HOCO) با دقت بالا هستند که نیاز به اسیلاتور جداگانه را برطرف می‌کند. این میکروکنترلرها همچنین، دارای ویژگی‌های امنیتی مانند تولید اعداد تصادفی (TRNG) و کتابخانه AES برای رمزنگاری داده‌ها و یک کتابخانه مطابق با استاندارد IEC60730 می‌باشند.

شرکت STMicroelectronics

شرکت STMicroelectronics نیز سری جدید میکروکنترلرهای خود را با نام STM32H7 معرفی کرده است که یک پردازنده Arm Cortex-M7 با سرعت تا 600 مگاهرتز دارند. این میکروکنترلرها دارای ویژگی‌های امنیتی پیشرفته‌ای هستند و به همین دلیل برای کاربرد در اینترنت اشیا (IoT) بسیار مناسب‌اند. همچنین دارای یک پردازنده گرافیکی NeoChrom هستند.

شرکت STM

حافظه‌ این میکروکنترلرها از دو بخش تشکیل شده: فلش بوت و SRAM. کدهای برنامه‌ها و داده‌ها در حافظه‌های خارجی ذخیره می‌شوند.

این میکروکنترلرها همچنین به قابلیت مدیریت توان مجهز هستند. در واقع این قابلیت درون تراشه تعبیه شده است. این میکروکنترلرها برخلاف پردازنده‌های پرقدرت معمولی که نیاز به یک مدار مدیریت توان خارجی (PMIC) دارند، از این آپشن به صورت داخلی استفاده می‌کنند.