邊緣AI時代，STM32引領的未來MCU戰略：MPU中集成NPU是趨勢
2024-05-30 06:44:03 Nancy，EETOP當前，隨著邊緣AI的興起，更多高位運算AI能力正下沉到通常部署在物聯網邊緣的智能設備上。如從智能手機的引入，已經讓傳統的按鈕式或段碼屏的顯示，轉向有屏的顯示。把大數據模型經過不斷細分到邊緣端來做運算，是當前邊緣AI的趨勢。由此，對邊緣智能終端的設計也提出了響應更快、性能更高、功耗更低、連接更強、安全更好等諸多要求。
意法半導體將 STM32視為實現邊緣智能的關鍵推動因素。今年上半年，意法半導體重磅推出四款MCU新品，即無線MCU STM32WBA、首款64位微處理器 STM32MP2、高性能微控制器STM32H7R/S、及超低功耗新系列微控制器STM32U0，充分展示了其在性能、超低功耗、MP及安全方面所做的努力。
STM32未來增長點：無線連接、邊緣AI、低功耗、安全性
與世界無縫溝通，支持多種協議
典型代表就是專注于短距離通信技術的STM32 WBA。這是一款基于Cortex M33內核的無線單核MCU產品，內核主頻可以跑到 100MHz，最大輸出功率可以達到 10DBM，可支持多種2.4G協議，包括低功耗藍牙、Open Thread ZigBee 以及基于Thread的 Matter 協議。
在生態設計上，WBA 可以支持原型設計開發的 NUCLEO 板子和探索套件，可以支持集成多協議方案，包括 BLE5.4，ZigBee、Open Thread 以及基于 Thread 的 Matter 協議。同時 CubeMX 可以集成一個先進的射頻協議棧，CubeMonRF 可以帶來更加先進的QL功能，可方便鏈路的檢測和質量可靠性的檢測。此外，對于藍牙設備來說， 額外增加了手機上的開發軟件。
意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理于引介紹，此次發布的WBA54/55，是在其去年發布的STM32WBA52基礎上拓展了協議支持，從以前的單BLE支持到了 ZigBee 和 Thread。其中，藍牙支持 BLE5.4。它有一個更新是 LE Audio ，主要特征是更低功耗、更高的音頻質量以及更低的延遲和更擴展的連接。
于引，意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理
WBA基于40納米的低功耗設計，是一個低功耗的系列產品，能夠更好地延長電池續航時間。此外，WBA55額外設計了 SMPS的電源開關設計，在待機模式下可以小于140nA的功耗，可以更好的滿足用戶對于低功耗的要求。
于引表示：“我們相信， LE Audio會在整個音頻界帶給我們更好的音頻上的體驗。除了可以支持多種無線協議，獲得更大的設計靈活性之外，WBA可以支持有高處理性能以及可擴展的外設，最多可以支持20個設備同時連接。”
在MPU中集成NPU是邊緣AI終端的趨勢
當前，數字化轉型席卷全球。數字化的核心賦能技術包括云計算、數據分析，人工智能和物聯網。微控制器是整個數字世界應用最普遍的數字芯片之一，同時它也是這個快速變化世界的重要組成部分。
具有先進邊緣AI功能是STM32MP2這款新品最顯著的特性。這是ST首款64位通用微處理器產品，具備卓越的處理性能。產品采取異構結構，最高配備雙核Arm? Cortex?-A35 1.5G 主頻和Cortex?-M33 400M 主頻內核。MP2有豐富的外設接口，可以在這兩個內核上靈活分配，還通過其多媒體功能支持機器視覺等高端邊緣計算應用，創造了更多的應用可能。
ST中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理杜銘介紹說：異構的好處是方便開發者的應用更靈活，如大的數據處理可以通過高算力核來做，而實時性的信號采集和監控則可以通過實時的 MCU 核實現。” 
杜銘，ST中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理
據介紹，STM32MP2專門內置了1.35TOPS的NPU加速器，能靈活地在CPU、GPU或NPU上運行AI應用，可提供先進的邊緣AI能力。當前，凡是和智慧相關的應用，設計者們都會思考怎么去支持AI。杜銘表示：“AI的執行，不僅僅是通過 NPU，但 NPU 是首選，因為它是硬件加速單元。在MPU中集成NPU處理單元，我相信這應該是MPU的運算趨勢。”
那么，MP2具體可帶來哪些AI應用呢？
對于AI中的數據模型訓練，根據數據模型來源的不同，MP2提供了兩種方式。一是工程師自有數據模型，比如基于 TensorFlow 或 ONNX 的模型，這些模型可以在本地 MPU 編譯器上進行優化和轉換，最后部署到MP2 上；二是針對沒有數據模型的用戶，ST可以提供模型庫，用戶根據需求選擇模型來建立自己的邊緣 AI計算能力，之后通過MPU的離線編譯器或云端編譯器，編譯出優化的二進制代碼，部署到 MP2 上，從而實現邊緣應用。
據杜銘介紹，ST模型庫中提供了四類模型，包括運動姿勢估算、圖像分類、語義分割及物體檢測。目前ST支持的模型是 ONNX 和 TensorFlow兩種 Code語言，支持的格式是整形 8位整數和32位浮點數。MPU離線編譯器有桌面版和云端版，均可實現模型的優化、量化和轉換。所有模型都托管在GitHub上，用戶可通過自己的任何一個應用免費抓取任何一個模型，訓練自己的代碼， 驗證自己的應用和這個模型選擇是否適合。
低功耗是MCU可持續發展的關鍵
意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理張明表示：“目前全世界都在尋找可持續發展的戰略。有上億顆的傳感器和執行器布局在世界的各個角落，如果把這些設備功耗做一定的優化， 就可以大大節省能源損耗。“
張明，意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理
前兩年ST發布了最新的 STM32 超低功耗系列U系列STM32U5，它是一顆基于 Cortex-M33內核主頻160MHz的MCU，最大的 Flash 可以到 4MByte，最大的 RAM 可以到 3MByte，主要目標市場是中高端的應用。此次，ST又正式推出U系列最新一代超低功耗入門級MCU STM32U0。
STM32U0是一顆 Cortex M0+內核， 主頻 56MHz，ULP Mark 從 L0 的 244 分提高到了 430分，其整個功耗也比前幾代有了很大的優化。據介紹，STM32U0 采用 ST 最新的超低漏電流技術，有優異的靜態功耗表現和多個超低功耗的模式，包括待機模式下極低的靜態功耗和卓越的喚醒性能，最多可將電池續航時間延長兩倍。
同時，STM32U0 有很高的集成性，包括LCD驅動器、MSI內部振蕩器、ART加速器等，可以有效降低整個BOM成本。此外，STM32U0 使用了 L0、L4 以及 U5 等成熟的功能， 而且和前代產品是 Pin-to-pin 兼容，可以為入門級的電池供應應用開發者提供一個自由的設計空間。
高性能是核心，性價比是助推器
”卷“已經是時下非常流行的共識。那么對于半導體市場來說，卷的不僅僅是推陳出新的速度，還有性能和性價比的平衡。STM32H7R/S也是迄今為止性價比最高的H7系列。意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理黃熘特別分享說：“這是ST迄今售價最低的一款 H7系列！”
黃熘，意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部市場經理黃熘
據介紹，STM32H7是一款高擴展性，高性能MCU，搭載了意法半導體迄今發布的產品中性能最高的Arm?Cortex?-M內核(最高運行頻率600MHz的Cortex-M7)，集成了容量最小的片上存儲器和高速外部接口。芯片上嵌入了64 KB 的 Bootflash閃存和可靈活配置620 KB 的SRAM存儲器，及帶Flex ECC的32 x 32 KB緩存，而應用代碼和數據則存放在片外存儲器芯片上。
產品沿用H7的40納米工藝，有很強的連通性，采樣率可以達到200MHz。從應用上，該新品分為兩個系列，即STM32H7R3 通用型和 STM32H7R7圖顯型。除了高性能內核外，這款微控制器還集成了NeoChrom GPU圖形處理器，能夠實現MPU級別的圖形用戶界面(GUI)，并且具備很強的算力，在圖形化數據上可以極大降低CPU的負載。
除了高性能、高擴展內核外，黃熘表示：“STM32H7R/S沒有內置Flash，但有非常靈活的不同連接接口和外部存儲器，設計人員可以根據具體應用選擇不同接口，及不同容量的外部Flash。此外，在封裝上也可有多種選擇，從68引腳的低成本封裝，到最多225引腳的封裝，既可以滿足成本預算需求，又可以解決外部連接設備數量最多的問題。”
強大安全性，是重要的保障
大數據時代，由網絡帶來的安全威脅給嵌入式系統帶來了新的挑戰。業界也一直在不斷升級更新更高級別的安全標準，以應對嵌入式系統的信息安全。
在意法半導體新發布的這四款新品中，在安全性方面，為確保產品能夠滿足特定的安全認證要求，也是做了許多努力。
lWBA 滿足 SESIP等級3的目標認證，符合美國網絡信任標準和在2025年將強制執行的歐盟關于無線電設備指令即 RED的法規；
lSTM32MP2可以做到SESIP 3 Level，并且可以做到手持POS機的安全級別。同時滿足PSA一級認證；
lSTM32H7R/S是目前安全級別最高的，目標是符合 SESIP 等級 3，以及PSA 級 3的認證;
lSTM32U0是市場上首個通過 SESIP Level3、PSI Level1、NIST 認證的 CortexM0+ 內核的微控制器。
不可或缺的戰略支柱
STM32是工業級32位MCU的領跑者，是通用微控制器市場排名前列的MCU品牌。意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部、物聯網/人工智能技術創新中心及數字營銷副總裁朱利安分享說：“我們將STM32視為釋放開發人員創造力，并實現云連接和邊緣人工智能的關鍵推動因素。ST 不僅是嵌入式處理和微控制器領域的領導者， 同時也是這個領域最具創新性的公司。”
朱利安，意法半導體中國區微控制器、數字IC與射頻產品部、物聯網/人工智能技術創新中心及數字營銷副總裁
納米新工藝助力性能和功耗雙飛躍
今年3月，意法半導體(ST)和三星晶圓代工廠共同開發出基于18納米全耗盡絕緣體上硅(FD-SOI)技術，并整合嵌入式相變存儲器(ePCM)的先進制造工藝，用以支持下一代汽車、工業嵌入式處理器的升級進化。與目前在用的 ST 40nm 嵌入式非易失性存儲器 (eNVM) 技術相比，集成 ePCM 的18nm FD-SOI制造工藝，使嵌入式處理應用的性能和功耗實現巨大飛躍。
P18 技術的主要特點就是超低功耗和高功率密度，因此功率性能和功率比非常高。因為 PCM 存儲單元極為穩定，極大提高了可靠性。這也正是工業和汽車應用所需要的。此外，它還能夠讓產品在各種溫度工況下保持較長的使用壽命。
朱利安分享說：“隨著研究工作取得進展， 我們認為，下一代 STM32 可以使用更小的光刻機。我們希望通過工業的技術迭代更新，可以有效提高產品的功率密度，改善性能，同時降低能耗。”據介紹，基于新技術的下一代 STM32 微控制器的首款產品將于 2024下半年開始向部分客戶提供樣片，2025 年下半年排產。
不過，朱利安也表示，從 40 納米轉向 18 納米，雖然完成向下一代技術和下一代工藝的迭代，但40納米技術仍將長期存在。P18技術主要用于一些有影響力的產品，尤其是需要高性能、高功率密度以及高內存， 并且功耗也大的產品設計和制造。
完備的生態支持，至關重要
生態系統和生態系統伙伴的合作，一直都是STM32產品定位當中非常重要的一環。眾所周知， STM32 家族是以控制器為主，其首款芯片STM32F1于2007年發布。經過十幾年的數次技術迭代和產品線的不斷豐富，目前整個STM32家族已經形成5大系列產品，低功耗 MCU、主流 MCU、無線MCU、高性能 MCU以及嵌入式的 MPU，擁有超過 3000 款 MCU 產品，僅在去年就新增了 600款。
朱利安分享說：“ST從 2007 年開始打造以 STM32Cube 為中心的生態系統，目前，已經有10萬家公司正在使用ST的產品，100萬開發人員正在使用ST的生態系統。2023年，STM32 社區社區的開發者單獨訪問量超過130萬次。”
除了生態系統的支撐之外，產能保障也是重要的戰略支柱。此外，意法半導體尤其重視中國市場，致力于打造一條本地化的供應鏈。目前， 每分鐘出產4000個MCU，約合每天達到600萬個。
朱利安特別表示：“再次重申我們對中國市場的承諾。在當前的背景下， 我認為這一點非常重要。”
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