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隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備正向智能化和自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)型。這要求設(shè)備具備更高的算力、更強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力以及支持AI算法的能力，以應(yīng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人、電機(jī)控制、預(yù)測性維護(hù)等復(fù)雜應(yīng)用場景。
近年來越來越多的芯片廠商紛紛推出工業(yè)“MCU+AI”產(chǎn)品，MCU的算力持續(xù)提升，已經(jīng)能夠滿足邊緣端低算力人工智能的需求，將AI加速器集成在MCU上，實(shí)現(xiàn)端側(cè)部署的單芯片解決方案正逐漸成為主流方案。
下面，我們盤點(diǎn)一下2024年度頭部芯片廠商發(fā)布的主要“MCU+AI”產(chǎn)品，梳理下相關(guān)產(chǎn)品的AI功能實(shí)現(xiàn)方式、AI生態(tài)構(gòu)建，以及典型的工業(yè)應(yīng)用等。
AI功能實(shí)現(xiàn)方式各異
采用Arm Helium?技術(shù)
Arm Helium?是Arm公司在2019年推出的，為Armv8?M架構(gòu)的Arm Cortex-M處理器提供的M-Profile矢量擴(kuò)展技術(shù)，能夠顯著提升機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用的性能。目前Arm Cortex-M52、Arm Cortex-M55和Arm Cortex-M85支持Arm Helium技術(shù)。
過去一年，瑞薩電子推出的RA8x1 MCU以及RZ/V2H MPU等產(chǎn)品，均集成了專為AI應(yīng)用設(shè)計(jì)的硬件加速引擎，能夠滿足工業(yè)市場的需求。其中RA8x1 MCU屬于瑞薩RA8系列，采用Arm Cortex-M55內(nèi)核，高達(dá)480MHz，引入Arm Helium?技術(shù)，與基于Arm Cortex-M7處理器的MCU相比，在DSP和ML應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)高達(dá)4倍的性能提升。
極海半導(dǎo)體的G32R501系列實(shí)時(shí)控制MCU，采用Arm Cortex-M52內(nèi)核，同樣引入了Arm Helium?技術(shù)，大幅提升DSP和ML的性能，有效降低了MCU內(nèi)核的實(shí)時(shí)負(fù)載，支持實(shí)時(shí)處理并減少延遲，從而降低了系統(tǒng)的整體復(fù)雜度和軟件開發(fā)難度。
集成NPU
2024年8月，國芯科技推出了CCR4001S系列MCU，基于國芯科技自主RISC-V架構(gòu)C*Core CPU內(nèi)核研發(fā)，內(nèi)部配置了AI NPU，支持智能控制算法與自適應(yīng)變頻控制算法。
2024年9月，恩智浦推出的i.MX RT700系列跨界MCU，集成了NXP自研的eIQ? Neutron系列NPU AI/ML加速器。其內(nèi)核采用異構(gòu)架構(gòu)，包含有兩個(gè)Arm Cortex-M33，主頻分別為325MHz和250MHz，包含兩個(gè)DSP分別為HiFi-4和HiFi-1，以及包含一個(gè)基于開放式指令集架構(gòu)的EZH-V IO協(xié)處理器。
2024年12月，德州儀器業(yè)內(nèi)率先推出具有NPU的TMS320F28P55x系列實(shí)時(shí)MCU，采用主頻150MHz的32位C28x DSP內(nèi)核，內(nèi)置單精度浮點(diǎn)單元、三角函數(shù)加速器，采用150MHz的可編程控制律加速器。
集成NPU+ Arm Helium技術(shù)
2024年4月，英飛凌推出的PSOC Edge E8x系列產(chǎn)品，采用Arm Cortex-M55內(nèi)核，支持Arm Helium? DSP并搭配Arm Ethos?-U55的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，以及Cortex-M33內(nèi)核搭配著英飛凌超低功耗NNLite（用于加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專有硬件加速器）。
Arm Ethos?-U55是Arm公司推出的首款面向Cortex-M系列的microNPU（微神經(jīng)處理單元），專為在面積受限的嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中加速機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）推理而設(shè)計(jì)。
2024年12月，意法半導(dǎo)體推出的STM32N6系列產(chǎn)品，采用Arm Cortex-M55內(nèi)核，頻率高達(dá)800MHz，是其首款引入Arm Helium?向量處理技術(shù)的CPU，也是首款采用自研的嵌入式推理專用Neural-ART Accelerator? NPU的產(chǎn)品。
其他方式
除了集成NPU或Arm Helium?技術(shù)之外，MCU也可以通過其他方式實(shí)現(xiàn)一定程度的AI功能。如：通過優(yōu)化軟件算法，MCU可以在其處理能力范圍內(nèi)執(zhí)行簡單的AI算法；集成DSP單元，DSP對(duì)于執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)（如FFT、濾波等）非常高效，這些任務(wù)在AI算法中也很常見；配備其他類型的協(xié)處理器，如FPU（浮點(diǎn)處理單元）或特殊功能協(xié)處理器，這些協(xié)處理器可以在一定程度上加速AI算法的執(zhí)行。
此外，MCU還可以通過外部接口連接專門的AI加速器芯片，AI加速器芯片可以處理復(fù)雜的AI算法，并將結(jié)果返回給MCU進(jìn)行后續(xù)處理。
本土頭部MCU廠商兆易創(chuàng)新在“MCU+AI”領(lǐng)域的布局也走在前列。2024年11月，兆易創(chuàng)新推出的GD32G5采用Arm Cortex-M33內(nèi)核，高達(dá)216MHz，內(nèi)置高級(jí)DSP硬件加速器和單精度浮點(diǎn)單元，以及硬件三角函數(shù)加速器和濾波算法、快速傅里葉等多類硬件加速單元。2023年推出的高性能GD32H7系列芯片，同樣可以為復(fù)雜運(yùn)算、多媒體技術(shù)、邊緣AI等高級(jí)創(chuàng)新應(yīng)用提供強(qiáng)大的算力支撐，采用600MHz Arm Cortex-M7高性能內(nèi)核，支持多種硬件加速，新增了大量通用外設(shè)資源。
AI生態(tài)構(gòu)建
隨著邊緣AI技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場景的不斷落地，MCU廠商都在持續(xù)構(gòu)建自身的生態(tài)。除了社區(qū)支持外，目前各大頭部MCU廠商都在以“MCU+AI”硬件為基石，持續(xù)豐富升級(jí)自身的軟件工具鏈，更好的助力客戶產(chǎn)品落地。
瑞薩電子全球銷售與市場副總裁、瑞薩電子中國總裁賴長青在接受與非網(wǎng)采訪時(shí)表示：“下游客戶希望MCU廠商管得“越來越寬”，不僅僅滿足于單一的芯片產(chǎn)品，并期望芯片公司能夠提供包括開發(fā)工具、軟件以及后續(xù)支持在內(nèi)的完整解決方案。這種需求的變化，促使芯片公司不僅在硬件上不斷創(chuàng)新，而且還需要在軟件棧上進(jìn)行大量投入，以構(gòu)建更加完善的開發(fā)生態(tài)?！?/p>
瑞薩電子全球銷售與市場副總裁、瑞薩電子中國總裁賴長青
恩智浦于2021年就推出了eIQ? Toolkit工具包，可以使用戶快速地開發(fā)基于圖像任務(wù)的軟件程序。恩智浦更是于近期發(fā)布了eIQ? Time Series Studio，并集成于eIQ? Toolkit工具包，專門用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理。
德州儀器的邊緣AI模型開發(fā)主要依賴于其TI Edge AI Tools軟件。針對(duì)特定應(yīng)用場景，客戶可以利用該軟件及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算單元模型，通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過充分的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，例如在故障檢測中，該模型可達(dá)到超過99%的準(zhǔn)確率，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨后，TI Edge AI Tools可將訓(xùn)練好的模型編譯為可識(shí)別的二進(jìn)制代碼部署運(yùn)行。
兆易創(chuàng)新也正在構(gòu)建其通用的嵌入式AI平臺(tái)（Embedded AI）。兆易創(chuàng)新MCU事業(yè)部產(chǎn)品市場總監(jiān)陳思偉表示：“Embedded AI能夠?qū)I(yè)界主流的AI模型部署至GD32 MCU，為用戶提供廣泛的開發(fā)支持。同時(shí)，公司還提供定制化AI服務(wù)，以滿足客戶的差異化需求。我們專注于開發(fā)多樣化的AI解決方案，如拉弧檢測等，未來將推出更多參考設(shè)計(jì)，為智能應(yīng)用開辟更廣闊的空間?！?/p>
兆易創(chuàng)新MCU事業(yè)部產(chǎn)品市場總監(jiān)陳思偉
與第三方人工智能平臺(tái)的合作，也是MCU廠商完善AI工具鏈的重要方式。Nordic半導(dǎo)體亞太區(qū)銷售及市場推廣副總裁Bj?rn ?ge "Bob" Brandal表示：“Nordic與Edge Impulse等人工智能平臺(tái)進(jìn)行合作，在我們的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)功能，例如與Edge Impulse合作開發(fā)的nRF Edge Impulse app，可使用Edge Impulse Studio在Nordic Thingy:53上訓(xùn)練和部署嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)模型?！?/p>
Nordic半導(dǎo)體亞太區(qū)銷售及市場推廣副總裁Bj?rn ?ge "Bob" Brandal
此外，與生態(tài)合作伙伴的協(xié)作也至關(guān)重要。
賴長青表示：“瑞薩電子在邊緣AI領(lǐng)域投入了大量的資源并取得了顯著的成果。不僅僅在研發(fā)和生產(chǎn)功能完備的硬件產(chǎn)品維度，軟件方面，公司推出了面向邊緣AI的一站式開發(fā)平臺(tái)Reality AI，幫助開發(fā)者在云端構(gòu)建專屬的模型，并在本地邊緣節(jié)點(diǎn)上完成部署。同時(shí)，瑞薩還聯(lián)合超過250家生態(tài)合作伙伴合作，共同打造完善的邊緣AI生態(tài)系統(tǒng)，為客戶提供豐富的軟件庫和解決方案?！?/p>
典型的工業(yè)應(yīng)用
“MCU+AI”的應(yīng)用場景主要分為時(shí)間序列信號(hào)分析、圖像識(shí)別、聲音識(shí)別等。
時(shí)間序列信號(hào)分析：獲取電流，電壓，溫度，壓力，聲音，多軸加速度傳感器，生物傳感器等多種基于時(shí)間序列的變量，可用于預(yù)測性維護(hù)、扭矩計(jì)算、工業(yè)探傷、電弧檢測、電池電芯壽命預(yù)測等。
值得一提的是，太陽能及供電系統(tǒng)中的電弧檢測應(yīng)用是“MCU+AI”在工業(yè)領(lǐng)域非常典型的時(shí)間序列信號(hào)分析應(yīng)用。當(dāng)接觸發(fā)生時(shí)，高壓導(dǎo)線或觸點(diǎn)間常常會(huì)產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，這一潛在危險(xiǎn)源可能引發(fā)火災(zāi)，因此，對(duì)電弧的有效檢測與預(yù)防顯得尤為重要。
眾多芯片廠商的“MCU+AI”產(chǎn)品都可以提供電弧檢測的解決方案：德州儀器集成NPU的TMS320F28P55X實(shí)時(shí)控制MCU，邊緣AI技術(shù)用于實(shí)時(shí)檢測電弧，提高電弧檢測的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性，其在太陽能及供電系統(tǒng)中的電弧檢測的準(zhǔn)確率可高達(dá)99%；兆易創(chuàng)新基于GD32H7的AI直流拉弧檢測方案，克服了多路高頻信號(hào)采集、資源受限環(huán)境中的高效AI推理、以及模型訓(xùn)練與部署一體化的技術(shù)難點(diǎn)，自研AI算法與硬件優(yōu)化，能夠?qū)χ绷骼∵M(jìn)行精確識(shí)別和實(shí)時(shí)響應(yīng)，降低了因系統(tǒng)故障或錯(cuò)誤檢測帶來的維修和維護(hù)成本。
同時(shí)，人工智能與預(yù)測性維護(hù)的結(jié)合已成為提高工業(yè)設(shè)備生命周期的一種變革，預(yù)測性維護(hù)也是“MCU+AI”在工業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。通過算法分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各行各業(yè)都能在設(shè)備故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測，減少停機(jī)時(shí)間并顯著降低維修成本。
在工業(yè)自動(dòng)化的生產(chǎn)線上，意法半導(dǎo)體的STM32N6可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)控，通過傳感器收集的數(shù)據(jù)，快速分析設(shè)備是否存在故障隱患。例如，在電機(jī)運(yùn)行過程中，檢測其溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)調(diào)整參數(shù)或者發(fā)出停機(jī)指令，避免設(shè)備損壞和生產(chǎn)事故的發(fā)生，從而極大提高生產(chǎn)效率和保障生產(chǎn)安全。
極海半導(dǎo)體高級(jí)市場經(jīng)理趙亮表示：“在商用打印機(jī)售后維護(hù)的應(yīng)用案例中，通過在關(guān)鍵設(shè)備上安裝溫度、振動(dòng)等傳感器，基于Arm架構(gòu)的邊緣計(jì)算G32R501實(shí)時(shí)控制MCU，可實(shí)時(shí)收集并分析這些數(shù)據(jù)，并利用內(nèi)置的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，識(shí)別出可能導(dǎo)致的故障模式，并在問題發(fā)生前發(fā)出預(yù)警信號(hào)?？梢燥@著降低因設(shè)備故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率?！?/p>
極海半導(dǎo)體高級(jí)市場經(jīng)理趙亮
圖像識(shí)別：如人臉識(shí)別，手勢識(shí)別，人數(shù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品缺陷識(shí)別，物流倉儲(chǔ)管理等。由于MCU的低功耗和實(shí)時(shí)性，針對(duì)這些場景，可以實(shí)現(xiàn)靈活的休眠喚醒方式，可以采用小型電池長時(shí)間工作。
值得關(guān)注的是，在端側(cè)AI的場景中，恩智浦于2021年就推出了eIQ? Toolkit工具包，可以使用戶快速地開發(fā)基于圖像任務(wù)的軟件程序。
恩智浦半導(dǎo)體高級(jí)市場經(jīng)理弋方表示：“恩智浦的i.MX RT700系列跨界MCU，在圖像方面集成了新一代的圖像加速器包括硬件JEPG/PNG解碼，矢量圖像處理，以及MIPI-DSI顯示接口，廣泛適用于人機(jī)交互、醫(yī)療、消費(fèi)電子等諸多場景?！?/p>
恩智浦半導(dǎo)體高級(jí)市場經(jīng)理弋方
聲音識(shí)別：如關(guān)鍵詞喚醒，簡單的語義識(shí)別，以及噪聲消除，人聲消除等算法。在工業(yè)領(lǐng)域，可以用于人機(jī)交互，特殊聲音信號(hào)檢測等。
兆易創(chuàng)新的GD32H7可以很好的支持聲音識(shí)別應(yīng)用，基于GD32H7的AI語音識(shí)別解決方案，依托Sensory平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高效的關(guān)鍵詞訓(xùn)練，支持多語言、多關(guān)鍵詞的識(shí)別能力，還能將關(guān)鍵詞檢測的結(jié)果通過LCD屏顯示。該方案能夠在MCU端側(cè)部署輕量化模型，具備實(shí)時(shí)語音處理功能，包括精準(zhǔn)的人聲檢測與噪聲抑制，有效保障用戶指令的準(zhǔn)確識(shí)別和響應(yīng)。
寫在最后
2024年頭部MCU廠商在“MCU+AI”領(lǐng)域成果顯著。隨著人工智能技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，未來“MCU+AI”產(chǎn)品將在工業(yè)4.0進(jìn)程中發(fā)揮更為重要的作用，進(jìn)一步推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備的智能化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，提升工業(yè)效率，降低成本，確保穩(wěn)定運(yùn)行。
