低端MCU，都要有AI了

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电子工程世界

2023-11-24 09:00发布于云南电子工程世界官方账号

昨日，Arm推出了专用AI应用而设计的Cortex-M52处理器，虽然没有引发太多讨论，但实际它的意义远超想象。
 
要知道，Cotex-M系列内核是大多数MCU的构成基石，M52要替换掉现在的M33或M3/M4。
 
也就是说，从现在开始，低端市场也都能拥抱AI了，MCU厂商也要开始新一轮MCU大换血，更多拥有AI产品的MCU即将到来。
 
举个例子来说，把几亿人信息全都装进云端处理，显然不现实，而当边缘端拥有AI，把专业的医学知识灌注给它，它就会像一个移动医生一样，随时判断心率、血氧变化是否健康。这就是边缘AI的重要意义，这样的例子在边缘AI中不胜枚举，而现在这样的覆盖越来越趋近超小型设备，实现真正地万物互联。
 
付斌｜作者
电子工程世界（ID：EEworldbbs）｜出品
 

 换掉你的M33和M4 

 
Cortex-M52有哪些信息值得关注？
 
第一，M52加入了Arm Helium技术。
 
从整体架构来看，除了Helium技术，整体与M33和M4基本一致。
 
Helium主要作用就是做AI计算，为小型低功耗嵌入式设备的DSP和ML应用带来显著的性能提升，无需专用NPU即可在端点中部署更多计算密集型ML推理算法。
 
在AI性能上，M52提升非常大。与M33相比，M52的ML性能可提升多达5.6倍，DSP可提升多达2.7倍，能效提升了2.1倍。
 
不过，在面积方面，M52比M33大30%，比M55小23%。换言之，与M33相比，M52的硅面积增加了约10%，换来了大约5%的整体性能提升。由此，可以看出M52的定位，用更多面积换取更多AI性能，并以此划分新产线。
 
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第二，M52实现到Arm v8.1的迁移。
 
M52的定位是取代M33和比较古老的M4（主流）和M3（性能），目前，M33位Arm v8-M架构，M3和M4则是更老的Arm v7-M架构，换言之，可以全面拥抱64位。
 
其中，Arm v8-M相比老一代架构无疑拥有非常大的新特性和功能，此外，TrustZone这项新功能最为值得关注。在物联网快速发展的今天，信息技术也非常发达，因此安全技术就显得尤为重要，TrustZone其核心就是朴素的硬件隔离，但这也一定能为未来AI的安全保驾护航。
 
此外，M52还有助于加速推出PSA Certified Level 2认证芯片，进而实现下一代PSA Certified 认证的设备。最新的Armv8.1-M 内核提供增强的功能安全特性，这对许多汽车和工业控制应用至关重要。与M33相比，M52提供的扩展安全包和功能可帮助合作伙伴更快速、更轻松地获得 FuSa认证。
 
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第三，迁移到M52开发，不是难事。
 
官方介绍，M52与M55和M85在软件上完全兼容，使开发者能够受益于围绕Helium不断发展的软件和工具生态系统，并善用来自Arm合作伙伴生态系统的免费软件库和丰富知识库。为了帮助简化和加快物联网及嵌入式开发流程，M52还可以Arm虚拟硬件的形式被获取，Arm虚拟硬件是一种基于云的解决方案，能够在芯片就绪前就能启动软件开发。
 
过去，为了实现M52所提供的ML和DSP性能，往往需要将CPU、DSP 和 NPU 结合起来，但如此一来，在硬件准备就绪后，开发者需要使用三个不同的工具链、编译器和调试器进行芯片的编写、调试和代码调整。
 
而现在，开发人员可以针对通用API使用单一语言进行编码，并在应用程序的DSP和ML元素中实现所需的性能，无需了解处理器的具体硬件细节。保了过去传统的、DSP和ML的工作负载能够实现一致的开发流程，而针对领先的ML框架的特定集成和优化将确保开发者拥有无缝流畅的开发体验，并充分发挥Cortex-M的极佳性能。
 
 
与此同时，M52提供了从M33和M4的简化迁移路径，可满足广泛的AIoT应用需求，实现更丰富的用户界面 (UI)、语音和视觉体验，例如汽车和工业控制、预测性维护和可穿戴传感器融合。Cortex-M52 能为一系列性能点和配置提供可扩展的灵活性，同时无需独立的处理单元即可提供 DSP 能力，从而节省芯片的面积与成本。
 
传统的嵌入式开发者需要掌握人工智能所需的数学、数据分析、工具链专业知识和编程技能。而要提高 AIoT 设备的出货量，开发者的参与至关重要。通过M52，Arm提供了现代化开发流程所需的关键特性和功能。
 
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第四，M52脱胎换骨于“星辰”STAR-MC2。
 
实际上，这款产品在早年就已经面世，先前在中国市场，它被称为“星辰”STAR-MC2，是Arm和安谋科技研发工程团队的合作产品。也就是说，M52其实根植于中国市场，有着中国市场基因，其中一些设计哲学也会更靠近国人习惯。

第五，M52可以实现超低的成本和功耗。

Arm称，利用M52最终将推出1～2美元的SoC。说白了，就是实现小而美的AI。
 

 Arm全面竞逐AI 

 
根据Arm的介绍，来自主要客户的第一批芯片预计将于明年到货。
 
 
纵观Arm的发布，从2020年Helium开始，Arm就开始展现野心，逐渐收拢自己的产品线，整合自己的产品线，有点类似英特尔、AMD产品那样的型号分布，即M52、M55、M85。未来或许还会拥有更低功耗的一款AI芯片，形成一道新的Arm v8.1产品线。
 
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整个产品线定位也非常清晰，M55、M85还有NPU产品还会继续在一些高级的AI场景使用，M52则也会针对物联网设备、端点、传感设备和大多数其他对成本敏感的小型设备，填补低端市场的空白。
 
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事实上，在AI方面，Arm做得远比我们想象中要多。
 
全球约有 90%的AI都运行在基于Arm架构的CPU上，当今85%的智能手机都通过基于Arm架构的平台来处理 AI 工作负载，其中涵盖了如关键词和对象检测以及语音识别等常见的AI工作负载。此外，种种动作，正在昭示Arm在AI上竞逐的野心：
 
  • Arm与英伟达合作，在英伟达Grace CPU中使用Neoverse N1架构，为大型语言模型（如OpenAI GPT-3）提供高性能计算；
  • Arm与Meta合作，在Meta 2头戴式显示器中使用Cortex-A CPU，为增强现实应用提供高效处理；
  • Arm与梅赛德斯-奔驰合作，在其EQS电动汽车中使用Cortex-A CPU，为智能驾驶提供高级计算；
  • Arm宣布，对树莓派 (Raspberry Pi) 进行战略投资，并收购了树莓派少部分股权。进一步扩大两家公司之间成功的长期合作伙伴关系，加强AIoT合作。


 MCU厂商与Arm在做同一件事 


越来越多人发现，在MCU加入AI，是稀疏平常的一件事。
 
  • NXP推出了通用MCU平台——MCX微控制器产品组合，它融合了LPC、Kinetis传统优势，其中在通用MCU中添加一个硬件NPU，来为一些边缘侧通用的AI运算进行专门的加速；
  • 英飞凌近日宣布推出PSoC Edge系列微控制器，为边缘操作机器学习 (ML) 的设备提供高性能和安全性；
  • 德州仪器最近几年推出的MCU均在边缘AI领域具有优势，包括高集成可扩展的边缘AI处理器组合；2023年5月，收购瑞典的TinyML和AutoML领域初创公司Imagimob AB；
  • Microchip在2020年就将Cartesiam（现已被ST收购）、Edge Impulse和Motion Gestures的软件和解决方案接口引入其设计环境；
  • ST在2019年通过STM32Cube-AI将ML用于32位MCU；2021年收购NanoEdge AI Studio，降低边缘AI开发门槛；2021年6月，ST收购边缘AI软件专业开发公司Cartesiam；2023年，使用NVIDIA TAO 工具套件拓展STM32边缘AI生态；2023年5月，ST推出了其最新的64位微控制器STM32MP2；
  • 2021年，瑞萨推出面向AI的领先MPU产品；去年中旬，瑞萨完成对Reality AI的收购，可为汽车、工业和消费类产品中的高级非视觉传感提供嵌入式AI和微型机器学习(TinyML)解决方案；
  • ADI的MAX7800X的CNN加速器可以将功耗降低99%以上，而且算法在CNN上执行的效率也比DSP上更高；
  • Alif Semiconductor推出Ensemble系列融合微控制器。
 
对于MCU厂商来说，明年将会是更卷的一年。不难预见，更多MCU将会升级为M52内核，逐渐替代现有M33/M3/M4内核产品，全面拥抱Arm v8.1-M。
 
AI让边缘更智能，边缘让AI无处不在。不难预见，未来十年，AI会是MCU最大市场最大的推动力。
 
Gartner也在报告中指出，在2到5年内，具有AI能力将会成为嵌入式产品的标配。 在最近的英特尔FPGA技术大会上，英特尔也强调了嵌入式AI的重要性。
 
也许，未来真的应验那一句——喝杯咖啡，咖啡机都是带有AI功能的。
 
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参考文献

[1] Arm社区：Arm 扩展 Cortex-M 产品组合，将人工智能引入超小型端点设备.2023.11.23.https://mp.weixin.qq.com/s/OZ0x89yUm8GBEBFul0BLlg
[2] WikiChip：Arm Launches the Cortex-M52 For IoT; Its Smallest Processor with Helium.2023.11.22.https://fuse.wikichip.org/news/7611/arm-launches-the-cortex-m52-for-iot-its-smallest-processor-with-helium/
[3] Arm：Introducing Cortex-M52: Bringing Arm’s AI-optimized Helium architecture to the smallest IoT devices.https://community.arm.com/arm-community-blogs/b/internet-of-things-blog/posts/introducing-cortex-m52
[4] 半导体行业观察：MCU巨头，殊途同归.2023.11.22.https://mp.weixin.qq.com/s/GskIet_GeZfXY6lLsGoksQ