ADI發(fā)力邊緣AI MCU，由ARM Cortex-M4F+RISC-V+硬件CNN打造

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃晶晶）作為模擬芯片國際大廠的ADI，不僅以電源、信號鏈產(chǎn)品而知名，在MCU領(lǐng)域也耕耘數(shù)十年。1995年至今ADI的MCU產(chǎn)品出貨量已經(jīng)超過10億片。在2002年之前推出8051系列MCU,2004年以來推出MAXQ系列MCU，2012年之后推出ARM內(nèi)核系列MCU，2020年以來推出人工智能MCU。這些不同類型的MCU系列產(chǎn)品應(yīng)時代而生，而人工智能MCU則是面向邊緣智能開發(fā)的低功耗、高性能產(chǎn)品。最近，ADI公司的技術(shù)專家就邊緣AI MCU進(jìn)行了詳細(xì)分享。

ADI MCU產(chǎn)品系列

ADI中國技術(shù)支持中心高級工程師辛毅介紹，ADI MCU系列產(chǎn)品在功耗方面，具備靈活的操作模式和超低功耗，可以大大提升電池壽命，延長系統(tǒng)續(xù)航時間；在接口方面，具備高速安全的多時鐘選項，可以優(yōu)化程序性能；通訊方面，部分產(chǎn)品集成最新的低功耗藍(lán)牙（BLE）模塊，支持遠(yuǎn)程模式和BLE音頻等特色，從而允許設(shè)備在更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)進(jìn)行通信。同時，還針對大多數(shù)產(chǎn)品提供完備的評估方案和開發(fā)示例，硬件包括評估板、演示套件等，軟件包括SDK、庫文件、驅(qū)動代碼等，從而助力用戶全面了解產(chǎn)品性能、加速產(chǎn)品開發(fā)。



此外，ADI還具備30余年的MCU的IP保護(hù)和信任根研發(fā)經(jīng)驗，從而極大增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，幫助安全敏感型的設(shè)備制造商快速、高效地為其產(chǎn)品增加安全加密、密鑰存儲和防篡改功能。簡而言之，ADI的MCU產(chǎn)品具備功耗低、接口優(yōu)、通訊新、評估全、開發(fā)易、安全強(qiáng)等六大特色。

目前ADI的MCU產(chǎn)品根據(jù)功能應(yīng)用主要分為三類：第一類是低功耗MCU，具備小體積、低功耗、大存儲的特點(diǎn)，這類產(chǎn)品相對而言比較通用，適用于工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、消費(fèi)類等各類產(chǎn)品；

第二類是安全MCU，這類產(chǎn)品具備安全的系統(tǒng)架構(gòu)，具有很強(qiáng)的抗攻擊加密能力，可以用在對安全性能要求較高的智能機(jī)器或者是終端上，比如POS機(jī)、讀卡器等等；

第三類是人工智能MCU（AI MCU）。這類產(chǎn)品脫胎于第一類低功耗MCU，又具備人工智能。其特色是可以將AI推理從云端推向邊緣端，從而助力電池供電的人工智能和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，比如說智能家居、人臉打卡、語音控制等等。

ADI邊緣AIMCU做到低功耗、低延遲、高集成度

IoT技術(shù)是物與物之間的互連，多數(shù)設(shè)備需要電池供電，并且數(shù)據(jù)在物與物之間的流通并不能完全依賴于云端，于是邊緣AI應(yīng)用而生。根據(jù)預(yù)測，2025年將有75%的數(shù)據(jù)產(chǎn)生在邊緣側(cè)進(jìn)行處理。邊緣AI技術(shù)在靠近用戶本地的終端網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行AI運(yùn)算，而不是將數(shù)據(jù)集中在云或數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。相比于云端AI，由于不需要將數(shù)據(jù)上傳至云端，邊緣AI具備實時性好、帶寬資源要求低、隱私性高等特點(diǎn)，特別適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。例如人臉識別、災(zāi)難檢測、醫(yī)療應(yīng)用、指令識別、Speaker識別等。

邊緣AI作為在設(shè)備本地端執(zhí)行的AI，需要在系統(tǒng)功耗、計算速度和設(shè)備成本之間取得一個平衡。針對邊緣AI提出的新要求，ADI推出邊緣AI解決方案MAX7800X系列。

MAX7800X系列由兩個微控制器內(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。這三個內(nèi)核當(dāng)中，Cortex-M4F是Arm公司的IP，RISC-V和CNN都是ADI自研的。



辛毅表示，數(shù)據(jù)的加載和啟動由微控制器內(nèi)核負(fù)責(zé)，AI推理由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器專門負(fù)責(zé)，不需要再通過互聯(lián)網(wǎng)上傳。它具有低功耗、低延遲、高集成度的優(yōu)勢。低能耗方面，硬件加速器與超低功耗ARM Cortex-M4F及RISC-V微控制器相結(jié)合，將智能化實施推進(jìn)到邊緣，能耗不足嵌入式競爭方案的百分之一。低延遲方面，在邊緣執(zhí)行AI功能，實現(xiàn)復(fù)雜的認(rèn)知，使IoT應(yīng)用減少或省去云端事務(wù)處理，速度提高到軟件方案的100倍。高度集成上，帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的低功耗微控制器使得在電池供電的IoT設(shè)備中是實現(xiàn)復(fù)雜、實時認(rèn)知成為可能。另外，其成本只是FPGA或GPU方案的零頭。

實際上，RISC-V與CNN進(jìn)行配合工作。ADI MCU產(chǎn)品線資深業(yè)務(wù)經(jīng)理李勇表示，Cortex-M4F主要做一些應(yīng)用和通信，同時內(nèi)部還配有FLASH和SRAM。而RISC-V則是一顆小內(nèi)核，采用32位精簡指令集，它主要配合CNN來工作。由于CNN工作時需要輸入一些原始數(shù)據(jù)，比如圖片、聲音、波形等數(shù)據(jù)通過通信接口或者圖像camera接口輸入進(jìn)來后，會由RISC-V內(nèi)核將這些數(shù)據(jù)搬運(yùn)至存儲空間，再讓CNN來用。CNN經(jīng)過硬件計算，將原始的數(shù)據(jù)通過矩陣的乘法和加法得到一些特征值，再放到內(nèi)存里來進(jìn)行比對。

對比來看，純微控制器的解決方案和ADI的邊緣AI解決方案去執(zhí)行AI推理的功耗。傳統(tǒng)的微控制器會將大量功耗用在執(zhí)行AI推理上，這個藍(lán)色的框基本90%以上都用到了AI推理上面，但是ADI的邊緣AI解決方案具備專用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，可以看到右邊藍(lán)色的小條是非常少的。



目前ADI的邊緣AI解決方案MA7800X系列主要有兩款人工智能MCU，MAX78000和MAX78002，這二者都是基于Arm Cortex-M4F和RISC-V的低功耗微處理器，搭載專用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器執(zhí)行AI推理。MAX78002有更高頻率的微控制器內(nèi)核、更大存儲空間、更快的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，模型維度達(dá)到MAX78000的4倍，更支持視頻處理，可以說是MAX78000的升級版。MAX78002和MAX78000相比，不僅可以做圖像識別，還可以進(jìn)行復(fù)雜的視頻分析。

以MAX78000為例，將MAX78000、ADI的通用微控制器MAX32650和競爭對手的某個微控制器執(zhí)行相同AI推理所花費(fèi)的時間和功耗做對比。MAX78000在人臉識別和關(guān)鍵字識別的性能表現(xiàn)均優(yōu)于MAX32650和競爭對手的微控制器。

一些典型應(yīng)用

針對MAX7800X系列產(chǎn)品，也推出了許多支持資源，包括數(shù)據(jù)手冊、應(yīng)用筆記、評估套件、參考設(shè)計、教學(xué)視頻、工具、例程，幫助用戶基于MAX7800X系列進(jìn)行進(jìn)一步的AI研發(fā)。用戶可以在ADI官網(wǎng)上或者GitHub上找到這些資源。

針對MAX7800X系列產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了基于MAX78000參考設(shè)計——相機(jī)模組MAXREFDES178，供用戶評估MAX78000執(zhí)行AI推理的性能。MAXREFDES178的外觀像一個立方體，尺寸僅約為4.2cm×4.5cm×4cm，便攜性好。它除了自身魔方的形狀，還具備攝像頭、麥克風(fēng)、顯示屏、按鈕等多個機(jī)械組件，同時內(nèi)置電池，真正實現(xiàn)電池供電的邊緣AI推理，支持人臉識別和語音識別的功能。



另外還推出了許多其它的評估套件供用戶選用，這些套件的功能更加齊全。用戶也可以根據(jù)自己的需要去連接外設(shè)或者進(jìn)行個性化的開發(fā)。



MAX7800X支持在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上實現(xiàn)視覺識別的功能，經(jīng)過訓(xùn)練，MAX7800X可以正確識別人臉，用于考勤打卡、智能門鎖等電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上。

利用識別物品的功能，在攝像頭上面集成MAX78002，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾分類、產(chǎn)品分裝、快遞分揀的功能。



另外，MAX7800X系列還支持關(guān)鍵字識別，識別出用戶的語音指示來進(jìn)行操作，用在語音控制的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上。比如智能音箱、電動窗簾、智能照明等等。

邊緣AI MCU會有哪些規(guī)劃？

當(dāng)被問及是否會考慮采用RISC-V做為主處理器時，李勇表示目前還在評估，沒有確定的答案。不過ADI一直以客戶為中心，會根據(jù)產(chǎn)品性能需求選擇最優(yōu)的解決方案，架構(gòu)的選擇方面比較純粹，是基于對性能、功耗及成本方面的考量，希望能夠為客戶提供更多元、更優(yōu)化的解決方案。未來一些比較簡易化的MCU可能會直接采用RISC-V架構(gòu)。

過去邊緣AI主要是處理器通過軟件算法來實現(xiàn)，存在功耗等問題。另外與硬件CNN相比，處理器運(yùn)算更為復(fù)雜。而在ADI的硬件CNN當(dāng)中有64個8位處理器，存放權(quán)重數(shù)據(jù)的存儲分布在周圍，進(jìn)行快速地讀取和運(yùn)算?？傊珹DI的邊緣AI MCU設(shè)計無論是Cortex-M4F、RISC-V還是硬件CNN，都是以低功耗為出發(fā)點(diǎn)，以期滿足物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的性能與功耗的需求。