MCU+NPU集成迎來新突破？

隨著MCU主要應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)和汽車領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">智能化的需求增加，高性能、智能化、低延遲、決策更快的實時控制成為MCU發(fā)展的重要方向?；诖?，作為全球頭部半導(dǎo)體廠商的TI提供了怎樣的產(chǎn)品方案？

當(dāng)下，MCU應(yīng)用已經(jīng)滲透到智能家居、工業(yè)自動化、汽車電子、航空航天等多個領(lǐng)域。MCU在從8位到32位，再到64位過程中，處理能力日益強(qiáng)大。并且更多外設(shè)和功能與MCU集成到單一芯片上，實現(xiàn)了更高程度的集成化和微型化的MCU。

不過產(chǎn)品性能快速發(fā)展的同時，目前MCU也面臨許多應(yīng)用上的痛點：隨著應(yīng)用越來越復(fù)雜，對MCU的性能要求越來越高，但也需要尋求MCU性能與成本、MCU算力與功耗的平衡。

同時，隨著網(wǎng)絡(luò)安全威脅的增加，MCU需要集成更多的安全特性來保護(hù)系統(tǒng)免受攻擊。尤其是在關(guān)鍵應(yīng)用中，如汽車和工業(yè)控制，高可靠性和穩(wěn)定性的MCU是必不可少的。

此外，隨著MCU算法性能的提升，MCU需要處理的數(shù)據(jù)也越來越復(fù)雜。提高故障檢測的實時性、準(zhǔn)確性，降低復(fù)雜性也是集成化MCU應(yīng)用鎖面臨的重要挑戰(zhàn)。

為了解決以上MCU應(yīng)用領(lǐng)域的痛點，當(dāng)下主流MCU廠商陸續(xù)設(shè)計了不同角度的方案，例如以開源軟件和開發(fā)工具實現(xiàn)成本降低;或是采用模塊化設(shè)計減少開發(fā)和測試成本，等等。

作為全球頭部的半導(dǎo)體廠商，近日德州儀器(以下簡稱“TI”)也發(fā)布了兩款新型C2000TMMCU——TMS320F28P55x系列和F29H85x系列，致力于提高系統(tǒng)效率、安全性和可持續(xù)性。

據(jù)悉，TI的嵌入式產(chǎn)品線涵蓋了從Cortex-M0系列到多核異構(gòu)處理器，后者在汽車、工業(yè)及人工智能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，最高算力可達(dá)32TOPS。在這一龐大的產(chǎn)品矩陣中，F(xiàn)28P55X與F29H85x僅是其中的兩款代表性產(chǎn)品。

那么這兩款MCU新品，反映出TI在解決MCU應(yīng)用痛點的哪些思路和方案?

01 | 實時控制MCU：發(fā)展的主要方向

實時控制MCU是面對當(dāng)下市場趨勢下MCU發(fā)展的一個趨勢和前沿?zé)狳c。

隨著MCU主要應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)和汽車領(lǐng)域?qū)χ悄芑男枨笤黾?，以?a href="http://wenjunhu.com/soft/data/39-96/" target="_blank">消費(fèi)電子產(chǎn)品性能不斷提升，這些領(lǐng)域需要MCU擁有極高的實時響應(yīng)能力和強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

在此背景下，高性能、智能化、低延遲、決策更快的實時控制MCU成為MCU發(fā)展的重要方向。

德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英對實時控制系統(tǒng)做了解釋：實時控制MCU系統(tǒng)的首要之務(wù)，便是對真實物理世界進(jìn)行精密的傳感：通過ADC與采樣電路，將模擬信號采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

“以電機(jī)控制系統(tǒng)為例，電流與電壓的波形，以及位置傳感器的信號，均被送入實時控制MCU中，經(jīng)過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，最終通過PWM輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這個電子化的實時控制世界里，MCU或DSP，無疑是整個系統(tǒng)的智慧大腦。而Sensing部分則如同我們的感官，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則相當(dāng)于肌肉系統(tǒng)。此外，通信模塊也是不可或缺的一環(huán)，無論是EtherCAT、以太網(wǎng)、CAN，還是串行通信，均構(gòu)成了這一基礎(chǔ)實時控制MCU系統(tǒng)的血脈?！?/p>

德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英

在現(xiàn)實生活中，特別是在工業(yè)與汽車應(yīng)用領(lǐng)域，馬達(dá)驅(qū)動與數(shù)字電源變換是最為常見的實時控制MCU系統(tǒng)。這兩種應(yīng)用均要求處理器具備極高的實時性，不僅要求強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算與實時處理能力，還需配備出色的ADC與PWM，并通過一系列聯(lián)動機(jī)制，共同構(gòu)成一個高效、有機(jī)的實時控制MCU系統(tǒng)。

02 | 相較于CPU集成方案，MCU+NPU性能提高5-10倍

但是在MCU實際開發(fā)過程中，如何運(yùn)用高級別實時控制MCU，打造一套既精密又安全，同時性價比極高的實時控制MCU系統(tǒng)，是當(dāng)前工程師在打造實時控制系統(tǒng)難題。

為了解決這個難題，目前主流產(chǎn)品方案是將MCU與收發(fā)器接口、LDO、AFE等模塊和電路進(jìn)行集成，或是MCU集成CPU、DSP、AI加速器，以及AI算法和模型，從而提高M(jìn)CU的算法性能。

而這次新發(fā)布、被TI稱為業(yè)內(nèi)率先推出的具有集成神經(jīng)處理單元的實時控制MCU的C2000TMMCU——TMS320F28P55x，正是在如今MCU市場需求下，MCU+NPU產(chǎn)品方案集成的一大重要成果。

圖源：TI官網(wǎng)

據(jù)師英介紹，NPU能夠獨(dú)立完成AI領(lǐng)域常見的運(yùn)算算子。雖然普通CPU也能完成這一運(yùn)算，但效率相對較低。而利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速單元，其性能將比使用C2000的CPU提高5-10倍。

“關(guān)于MCU集成NPU，已有若干實際應(yīng)用案例嶄露頭角，例如，在太陽能及供電系統(tǒng)中的電弧檢測應(yīng)用。當(dāng)接觸發(fā)生時，高壓導(dǎo)線或觸點間常常會產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，這一潛在危險源可能引發(fā)火災(zāi)，因此，對電弧的有效檢測與預(yù)防顯得尤為重要;此外，在馬達(dá)驅(qū)動領(lǐng)域，對馬達(dá)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測同樣關(guān)鍵，旨在預(yù)判其未來可能出現(xiàn)的故障?！?/p>

通過F28P55XMCU的運(yùn)算機(jī)制，故障檢測的準(zhǔn)確率可高達(dá)99%。F28P55XMCU是在C2000系列MCU中融入了NPU內(nèi)核，這意味著，只需通過單一芯片，F(xiàn)28P55XMCU能夠用單一型號完成原本需要額外故障檢測MCU的功能，從而提供更緊湊、更小尺寸、更低成本的MCU設(shè)計方案。

圖源：TI官網(wǎng)

師英介紹，該MCU內(nèi)置的Flash memory最高可達(dá)1.1MB。對于實時系統(tǒng)而言，ADC與高精度PWM是兩大核心外設(shè)。具體而言，F(xiàn)28P55X提供了24個高精度PWM通道以及最多39個ADC通道。

“之所以C2000MCU一直被行業(yè)內(nèi)的工程師認(rèn)可和青睞，就是因為它切中了實時控制的這個點。對于實時控制來講，它有高性能的數(shù)學(xué)運(yùn)算單元和協(xié)處理器單元，ADC和PWM兩個關(guān)鍵外設(shè)，從sensing到accusation execution的鏈路整個的一個優(yōu)化，這是C2000 MCU實時處理核心的競爭力?！?/p>

03 | MCU與邊緣AI：實現(xiàn)高精度檢測性能的發(fā)展方向?

在當(dāng)前工業(yè)及汽車領(lǐng)域的實時控制MCU系統(tǒng)中，一個顯著趨勢是：越來越多的任務(wù)傾向于采用更為智能、基于AI的方法來完成。從運(yùn)算單元的位置來看，AI可分為云端AI與邊緣AI兩類。對于嵌入式系統(tǒng)或?qū)崟r控制系統(tǒng)而言，邊緣AI無疑是一個必然選擇。

邊緣AI下的實時性得到顯著提升，無需將數(shù)據(jù)上傳至云端，從而避免了傳輸延遲;其次，通過算法優(yōu)化及NPU的加入，系統(tǒng)整體功耗得以降低。另外，從安全性與可靠性的角度來看，避免了數(shù)據(jù)采集與傳輸至云端的過程，有助于提升設(shè)備的安全性。

在傳統(tǒng)的非NPU方案中，主要是通過對直流母線電壓與電流進(jìn)行采樣，并設(shè)置一系列觸發(fā)閾值或規(guī)則來判斷電弧是否發(fā)生。這種方法存在諸多限制，檢測準(zhǔn)確率往往難以提升，一般僅能達(dá)到85%左右。這便是現(xiàn)有或傳統(tǒng)解決方案所面臨的問題。

F28P55X這一創(chuàng)新解決方案的過程中，原有的DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器以及MPPT系統(tǒng)均繼續(xù)沿用了C2000系列的核心技術(shù)，這意味著原始的實時控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與硬件配置基本保持不變，特別是軟件算法層面無需做出調(diào)整。

師英介紹，唯一的變化在于利用F28P55X內(nèi)置的NPU來專門執(zhí)行電弧檢測任務(wù)。

那么，如何實現(xiàn)99%的高檢測準(zhǔn)確性呢?

“這得益于我們先進(jìn)的離線邊緣AI工具——TI Edge AI Tools。該工具能夠針對大量電弧發(fā)生時的電流與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行深度訓(xùn)練，從而構(gòu)建一個精準(zhǔn)的CNN模型。模型訓(xùn)練完成后，通過專用的軟件開發(fā)工具，即可輕松部署至F28P55X的NPU上。由于這一過程基于龐大的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，而非依賴傳統(tǒng)的軟件設(shè)計規(guī)則與觸發(fā)閾值來判斷電弧情況，因此其檢測準(zhǔn)確率能夠高達(dá)99%?！?/p>

04 | MCU+NPU如何實現(xiàn)功耗與成本控制?

德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英也介紹了目前F28P55X的使用案例，“我們的合作伙伴已成功開發(fā)出基于F28P55X的電弧檢測模塊。該模塊單次電弧判斷時間可縮短至5毫秒，且在檢測到電弧后的0.2秒內(nèi)即可迅速自動切斷電路，其誤報率近乎為零?！?/p>

當(dāng)MCU集成邊緣AI等算法性能后，功耗也會相應(yīng)提高。性能與功耗的相對平衡也是如今許多MCU集成化下遇到的難題之一。

TI供圖

“從功耗優(yōu)化的角度來看，執(zhí)行相同卷積運(yùn)算時，CPU所需時間可能是NPU的5到10倍。在評估功耗時，需綜合考慮電流峰值與工作時間。盡管NPU啟動時的電流峰值可能較高，但由于其任務(wù)完成時間大約只有原本用時的1/10，從而能夠有效降低整體功耗。

在成本控制方面，師英介紹，C2000系列的邊緣AI一般是在工業(yè)控制領(lǐng)域或者汽車功能控制領(lǐng)域，“針對不同的應(yīng)用，我們會去匹配相應(yīng)的算力與功能配置，這是很重要控制成本的一點?！?/p>

05 | 實時控制MCU，如何實現(xiàn)運(yùn)算效率提升?

在實際應(yīng)用層面，除了更實時和精準(zhǔn)的MCU控制外，隨著工業(yè)與汽車領(lǐng)域執(zhí)行效率的提升速度日益加快，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之提高。在此背景下，新一代功率半導(dǎo)體的應(yīng)用使得開關(guān)調(diào)制頻率同步增高，這也要求實時運(yùn)算處理器MCU的運(yùn)算效率需要實現(xiàn)大幅度提升。

TI此次發(fā)布的另一款新品F29H85x 系列，正是致力于提供工業(yè)與汽車領(lǐng)域下高算力MCU需求的產(chǎn)品方案。

師英介紹，F(xiàn)29H85x MCU搭載了新型C29內(nèi)核，這是C2000系列CPU多年來的一次重大迭代升級，其處理位寬從32位躍升至64位，并配備了超長指令級架構(gòu)，使得單個指令周期最多能并行完成8條指令。

“與上一代C28內(nèi)核相比，C29在信號鏈性能上可實現(xiàn)2至3倍的提升。對于馬達(dá)驅(qū)動的數(shù)學(xué)運(yùn)算與實時運(yùn)算而言，其性能可提升2倍;而在電源變換方面，C29的性能則可提升約3倍。若僅就FFT運(yùn)算而言，C29的運(yùn)算速度相較于C28可提升5倍。C29的CPU版本在數(shù)學(xué)運(yùn)算能力上實現(xiàn)了極為顯著的提升。此外，與C28相比，C29的中斷響應(yīng)速度也提升了4倍?！?/p>

圖源：TI官網(wǎng)

具體到集成方案設(shè)計上，由于F29H85x的中斷效率得到提升，并支持功能安全與信息安全，因此僅需一顆MCU便能實現(xiàn)OBC+DC/DC+主機(jī)MCU的三合一功能。這不僅提升了效率，還減小了尺寸并降低了成本。

F29H85x能夠更快地進(jìn)行運(yùn)算和中斷響應(yīng)，因此對于第三代半導(dǎo)體功率半導(dǎo)體的支持也得以大幅度提升PWM的開關(guān)頻率，從而提高系統(tǒng)的效率。更高的開關(guān)頻率意味著磁性元器件的尺寸可以減小，進(jìn)而使得整個系統(tǒng)的尺寸也相應(yīng)減小。

06 | F29H85x如何實現(xiàn)汽車控制應(yīng)用的集成化方案?

得益于CPU性能的提升，F(xiàn)29H85x可廣泛應(yīng)用于眾多實時控制領(lǐng)域。

例如，汽車中的牽引電機(jī)控制往往不僅限于一個電機(jī)，而是可能涉及多個電機(jī)的協(xié)同控制，最常見的配置是雙電機(jī)應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的雙電機(jī)系統(tǒng)中，每個牽引電機(jī)都需要一個獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動控制環(huán)路，同時還需要一個主機(jī)來負(fù)責(zé)功能安全和AUTOSAR的運(yùn)行。此外，還需要昂貴的旋變解碼器電路來檢測驅(qū)動牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。雙電機(jī)系統(tǒng)則需要兩個這樣的控制器和兩份旋變解碼器電路。

師英介紹，采用F29H85x時，可以利用CPU1和CPU2的鎖步運(yùn)行來完成功能安全和AUTOSAR的任務(wù)，同時用CPU3來控制兩路電機(jī)。值得一提的是，F(xiàn)29H85x內(nèi)部集成了旋變解碼器功能，或者使用TI提供的另一種磁性位置傳感解決方案，都可以實現(xiàn)用一個芯片完成所有功能，并集成到整個系統(tǒng)中。

另外，在高壓一體化電動汽車中，傳統(tǒng)上完成OBC+HVLV DCDC(高低壓直流轉(zhuǎn)換器)+主機(jī)的功能通常需要三個MCU。

然而，采用F29H85x時，由于其內(nèi)部集成了一對鎖步運(yùn)行的CPU，以及一個獨(dú)立的C29內(nèi)核，因此僅需一顆MCU即可完成整套系統(tǒng)的功能。CPU1和CPU2的鎖步運(yùn)行能夠很好地支持ASIL-D級別的功能安全需求，同時兩者均可運(yùn)行AUTOSAR，這是幾乎所有設(shè)備都需要的。而CPU3則可以獨(dú)立承擔(dān)OBC和DCDC的控制環(huán)路，實現(xiàn)單芯片系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

07 | 小結(jié)

隨著應(yīng)用范圍越來越廣、應(yīng)用程度越來越深，具有極高實時響應(yīng)能力和強(qiáng)大運(yùn)算能力MCU成為了當(dāng)下市場主要的需求。

在這種背景下，MCU與TMU、CLA、CPU、NPU等組件進(jìn)行更深程度的集成和搭配，以實現(xiàn)更高性能的算力和更精準(zhǔn)的功能。

發(fā)展過程中，集成方案下的性能達(dá)成度、功耗與性能的平衡、邊緣AI應(yīng)用下的成本控制等成為MCU集成化發(fā)展下的諸多應(yīng)用難題。這些也將是未來MCU集成化方案下提升的主要方向。

正如德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英所說，未來還將推出更多不同配置的新產(chǎn)品，以滿足基于應(yīng)用需求的更高性價比要求。MCU集成化下的應(yīng)用難點，也將隨著技術(shù)與方案的優(yōu)化，不斷取得突破與升級。

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審核編輯 黃宇