媒體聚焦丨瑞薩電子兩大科技令嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)邊緣智能和擺脫電池束縛

瑞薩電子株式會社高級副總裁、瑞薩電子中國董事長真岡朋光表示，瑞薩電子正在為工廠自動化推出e-AI嵌入式人工智能解決方案，并為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)SOTB超低功耗工藝。

目前，設(shè)備端、云端、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)相輔相成，支持著智能化世界的快速發(fā)展。而瑞薩電子也為智能化世界及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展帶來兩項前沿科技：全新理念的e-AI技術(shù)支持設(shè)備端智能化；SOTB超低功耗技術(shù)支持萬物互聯(lián)。

瑞薩電子正在開發(fā)中的DRP以及SOTB技術(shù)將為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域提供新的附加價值。DRP（動態(tài)可配置處理器）技術(shù)可靈活地隨機(jī)重寫電路。對于無法隨時自由連接到云或?qū)崟r性有高要求的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，DRP技術(shù)能夠大顯身手。即使不連接云端，DRP也可在獨立系統(tǒng)中應(yīng)用AI。瑞薩電子嵌入式人工智能e-AI，以此大大擴(kuò)展了終端設(shè)備智能化的可能性。

再就是SOTB。正常的低功耗技術(shù)，其特點是只能在運行或待機(jī)模式中擇一保持低功耗。而SOTB的獨特性在于其在兩種模式下都能保持低功耗。這項功能使得構(gòu)建不需要電池的系統(tǒng)成為可能，從而可以擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備及其所在場所的范圍?！拔覀兿嘈?，DRP和SOTB這兩種技術(shù)能為AI和物聯(lián)網(wǎng)的未來應(yīng)用提供重要的附加價值?！?真岡表示。

瑞薩電子中國產(chǎn)業(yè)解決方案中心OA&ICT部部長陳建名深入淺出地介紹了瑞薩電子的e-AI解決方案，以及核心的技術(shù)，包括DRP和SOTB。

首先看e-AI解決方案。他指出，目前在市場上，各種各樣的電子產(chǎn)品設(shè)備都增加了AI功能，而且絕大部分產(chǎn)品，其AI學(xué)習(xí)與推理都是在云端進(jìn)行。特別是在OT中的終端產(chǎn)品或者設(shè)備，通過云端做AI的學(xué)習(xí)與分析，可能會造成時間上的網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬的擁擠以及網(wǎng)絡(luò)安全性和功耗的問題?？紤]到這幾點，瑞薩電子推出了e-AI解決方案，可以通過客戶端學(xué)習(xí)的AI模型，把它融合到終端的產(chǎn)品和設(shè)備，實現(xiàn)實時、安全和低功耗的終端智能化。

他介紹說，2017年7月，瑞薩電子首次公布e-AI方案，通過瑞薩電子提供的e-AI翻譯器，把客戶AI模型翻譯到C語言，然后在瑞薩電子RX系列MCU里進(jìn)行AI的終端推理功能。2018年10月，第二代e-AI的方案推出，通過將瑞薩電子獨有的DRP技術(shù)嵌入到芯片中，實現(xiàn)基于DRP的e-AI解決方案。

DRP即動態(tài)可編程處理器?？蛻艨梢园凑掌湫枰诓煌臅r間對DRP的硬件邏輯編程，實現(xiàn)一些并行的數(shù)據(jù)處理。DRP技術(shù)特別適用于圖像處理。除了第二代e-AI解決方案，瑞薩電子在今年的第四季度也會推出第三代e-AI解決方案，屆時將配置能力更強(qiáng)大的 DRP AI芯片?！斑@個DRP AI跟第二代DRP有什么區(qū)別？主要在于它在器件中額外配置AI MAC（乘加運算），特別適合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。里邊的卷積層需要大量的計算，我們AI的MAC硬件可以實現(xiàn)非?？焖俚闹貜?fù)疊加計算。所以DRP AI第三代產(chǎn)品剛好能滿足卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用?！标惤忉屨f。

“同時，瑞薩電子第四代產(chǎn)品Class 4 e-AI解決方案DRP AI 2也在規(guī)劃當(dāng)中。這個產(chǎn)品目的是實現(xiàn)在終端的增量學(xué)習(xí)功能?！彼a(bǔ)充說。

DRP是瑞薩電子獨有的技術(shù)，在同等功耗的前提下，比目前市場上的一些MCU、DSP或FPGA的處理能力高十倍或一百倍。反過來說，在相同的處理能力下，其功耗會比目前市場上的這些處理器低很多。

該產(chǎn)品的目標(biāo)應(yīng)用場景包括智能工廠、智能家居、智能基礎(chǔ)設(shè)施。例如，對于工業(yè)控制應(yīng)用，e-AI方案可以通過學(xué)習(xí)完的數(shù)據(jù)，利用電機(jī)上的加速傳感器分析判斷從傳感器所采集的信息到底是正常還是異常。然后再將其傳送到控制中心或控制系統(tǒng)進(jìn)行通知。這樣可以大大改善整個生產(chǎn)的效率，避免停機(jī)，同時也可以降低維修的成本。

另外一個應(yīng)用場景就是生物認(rèn)證。這在機(jī)場或口岸的出入境，以及辦公樓進(jìn)出系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。

DRP包含多組處理單元、存儲器和DMA控制器。DRP可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行編程，按不同的時間計算不同的算法，同時可以實現(xiàn)不同算法的并行處理，每一個時鐘周期都小于1ns，因此，非常適合圖像處理這種應(yīng)用。

AI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含幾個不同的處理層：卷積層、池化層和全連接層等等。DRP非常適合作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI加速器。第三代DRP配置AI MAC，里面有多組快速處理單元，能實現(xiàn)非常有效的計算。卷積層本身需要處理大量的數(shù)據(jù)，同時其數(shù)據(jù)需要不斷賦予權(quán)重，然后再重復(fù)計算，需要快速的處理單元去做乘法或加法。這樣，配置了AI MAC的DRP就可以真正滿足卷積層這種復(fù)雜的計算。

CPU和DRP實測對比。左邊是一個500MHz時鐘頻率的CPU，右邊是第二代DRP，同時進(jìn)行Canny邊緣檢測算法的運算。500MHz CPU需要140ms，而DRP只有40MHz，處理速度卻比500MHz CPU快十倍以上。

接下來看另外一個核心技術(shù)，SOTB（薄氧化埋層覆硅）。SOTB是瑞薩電子自己研發(fā)的超低功耗工藝技術(shù)，它可以實現(xiàn)無摻雜的晶體管。無摻雜結(jié)構(gòu)可以降低晶體管淤積特性變化。對比傳統(tǒng)的平面式晶體管的淤積特性變化，這種無摻雜通道和結(jié)構(gòu)可以將特性變化降低2/3。減小晶體管的淤積特性變化，就可以在超低的電壓下，比如0.5V左右，進(jìn)行比較穩(wěn)定的操作。同時也可以大大降低工作電流和待機(jī)電流。

SOTB技術(shù)在一些特定條件下，電流消耗只是傳統(tǒng)的MCU的1/10。

傳統(tǒng)的MCU通過3V的紐扣電池供電，間隔性檢測傳感器的信號采集，再把信息傳到云端。如果其數(shù)據(jù)周期占1%，一個月后系統(tǒng)就可能沒電了。如果換成1‰的數(shù)據(jù)周期，這個系統(tǒng)也只能運行一年左右。

但是，利用SOTB技術(shù)做成的MCU，卻可以自己不斷地、連續(xù)性地進(jìn)行傳感器的信號采集。因為本身需要的電流非常低，3μA就已經(jīng)足夠，同時再配合瑞薩電子的嵌入式AI解決方案，就可以通過學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)去分析和判斷通過傳感器收集回來的信息是屬于正常還是異常模式，然后才需要把相關(guān)的信息傳到云端。

由于整個系統(tǒng)都在終端運行，因此可以實現(xiàn)低時延、安全（因為不需要通過云端，所以不會發(fā)生信息在傳輸過程中被竊取的情況）和低功耗的效果。

SOTB應(yīng)用方案的路線圖可以分成三個階段。第一階段，該技術(shù)預(yù)計在今年的下半年在中國市場正式發(fā)布。首要目標(biāo)應(yīng)用場景是一些需要經(jīng)常更換電池或電池維護(hù)的應(yīng)用。第二階段，在2021年左右，計劃會把無線技術(shù)（如藍(lán)牙）集成進(jìn)去，從而擴(kuò)展應(yīng)用場景，包括智能家電或智能樓宇，以及個人健康產(chǎn)品。第三階段是長遠(yuǎn)目標(biāo)，不但會集成無線技術(shù)，同時也會將嵌入式AI解決方案整合到器件里，做成一個完整的方案，進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用的場景，包括農(nóng)業(yè)、智能交通等。

陳建名最后為大家演示了三個demo。第一個demo是3D手勢識別，瑞薩電子會通過e-AI解決方案提供手勢數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)工具、錄制工具和AI學(xué)習(xí)工具。工程師只需要做很小的代碼改動，不需要重新再寫復(fù)雜的算法，就可以達(dá)到很高分辨率的3D手勢識別和控制。

第二個demo也跟e-AI解決方案相關(guān)，是一個電機(jī)異常檢測的案例。用瑞薩電子32位MCU來實現(xiàn)電機(jī)控制，以及e-AI推理功能。通過配置在電機(jī)上的加速傳感器收集信號，再通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)來判斷所收集的信息是屬于正常模式還是異常模式。同時將計算出的故障率在電腦上顯示出來。

第三個demo是用DRP進(jìn)行實時圖像處理。這個demo板里所用的控制器是RZ/A2M，這個主芯片里配置了動態(tài)可編程的處理器。一些圖像處理可能會分成很多不同的算法——收集完圖像后還需要去分析，做圖像的解碼等。動態(tài)可編程處理器的主芯片真正可以滿足這種圖像處理復(fù)雜的計算要求。它可以并行處理不同的算法，取決于用戶怎么對邏輯電路進(jìn)行編程。

相比528MHz主頻的Arm Cortex-A0處理器，RZ/A2M的處理能力快13倍。

DRP另外一個優(yōu)勢是低功耗?！半m然第二代DRP的主頻只有66MHz，第三代是250MHz，但是主頻低不代表處理能力會相對降低。主頻低可以實現(xiàn)低功耗和并行數(shù)據(jù)處理，所以其處理能力比主頻高很多的MCU或者M(jìn)PU更強(qiáng)大，比A9的處理能力快13倍。這是瑞薩電子DRP真正的優(yōu)勢?！标惤忉屨f。