2024是AI MCU元年？
發(fā)布日期:2025-01-16
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人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)曾經(jīng)是大型數(shù)據(jù)中心和強(qiáng)大GPU的代名詞，而正致力于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊緣推進(jìn)，并立足于微控制器（MCU）等資源構(gòu)成的組件中。2024年近年來，越來越多高效的MCU工作負(fù)載與AI功能相結(jié)合，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)音頻處理、計(jì)算機(jī)視覺、聲音分析和其他算法等各種定制應(yīng)用。
以ST（意法半導(dǎo)體）及其STM32N6 MCU為例，它配備了專用于嵌入式推理的神經(jīng)處理單元（NPU），可以說是ST功能最強(qiáng)大的MCU。此外，還可以執(zhí)行分割、分類除了這款 MCU 之外，ST 還提供了軟件和工具，幫助開發(fā)人員降低入門門檻，讓他們能夠在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 中充分利用 AI 加速性能。
圖1：STM32N6的Neural-ART加速器可提供比恐慌高端STM32 MCU高600倍的ML性能。（來源：意法半導(dǎo)體）
另一家領(lǐng)先的MCU供應(yīng)商英飛凌也在其PSOC MCU系列中集成了硬件加速器。其NNlite神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的目標(biāo)推動(dòng)以ML為基礎(chǔ)的新型應(yīng)用，例如喚醒、基于視覺的位置檢測，以及面部識(shí)別部/對(duì)象識(shí)別等，頭部消費(fèi)、工業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2：PSoC Edge系列MCU集成NNlite神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，實(shí)現(xiàn)以ML為基礎(chǔ)的新一代應(yīng)用。（來源：英飛凌）
TI（德州儀器）則將其支持AI的MCU稱為實(shí)時(shí)微控制器，并在其C2000設(shè)備內(nèi)部集成了一個(gè)NPU，以實(shí)現(xiàn)高精度、低延遲的故障檢測。這可以讓嵌入式應(yīng)用實(shí)時(shí)做出精確的智能決策，以執(zhí)行太陽能和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電氣故障檢測，以及用于預(yù)測性維護(hù)的電機(jī)軸承故障檢測等功能。
圖3：C2000 MCU集成了Edge AI硬件加速器，實(shí)現(xiàn)更智能的實(shí)時(shí)控制。（來源：TI）
事實(shí)上，ADI更早之前即在其硬件與平臺(tái)堆棧的基礎(chǔ)上集成具有智能、安全與超低功耗(ULP)優(yōu)勢的Maxim MCU，推出了新一代AI MCU MAX78000，基于硬件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN) 加速器，只需消耗微焦耳的能量即可執(zhí)行 AI 推理，性能更高的 Edge AI MCU 系列支持復(fù)雜的睡眠、指紋識(shí)別、指紋分析和物體檢測等視覺和推理應(yīng)用。
圖4：近期于其他解決方案，AI MCU 執(zhí)行 AI 推理的速度更快、功耗支出。（來源：ADI）
在這些AI MCU上執(zhí)行的模型，可通過訓(xùn)練來學(xué)習(xí)和適應(yīng)不同的環(huán)境，這反過來又有助于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超過99%的故障檢測準(zhǔn)確率，從而實(shí)現(xiàn)更明智的邊緣決策。此外，預(yù)先模型的可用性進(jìn)一步降低了在訓(xùn)練中 MCU 上執(zhí)行 AI 應(yīng)用的能力。
更重要的是，在MCU內(nèi)部加入硬件加速器，可以減弱主顯卡的推理工作負(fù)載，釋放更多的時(shí)鐘周期用于嵌入式應(yīng)用。這與AI硬件加速M(fèi)CU進(jìn)程的開始。在這一旅程的開始起點(diǎn)，將會(huì)把MCU推向以往需要MPU的應(yīng)用領(lǐng)域。在嵌入式設(shè)計(jì)領(lǐng)域，MPU也能完全具備實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)任務(wù)的能力。
隨著MCU的性能持續(xù)發(fā)展，MCU與MPU之間的界限將變得更加模糊，越來越多適合資源架構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將出現(xiàn)在MCU+AI的應(yīng)用上，這不僅讓MCU變得更加模糊性價(jià)比的解決方案，也有利于MCU行業(yè)迎接新的應(yīng)用和廠商。
圖5：支持AI的MCU將在多種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中取代MPU，另外為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來重大的變革與沖擊。(來源：意法半導(dǎo)體)
無疑，AI是MCU演進(jìn)的下一個(gè)重大方向，但針對(duì)AI優(yōu)化的MCU還有很長的路要走。例如，軟件工具及其易用性將必須與這些AI MCU齊頭并進(jìn)，才能幫助開發(fā)人員評(píng)估AI模型在MCU上的可嵌入性。另外，開發(fā)人員也應(yīng)該能夠只需簡單點(diǎn)擊幾下，就可以快速測試在MCU上執(zhí)行的AI模型。
2024年開啟了MCU領(lǐng)域的AI時(shí)代，到了2025年，我們很可能見證更多輕量化AI模型在MCU上的進(jìn)一步突破。
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