隨著這一趨勢(shì)的發(fā)展，我們可以預(yù)見，未來的MCU將不僅僅是簡(jiǎn)單的控制單元，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軟Q策中心。這些集成了AI功能的MCU將帶來革命性的變化，從智能家居到工業(yè)自動(dòng)化，從醫(yī)療健康到交通運(yùn)輸，都將受益于邊緣AI帶來的高效能和低延遲。r1Resmc

在MCU中集成AI已成趨勢(shì)

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AI的集成使得MCU能夠在本地執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和決策處理，而無需將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，這大大提高了響應(yīng)速度并降低了數(shù)據(jù)傳輸成本。目前，各芯片廠商根據(jù)不同市場(chǎng)的需求，正在用不同的方式將AI功能融入自己的MCU產(chǎn)品中。最近TI發(fā)布的C2000系列新品,就將NPU(神經(jīng)處理單元)集成到了MCU中。r1Resmc

在介紹具體的產(chǎn)品之前，我們首先看看,當(dāng)前的幾種在MCU中集成AI功能的形式。通常，芯片廠商在決定如何在MCU中集成AI功能時(shí)，會(huì)綜合考慮其產(chǎn)品的市場(chǎng)定位、應(yīng)用場(chǎng)景、性能需求、成本預(yù)算和功耗限制等多種因素。他們會(huì)精心選擇最適合其產(chǎn)品特性和目標(biāo)市場(chǎng)的AI集成方式。以下是當(dāng)前各廠商在MCU中集成AI功能的幾種主要方式：r1Resmc

• 硬連線AI加速器：這種形式的AI集成是通過在MCU芯片上直接添加專用的硬件加速器,比如NPU來實(shí)現(xiàn)的，這些加速器專門為運(yùn)行AI算法而設(shè)計(jì)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。它們通常能夠提供高效的性能和低功耗。
• 可編程數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）：一些MCU包含可編程的DSP核心，這些核心可以配置和優(yōu)化來執(zhí)行AI算法。雖然它們可能不如專門的AI加速器高效，但提供了更大的靈活性。
• 軟件實(shí)現(xiàn)的AI：在沒有專門硬件加速器的情況下，AI算法可以通過軟件在MCU的主處理器上運(yùn)行。這種方法通常性能較低，但不需要額外的硬件資源。
• 混合方法：結(jié)合了以上幾種方法，既包括硬件加速器，也利用DSP和主處理器的軟件處理能力。這種方法可以提供靈活性和性能的最佳平衡。
• 協(xié)處理器集成：一些MCU通過集成專門的協(xié)處理器來增強(qiáng)AI處理能力，這些協(xié)處理器可以是專用的AI處理器或者是支持AI任務(wù)的通用處理器。
• 外部AI處理器：雖然不是集成在MCU內(nèi)部，但一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)選擇將外部AI處理器與MCU配合使用，通過接口連接，這樣可以在不犧牲MCU內(nèi)部資源的情況下提供強(qiáng)大的AI處理能力。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和AI算法的持續(xù)進(jìn)步，未來MCU設(shè)計(jì)中將涌現(xiàn)出更多創(chuàng)新且多樣化的AI集成策略。這些新興方案預(yù)期將顯著改善性能與功耗的平衡，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展能力。它們可能包括更先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理技術(shù)，以及對(duì)更高效的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的優(yōu)化支持。這種不斷推進(jìn)的技術(shù)革新不僅為MCU的應(yīng)用帶來更廣闊的空間，也為智能設(shè)備和邊緣計(jì)算解決方案的深入發(fā)展注入了新的動(dòng)力。r1Resmc

TI發(fā)布首顆MCU+NPU產(chǎn)品

在人工智能發(fā)展的沖擊下，近年來各芯片廠為滿足邊緣設(shè)備的需求，都推出了自己的融合AI功能的MCU。當(dāng)然，這些廠商根據(jù)自身產(chǎn)品的定位，選擇了不同的AI集成方式。比如，TI最近發(fā)布的C2000系列MCU，采用了MCU+NPU的方式來集成AI功能。r1Resmc

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在今年的德國慕尼黑國際電子元器件展上，TI展示了C2000™ MCU新品TMS320F28P55x系列和F29H85x系列。前者是TI首款集成NPU的實(shí)時(shí)微控制器產(chǎn)品系列，它可實(shí)現(xiàn)高精度、低延遲的故障檢測(cè)，后者基于TI的新型64位C29數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核構(gòu)建，提供了具有集成功能安全和信息安全功能的先進(jìn)架構(gòu)。r1Resmc

·TMS320F28P55x系列

據(jù)德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英介紹，F(xiàn)28P55X是工業(yè)和汽車領(lǐng)域?qū)崟r(shí)控制系統(tǒng)中的創(chuàng)新產(chǎn)品，它集成了NPU，推動(dòng)了任務(wù)向智能化、基于AI的方法轉(zhuǎn)變。在太陽能和供電系統(tǒng)中，F(xiàn)28P55X的應(yīng)用已顯示出其價(jià)值，特別是在電弧檢測(cè)方面，能夠有效預(yù)防潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。同樣，在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，F(xiàn)28P55X的AI技術(shù)提高了故障檢測(cè)與預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率至99%，為預(yù)防性維護(hù)提供了有力支持。r1Resmc

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師英介紹說，在傳統(tǒng)的非NPU方案中，通過對(duì)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。不過，這種方法存在諸多限制，檢測(cè)準(zhǔn)確率往往難以提升，一般僅能達(dá)到85%左右。檢測(cè)不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致兩種后果：一是漏報(bào)，即實(shí)際發(fā)生電弧但未被檢測(cè)到，從而增加火災(zāi)或停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)；二是誤報(bào)，即未發(fā)生電弧卻發(fā)出警報(bào)，可能導(dǎo)致不必要的停機(jī)，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。這便是現(xiàn)有或傳統(tǒng)解決方案所面臨的問題。r1Resmc

而在F28P55X這一創(chuàng)新解決方案中，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(shí)時(shí)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。其唯一的變化在于“利用F28P55X內(nèi)置的NPU來專門執(zhí)行電弧檢測(cè)任務(wù)”。得益于TI的離線邊緣AI工具TI Edge AI Tools，該工具能夠針對(duì)大量電弧發(fā)生時(shí)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(gè)精準(zhǔn)的CNN模型。在模型訓(xùn)練完成后，通過專用的軟件開發(fā)工具，即可部署至F28P55X的NPU上。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(jì)規(guī)則與觸發(fā)閾值來判斷電弧情況，因此其檢測(cè)準(zhǔn)確率能夠高達(dá)99%。r1Resmc

不過，在MCU中加入功能計(jì)算會(huì)增加功耗。TI的新品通過怎樣的方式平衡這一問題的呢？師英解釋說，當(dāng)協(xié)處理器或NPU未被使用時(shí)，MCU的電源管理單元可將它們置于休眠狀態(tài)，以減少不必要的功耗。NPU在執(zhí)行卷積運(yùn)算或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算時(shí)，比傳統(tǒng)CPU效率更高，能將任務(wù)完成時(shí)間縮短至原來的1/10，即使啟動(dòng)時(shí)電流峰值較高，整體功耗依然降低。因此，通過優(yōu)化電流峰值和工作時(shí)間的綜合考量，可以有效地管理功耗。r1Resmc

F28P55X系列配備高達(dá)1.1MB的內(nèi)置Flash Memory。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，該系列強(qiáng)調(diào)了24個(gè)高精度PWM通道和多達(dá)39個(gè)ADC通道的重要性?？傊?，F(xiàn)28P55X不僅是一款單一設(shè)備，而是一個(gè)多樣化配置的系列，包括不同內(nèi)存規(guī)格、汽車級(jí)認(rèn)證和功能安全等級(jí)選項(xiàng)。TI計(jì)劃推出超過40種型號(hào)，以適應(yīng)市場(chǎng)的廣泛需求。r1Resmc

·F29H85x系列

F29H85x系列采用新型C29內(nèi)核，標(biāo)志著C2000系列CPU的重大升級(jí)，處理位寬提升至64位，并支持超長指令級(jí)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單周期內(nèi)最多8條指令的并行運(yùn)算。該系列在功能安全與信息安全方面達(dá)到汽車ISO26262 ASIL-D級(jí)和工業(yè)IEC61508 SIL-3級(jí)的最高標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置HSM滿足全球信息安全需求。r1Resmc

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該系列的多重隔離機(jī)制確保了功能安全與信息安全，其運(yùn)算單元性能顯著提升，適用于各類實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。C29內(nèi)核在信號(hào)鏈性能上比C28提升2至3倍，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和電源變換性能分別提升2倍和3倍，F(xiàn)FT運(yùn)算速度提升5倍。中斷響應(yīng)速度提升4倍，優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集與控制指令輸出。r1Resmc

F29H85x廣泛應(yīng)用于汽車OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器、多電機(jī)牽引逆變器、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、光伏逆變器、在線UPS和機(jī)器人等領(lǐng)域。其高效的中斷處理和內(nèi)置安全功能使得一顆MCU即可實(shí)現(xiàn)多重功能，提升系統(tǒng)效率，減小尺寸和成本。F29H85x還適用于新型矩陣轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足高級(jí)別的安全與信息安全要求。r1Resmc

師英透露稱，F(xiàn)29系列的設(shè)計(jì)理念在于將多種功能集成于單個(gè)芯片，未來將推出更多配置以適應(yīng)不同應(yīng)用需求，提供高性價(jià)比解決方案。F29H85x在汽車電子應(yīng)用中，相較于C28系列，提供了更高的功能安全和信息安全支持，其架構(gòu)采用字節(jié)尋址，內(nèi)存訪問模式接近Arm，原生支持AUTOSAR，適合復(fù)雜多合一系統(tǒng)。他表示：“我們將根據(jù)市場(chǎng)需求逐步推廣29系列。”r1Resmc

C2000系列已經(jīng)有30年歷史

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2024年是TI C2000™系列MCU發(fā)布的第30周年。據(jù)了解，C2000系列最初是作為DSP而推出的,這個(gè)系列最初的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于為電機(jī)控制和其他實(shí)時(shí)控制應(yīng)用提供高性能的信號(hào)處理能力。隨著時(shí)間的推移，C2000™系列逐漸發(fā)展，不僅增強(qiáng)了其DSP功能，還增加了更多MCU的特性，如更豐富的外設(shè)和接口、更易于使用的開發(fā)工具等。r1Resmc

在過去的技術(shù)迭代中，C2000™系列已經(jīng)從16位運(yùn)算位寬發(fā)展到64位。隨著一系列產(chǎn)品的不斷升級(jí)，C2000™引入了浮點(diǎn)運(yùn)算單元、數(shù)學(xué)協(xié)處理器、三角函數(shù)運(yùn)算器和向量運(yùn)算加速單元，優(yōu)化了PWM和ADC等外設(shè)。到2023年的280015X型號(hào)采用Lock Step雙CPU設(shè)計(jì)，提升了功能安全性。而最新的F28P55X型號(hào)中還加入NPU，其AI卷積運(yùn)算性能提升5-10倍，預(yù)示著下一代C2000™將邁向64位運(yùn)算新時(shí)代。r1Resmc

因此，可以說C2000™系列是從專門的DSP產(chǎn)品發(fā)展成為一個(gè)集成了DSP和MCU特性的產(chǎn)品系列。這種發(fā)展反映了市場(chǎng)對(duì)更高效、多功能控制解決方案的需求，以及TI對(duì)這種需求的響應(yīng)。C2000™系列的演變代表著TI不斷創(chuàng)新和適應(yīng)市場(chǎng)變化的歷史，也展現(xiàn)了其對(duì)市場(chǎng)需求的深刻理解和響應(yīng)。r1Resmc

到目前，TI與其合作伙伴形成了一個(gè)完整的C2000™生態(tài)系統(tǒng)，包括了參考設(shè)計(jì)、如那件與工具，功能安全，建模工具，硬件，IDE和編譯器，AUTOSAR，HSM，信息安全等方面。師英強(qiáng)調(diào)說，“C2000™系列歷經(jīng)30年發(fā)展仍備受市場(chǎng)青睞，其關(guān)鍵在于滿足特定應(yīng)用需求。”無論是電機(jī)控制還是電源驅(qū)動(dòng)，C2000™針對(duì)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用提供了獨(dú)特的解決方案。其持續(xù)迭代的原因在于它精準(zhǔn)定位了實(shí)時(shí)控制的需求，具備高性能的數(shù)學(xué)運(yùn)算單元、協(xié)處理器單元以及關(guān)鍵的ADC和PWM外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了從感測(cè)到執(zhí)行指令的整個(gè)鏈路優(yōu)化。r1Resmc