M85-Kern, der neue Hotspot für MCUs

Mit der Einführung von MCUs mit extrem hoher Leistung durch Hersteller wird es immer schwieriger, die Grenze zwischen MCUs und MPUs zu unterscheiden.

Schon 2022, als Arm den Cortex - M85 vorstellte, sagte ein Ingenieur: “Obwohl der M85 ein Cortex - M ist, denke ich, dass seine Leistung die früheren Cortex - A - Prozessoren übertrifft. Der M85 - Prozessor ist nicht nur ein einfacher Einchipcomputer, sondern kann als Mikroanwendungsprozessor angesehen werden.”

In letzter Zeit haben Hersteller die Entwicklung von MCUs auf Basis des M85 beschleunigt. Diese Produkte scheinen tatsächlich eine Leistung zu haben, die mit der von MPUs mithalten kann. Was sind die Highlights dieser Produkte? EEWorld führt heute eine Zusammenfassung durch.

Den Kern des M85 verstehen

Leistung ist einer der einfachsten und wirkungsvollsten Vorteile des M85.

Der M85 ist der erste Cortex - M, der mehr als 6 CoreMarks/MHz und mehr als 3 DMIPS/MHz unterstützt. Gleichzeitig hat der M85 durch die Arm Helium - Technologie im Vergleich zu seinem Vorgänger, dem M7, eine vierfache Steigerung der DSP - und ML - Verarbeitung erreicht. Diese skalare Leistungsstufe ist auf viele innovative Merkmale auf Mikroarchitekturebene zurückzuführen, darunter die optimierte Doppelausführung und die optionale Dreifachausführung, die verbesserte Verzweigungsvorhersage und das verbesserte Speichersystem, einschließlich Datenvorabruf.

Laut Arm stehen Entwickler von Cortex - M - Mikrocontrollersystemen vor der Entscheidung, angesichts der zunehmend strengen Rechenanforderungen: Sollte man die Software optimieren, um mehr Taktzyklen aus den bestehenden Mikrocontrollern herauszuholen, oder sollte man die Codebasis auf eine leistungsfähigere Mikroprozessorarchitektur migrieren? Cortex - M - Mikrocontroller haben mehrere Vorteile, einschließlich deterministischer Ausführung, kurzer Unterbrechungsverzögerung und fortschrittlicher Niedrigstromverbrauchsmodelle. Ein Wechsel zu Cortex - A - Prozessoren würde jedoch einige der inhärenten Vorteile der Cortex - M - Prozessoren opfern. Deshalb hat Arm ein so “explosiv” leistungsfähiges Produkt entwickelt.

Einfach ausgedrückt, soll es die Wünsche der Benutzer erfüllen, die sowohl die hohe Leistung eines MPUs als auch die niedrigen BOM - Kosten, den geringen Stromverbrauch und die einfache Entwicklung eines MCUs wünschen.

Das Speichersystemarchitektur ist ein weiterer Vorteil des M85.

Das M85 ist mit einem TCM (Tightly - Coupled Memory) - basierten Speichersystem mit geringer Latenz ausgestattet, das deterministische Operationen gewährleistet. Diese Architektur bietet SoC - Designern vier 32 - Bit - Daten - TCM - Schnittstellen und eine 64 - Bit - Befehls - TCM - Schnittstelle, alle mit eingebauter ECC (Error - Correction - Code) - Funktion. Der neue 32 - Bit - AHB - Zugriffsport erlaubt es externen DMA - Controllern, gleichzeitig mit dem M85 - Prozessorkern auf das TCM zuzugreifen, was verschiedene gängige Datenstromverarbeitungsanwendungen unterstützt.

Das M85 - Speichersystem enthält auch ein ECC - ausgestattetes Level - 1 - Cachesystem, das über die AMBA 5 AXI - Master - Schnittstelle an externen Speicher angeschlossen ist und die Leistung auch bei langsamen, nicht deterministischen Speicherzugriffen optimiert.

Sicherheit ist ein weiterer Verkaufspunkt des M85.

Der M85 hat die TrustZone - Technologie der Armv8 - M - Architektur eingeführt und ist der erste Cortex - M - Prozessor, der die Armv8.1 - M - Pointer - Validation und Branch - Target - Identification - Erweiterung (PACBTI) integriert, was die Schwierigkeit für Entwickler, die PSA - Sicherheitszertifizierung Level 2 zu erreichen, erheblich verringert. PACBTI bietet einen verbesserten Schutz gegen Softwareangriffe auf Basis von Return - Oriented Programming und Jump - Oriented Programming, indem es Funktionsaufrufe und Rückkehradressen überprüft.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der M85 mit seiner beispiellosen Leistungsfähigkeit neuen Raum für MCU - Entwickler eröffnet hat. Damals haben Hersteller auch angekündigt, ihn zu verfolgen. Aber die Aktualisierung und der Ersatz der Produkte dauern Zeit, und die Positionierung des M85 ist auch ein Problem. Jetzt scheint es an der Zeit zu sein, dass der M85 richtig losgeht.

ST setzt ein

ST hat vor einigen Tagen den STM32V8 vorgestellt, was viele Diskussionen unter den Nutzern von EEWorld ausgelöst hat. Dieser Mikroprozessor gehört zu den leistungsstärksten Produkten in der STM32 - Reihe. Seine EEMBC CoreMark - Punktzahl beträgt beeindruckende 5072, was deutlich höher ist als die des STM32N6.

18nm, 800Mhz Cortex - M85, 4MB PCM (Phase - Change - Memory), MVE (Arm Helium M - profile Vector Extension) - diese Schlagwörter spiegeln die Stärke dieses Produkts wider.

Laut ST hat das neue Produkt durch den Wechsel auf den M85 - Kern in der skalaren Mathematikverarbeitung für Echtzeitsteuerungsanwendungen eine 20 %ige Leistungssteigerung erreicht. Im Vergleich zu Produkten mit Cortex - M7 - Kern ist die Leistung bei gleicher Taktfrequenz 3,5 mal höher. Bei Anwendungen, die von der DSP - Funktion abhängen, kann die Leistungssteigerung sogar 300 % bis 400 % betragen.

Die beispiellose Leistung des STM32V8 ist eng mit dem 18nm FD - SOI PCM - Prozess verknüpft, der auch in der Automobil - MCU - Reihe Stellar verwendet wird. FD - SOI steht im Wettbewerb mit FinFET, das ebenfalls hohe Rechenleistung bietet. Diese Technologie ist im Bereich der MCUs relativ neu und ermöglicht es dem STM32V8, nicht nur eine höhere Betriebsgeschwindigkeit zu erreichen, sondern auch den Stromverbrauch effizienter zu gestalten.

PCM als Technologie für eingebettete nichtflüchtige Speicher (NVM) hat verschiedene Formen angenommen, einschließlich des von Intel eingestellten 3D XPoint - Speichers. PCM - Speicher zeichnen sich durch ihre Geschwindigkeit aus. Da die Technologie des eingebetteten Flash - Speichers (eFlash) an ihre Grenzen stößt, konnten MCUs bisher nicht über den 40nm - Prozess hinausgehen. Deshalb setzt die Branche auf neue Speichertechnologien.

PCM ist eine Speichertechnologie, die mit MRAM, FRAM und RRAM konkurriert. PCM bietet die kleinsten Speicherzellen in seiner Klasse und kann die Informationsspeicherkapazität pro Flächeneinheit um mehr als das Doppelte im Vergleich zu früheren Lösungen erhöhen. Dies bringt weitere physikalische Vorteile und ermöglicht die kleinste Speicherfläche. Ohne zusätzliche Kosten kann die Gesamt-Speicherkapazität verdoppelt werden, was zweifellos zu einer Kosteneffizienzsteigerung führt.

Was noch wichtiger ist, hat STs PCM im Vergleich zu MRAM und FRAM zusätzliche Vorteile: Es unterstützt eine maximale Betriebstemperatur von 140 °C und zeichnet sich durch Strahlenschutz und andere Eigenschaften aus, die es sowohl für den Weltraumsektor als auch für anspruchsvolle industrielle und Automobilanwendungen geeignet machen. Deshalb ist eine wichtige Anwendung des STM32V8 der Weltraumsektor.

Diese Chipreihe unterstützt bis zu 4MB ePCM und 1,5MB RAM. Die externen seriellen Speicherschnittstellen umfassen 8 - Bit - SPI und 16 - Bit - SPI und unterstützen serielle NOR - Flash - Speicher, HyperRAM, PSRAM sowie XIP - Operationen.

Eine weitere Stärke des STM32V8 ist die erhebliche Verbesserung der KI - Fähigkeiten. Die Basis für die KI - Fähigkeiten wird durch die Arm Helium M - profile Vector Extension (MVE) - Technologie gelegt. Helium ist ein mathematisches Arm - Framework, das auf gepackten Single - Instruction - Multiple - Data (SIMD) - und Skalarbefehlen basiert und sowohl Ganzzahl - als auch Fließkommaarithmetik unterstützt, einschließlich 8 - bis 64 - Bit - Ganzzahloperationen und 16/32 - Bit - Fließkommaoperationen in 128 - Bit - Vektoren. Diese Technologie bringt verbesserte Machine - Learning (ML) - und Digital - Signal - Processing (DSP) - Fähigkeiten für leistungsstarke Mikrocontroller und Arm bietet auch Funktionsbibliotheken und Codegenerierungstools für C/C++ - Entwicklung.

Mit der Vorstellung des neuen Produkts hat ST auch seine KI - Modellbibliothek für die Edge - KI - Produktlinie aktualisiert. Diese Bibliothek enthält voreingestellte KI - Modelle für verschiedene KI - Anwendungen. Diese Modelle sind für die KI - Mikrocontrollerprodukte von ST optimiert und können die Entwicklung von Edge - KI - Anwendungen beschleunigen. Laut offizieller Angaben enthält die Modellbibliothek mehr als 140 Modelle, die für visuelle, auditive und sensorische Funktionen in Wearables, intelligenten Kameras und Sensoren, Sicherheitssystemen und Robotern geeignet sind. Die Bibliothek unterstützt die Entwicklung von Modellen in PyTorch, TensorFlow, RSCI - Framework, LiteRT und Onex - Format.

Der STM32V8 hat auch einige andere Detailverbesserungen, darunter die Integration des Chrom - ART - Grafikbeschleunigers, des TFT - LCD - Controllers und des JPEG - Beschleunigers; der Gigabit - Ethernet - Controller unterstützt Time - Sensitive Networking (TSN) und ist mit FD - CAN, High - Speed - USB und HDMI - CEC - Schnittstellen ausgestattet; es gibt 12 - Bit - ADC - und DAC - Schnittstellen sowie zwei SAI - und vier I2S - Audiowiedergabeschnittstellen; es bietet sicheren Speicher, sicheren Boot - Prozess und sichere Debugging - Unterstützung; es ist mit einer eindeutigen Identifikationsnummer und einem Manipulationsschutz ausgestattet und hat die PSA Level 3 - und SESIP 3 - Sicherheitszertifizierung.

Renesas hat früher geplant

Renesas hat früher mit der Planung für den M85 begonnen und aktualisiert seine Produkte auch sehr regelmäßig und intensiv.

Im Oktober 2023 stellte Renesas die RA8 - Reihe von MCUs, die RA8M1, auf Basis des Arm Cortex - M85 - Prozessors vor. Sie hat eine bahnbrechende CoreMark - Punktzahl von 3000 und kann die Anforderungen an vollständige Determinismus, geringe Latenz und Echtzeitbetrieb in Kundenanwendungen erfüllen. Laut Renesas kann die Leistungsstufe von 6,39 CoreMark/MHz es Systemdesignern ermöglichen, RA - MCUs anstelle von MPUs in Anwendungen zu verwenden.

Anfangs konzentrierte sich Renesas bei der ersten Generation der RA8 auf die Erweiterung der Produktlinie um den M85 - Kern. Dieses Produkt verwendet einen 480MHz M85 mit Helium MVE und keine neuen Speichern. Es ist mit 1MB bis 2MB Flash - Speicher und 1MB SRAM (einschließlich TCM) ausgestattet.

Im Juni dieses Jahres hat Renesas auf seiner Website stillschweigend die “stärkste MCU der Welt”, die RA8P1 - Reihe, vorgestellt.

Die zweite Generation der RA8 verwendet den 22nm ULL - Prozess und ist mit 0,5/1MB MRAM (optional 4/8MB Flash - Speicher) ausgestattet. Die Taktfrequenz des M85 - Kerns hat sich dank des neuen Prozesses auf 1GHz erhöht. Im Vergleich dazu verwendet der RT1170 den 28nm FD - SOI - Prozess.

Laut Renesas hat MRAM im Vergleich zu Flash - Speichern eine schnellere Schreibgeschwindigkeit, höhere Haltbarkeit und bessere Datenaufbewahrungseigenschaften. Um eine bessere KI - Leistung zu erzielen, hat die zweite Generation der RA8 auch einen Ethos - U55 NPU und einen weiteren 250MHz M33 - Kern integriert.