使用 Renesas 的 RA8M1 微控制器，快速部署強大且高效率的人工智慧和機器學習

人工智慧 (AI)、機器學習 (ML) 和物聯網 (IoT) 網路邊緣的其他運算密集型工作負載的興起，替微控制器 (MCU) 帶來額外的處理負載。即使要求設計人員將功率降到最低及加速上市，處理這些新的工作負載也會增加功耗。

設計人員需要一種新的運算方式：既能保持微控制器的效率，又能專門針對低功率使用案例，添加量身定做的高效能特點。此方式還應保留與傳統微控制器相關的簡單部署模型，同時添加足夠的功能以支援人工智慧和機器學習啟用的複雜應用程式，例如語音控制和預測性維護。

本文探討推動人工智慧和機器學習需求的因素，並解釋為何需要新的處理器架構才能高效率提供這些功能。接著介紹 Renesas 的 RA8M1 微控制器系列，並展示如何運用以滿足這些要求。

邊緣人工智慧和機器學習的需求

從大樓自動化、工業裝置到家電等邊緣物聯網應用，對人工智慧和機器學習的需求不斷增加。即使是相當小的低功率嵌入式系統，現在也承擔關鍵詞辨識、語音命令控制、音訊／影像處理等工作負載。目標應用包括感測器中樞、無人機導航和控制、擴增實境 (AR)、虛擬實境 (VR) 和通訊設備。

為了將能源使用量、開銷、延遲降至最低，同時確保隱私，通常會選擇在邊緣處理資料，而不會傳送到雲端。這對設計人員而言是一項挑戰，因為邊緣裝置通常資源有限，尤其是以電池供電時。

用於邊緣運算的增強型 微控制器

人工智慧和機器學習工作負載通常涉及在大型資料集之中重複執行相同的數學運算。這些工作負載可以使用單一指令多重資料(SIMD) 處理進行加速。SIMD 平行執行多項數學運算，相較於傳統處理方式，可提供更高的傳輸量和能源效率。

由於傳統微控制器缺乏 SIMD 功能，因此執行人工智慧和機器學習工作負載時需要協助。解決方案之一是讓微控制器搭配數位訊號處理器 (DSP) 或其他 SIMD 加速器。然而，多重處理器會使得系統設計更複雜。

另一個方式是改用配備 SIMD 功能的更高效能微處理器單元 (MPU)。如此能以單處理器設定提供必要的效能，但 微處理器在功耗和功能集方面則需要權衡。例如，並非所有微處理器的設計都提供微控制器導向應用程式所需的確定性、低延遲運算。

在微控制器中啟用人工智慧和機器學習

Renesas 推出 RA8M1 微控制器系列，為人工智慧和機器學習工作負載需求提供最佳化微控制器 (圖 1)。此系列以採用 Helium 和 TrustZone 的 Arm® Cortex®-M85 架構無處，執行頻率為 480 MHz，典型功耗為 225 μA/MHz。

圖 1：Renesas 的 RA8M1 微控制器以 Arm Cortex-M85 架構為基礎，並採用 Helium 技術，加速人工智慧和機器學習處理。(圖片來源：Renesas)

RA8M1 微控制器的設計提供高效能和低功耗所設計，具有確定性、短中斷時間、最先進的電源管理支援等功能。此處理器的效能效率達 6.39 CoreMark/MHz。

Helium 是一種 SIMD M-Profile Vector Extension (MVE) 向量擴充，可大幅加速訊號處理和機器學習。增加了 150 個純量式和向量式指令，並可處理 128 位元暫存器 (圖 2)。針對資源受限、低功率微控制器經過最佳化。例如，Helium 重複使用浮點單元 (FPU) 暫存器，而不是引入新的 SIMD 暫存器。這有助於降低處理器的功耗及減少設計複雜性。

圖 2：Helium 重複使用 FPU 暫存器組進行向量處理。(圖片來源：Arm)

如圖 3 所示，RA8M1 的 Cortex-M85 包含 Arm 的 TrustZone 技術。TrustZone 為關鍵韌體、資產、私人資訊提供硬體隔離。Cortex-M85 還新增新的保全和安全功能，例如指標驗證和分支目標識別 (PACBTI) 擴充功能。在人工智慧環境中，裝置可能與個人資料互動，這些安全功能就會特別有價值。

圖 3：Cortex-M85 的 TrustZone 為關鍵韌體、資產、私人資訊提供硬體隔離。(圖片來源：Arm)

支援人工智慧的微控制器需要具備的硬體功能

MCU 必須結合高效率與強大的功能集，方能支援人工智慧應用。RA8M1 功能齊全，適用於馬達控制、可編程邏輯控制 (PLC)、計量，以及其他工業和物聯網應用。

例如，人工智慧演算法需要大量記憶體。RA8M1 系統記憶體包括高達 2 MB 的快閃記憶體和 1 MB 的 SRAM。SRAM 包括 128 KB 的緊密耦合記憶體 (TCM)，可進行快速記憶體存取，達到高效能運算。

為了確保可靠運作，384 KB 的使用者 SRAM 和全部 128 KB TCM 配置為錯誤修正碼 (ECC) 記憶體。32 KB 指令和資料快取也受 ECC 保護。

RA8M1 除了 Arm 核心所含的功能之外，還有多種安全功能。包括用於安全資料處理的可再編程安全智慧財產 (RSIP) 加密引擎、用於關鍵資料保護的不可變儲存，以及篡改保護機制。

通訊介面方面，微控制器配備用於網路連接的乙太網路、用於汽車和工業應用的彈性資料率的控制器區域網路 (CAN FD)，以及用於一般連接的 USB 高速／全速。還整合一個攝影機介面和一個八進位序列週邊介面 (SPI)，可對外部記憶體進行動態解密。

類比介面包括 12 位元類比數位轉換器 (ADC) 和數位類比轉換器 (DAC)、高速類比比較器，以及三個取樣保持電路。針對序列通訊，RA8M1 支援多種協定，包括含 SPI 的序列通訊介面 (SCI)、通用非同步接收器／發射器 (UART) 和積體匯流排電路 (I²C) 模式。此微控制器還提供改良的積體匯流排電路 (I3C)，以提升資料傳輸率和效率。

開發人員若要完整存取這些輸入／輸出 (I/O) 功能，可以使用球柵陣列 (BGA) 封裝；例如 224 引腳 R7FA8M1AHECBD#UC0。使用者若要尋求更簡化的印刷電路板設計和組裝流程，可以考慮使用薄型四方扁平封裝 (LQFP) 款式，例如 144 引腳 R7FA8M1AHECFB#AA0。

人工智慧應用程式的開發環境

若有興趣嘗試 RA8M1 系列，可以從 EK-RA8M1 R7FA8M 評估板入門 (圖 4)。此板件包括一個 RJ45 RMII 乙太網路介面、一個 USB 高速主機和裝置介面，以及一個三引腳 CAN FD 排針座。至於記憶體，它具有 64 MB 八進位 SPI 快閃記憶體。

圖 4：EK-RA8M1 評估板具有強大的 I/O 支援以運作 RA8M1 MCU。(圖片來源：Renesas)

RA8M1 由 Renesas 的 Flexible Software Package (FSP) 支援，此完整框架的設計可為嵌入式系統設計提供易用、可延伸且高品質的軟體基礎。

此軟體包提供的開發工具，包括以熱門的 Eclipse IDE 為基礎的 e² studio 整合開發環境 (IDE)。還包含兩個知名的免版稅即時作業系統：Azure RTOS 和 FreeRTOS。

此軟體包涵蓋輕量級、生產就緒驅動程式，支援嵌入式系統中的常見使用案例。這些驅動程式結合評估板，為開發人員提供快速實驗 RA8M1 I/O 的途徑。

結論

RA8M1 為開發人員提供在邊緣物聯網應用中實作人工智慧和機器學習工作負載的新選擇，有助於節省功耗、增強效能、降低複雜性、加速上市。