隨著這一趨勢的發(fā)展，我們可以預見，未來的MCU將不僅僅是簡單的控制單元，而是轉變?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)自動化，從醫(yī)療健康到交通運輸，都將受益于邊緣AI帶來的高效能和低延遲。

在MCU中集成AI已成趨勢

AI的集成使得MCU能夠在本地執(zhí)行復雜的數(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)不同市場的需求，正在用不同的方式將AI功能融入自己的MCU產品中。最近TI發(fā)布的C2000系列新品,就將NPU(神經處理單元)集成到了MCU中。

在介紹具體的產品之前，我們首先看看,當前的幾種在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，會綜合考慮其產品的市場定位、應用場景、性能需求、成本預算和功耗限制等多種因素。他們會精心選擇最適合其產品特性和目標市場的AI集成方式。以下是當前各廠商在MCU中集成AI功能的幾種主要方式：

• 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來實現(xiàn)的，這些加速器專門為運行AI算法而設計，如神經網絡推理。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任務的通用處理器。

• 外部AI處理器：雖然不是集成在MCU內部，但一些系統(tǒng)設計會選擇將外部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內部資源的情況下提供強大的AI處理能力。

隨著半導體技術和AI算法的持續(xù)進步，未來MCU設計中將涌現(xiàn)出更多創(chuàng)新且多樣化的AI集成策略。這些新興方案預期將顯著改善性能與功耗的平衡，增強系統(tǒng)的適應性和擴展能力。它們可能包括更先進的神經網絡處理技術，以及對更高效的機器學習模型的優(yōu)化支持。這種不斷推進的技術革新不僅為MCU的應用帶來更廣闊的空間，也為智能設備和邊緣計算解決方案的深入發(fā)展注入了新的動力。

TI發(fā)布首顆MCU+NPU產品

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備的需求，都推出了自己的融合AI功能的MCU。當然，這些廠商根據(jù)自身產品的定位，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。

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的實時微控制器產品系列，它可實現(xiàn)高精度、低延遲的故障檢測，后者基于TI的新型64位C29數(shù)字信號處理器內核構建，提供了具有集成功能安全和信息安全功能的先進架構。

·TMS320F28P55x系列

據(jù)德州儀器中國區(qū)技術支持總監(jiān)師英介紹，F(xiàn)28P55X是工業(yè)和汽車領域實時控制系統(tǒng)中的創(chuàng)新產品，它集成了NPU，推動了任務向智能化、基于AI的方法轉變。在太陽能和供電系統(tǒng)中，F(xiàn)28P55X的應用已顯示出其價值，特別是在電弧檢測方面，能夠有效預防潛在火災風險。同樣，在馬達驅動領域，F(xiàn)28P55X的AI技術提高了故障檢測與預測的準確率至99%，為預防性維護提供了有力支持。

師英介紹說，在傳統(tǒng)的非NPU方案中，通過對直流母線電壓與電流進行采樣，并設置一系列觸發(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，檢測準確率往往難以提升，一般僅能達到85%左右。檢測不準確可能導致兩種后果：一是漏報，即實際發(fā)生電弧但未被檢測到，從而增加火災或停機的風險；二是誤報，即未發(fā)生電弧卻發(fā)出警報，可能導致不必要的停機，進而影響生產效率。這便是現(xiàn)有或傳統(tǒng)解決方案所面臨的問題。

而在F28P55X這一創(chuàng)新解決方案中，原有的DC/DC轉換器、逆變器以及MPPT系統(tǒng)均繼續(xù)沿用了C2000?系列的核心技術。這意味著，原始的實時控制拓撲結構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整。其唯一的變化在于“利用F28P55X內置的NPU來專門執(zhí)行電弧檢測任務”。得益于TI的離線邊緣AI工具TI Edge AI Tools，該工具能夠針對大量電弧發(fā)生時的電流與電壓數(shù)據(jù)進行深度訓練，從而構建一個精準的CNN模型。在模型訓練完成后，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)集進行訓練，而非依賴傳統(tǒng)的軟件設計規(guī)則與觸發(fā)閾值來判斷電弧情況，因此其檢測準確率能夠高達99%。

不過，在MCU中加入功能計算會增加功耗。TI的新品通過怎樣的方式平衡這一問題的呢？師英解釋說，當協(xié)處理器或NPU未被使用時，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)行卷積運算或神經網絡運算時，比傳統(tǒng)CPU效率更高，能將任務完成時間縮短至原來的1/10，即使啟動時電流峰值較高，整體功耗依然降低。因此，通過優(yōu)化電流峰值和工作時間的綜合考量，可以有效地管理功耗。

F28P55X系列配備高達1.1MB的內置Flash Memory。在實時系統(tǒng)中，該系列強調了24個高精度PWM通道和多達39個ADC通道的重要性。總之，F(xiàn)28P55X不僅是一款單一設備，而是一個多樣化配置的系列，包括不同內存規(guī)格、汽車級認證和功能安全等級選項。TI計劃推出超過40種型號，以適應市場的廣泛需求。

·F29H85x系列

F29H85x系列采用新型C29內核，標志著C2000系列CPU的重大升級，處理位寬提升至64位，并支持超長指令級架構，實現(xiàn)單周期內最多8條指令的并行運算。該系列在功能安全與信息安全方面達到汽車ISO26262 ASIL-D級和工業(yè)IEC61508 SIL-3級的最高標準，內置HSM滿足全球信息安全需求。

該系列的多重隔離機制確保了功能安全與信息安全，其運算單元性能顯著提升，適用于各類實時控制系統(tǒng)。C29內核在信號鏈性能上比C28提升2至3倍，馬達驅動和電源變換性能分別提升2倍和3倍，F(xiàn)FT運算速度提升5倍。中斷響應速度提升4倍，優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集與控制指令輸出。

F29H85x廣泛應用于汽車OBC、DC/DC轉換器、多電機牽引逆變器、助力轉向系統(tǒng)、光伏逆變器、在線UPS和機器人等領域。其高效的中斷處理和內置安全功能使得一顆MCU即可實現(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換器拓撲結構，滿足高級別的安全與信息安全要求。

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

C2000系列已經有30年歷史

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,這個系列最初的設計重點在于為電機控制和其他實時控制應用提供高性能的信號處理能力。隨著時間的推移，C2000?系列逐漸發(fā)展，不僅增強了其DSP功能，還增加了更多MCU的特性，如更豐富的外設和接口、更易于使用的開發(fā)工具等。

在過去的技術迭代中，C2000?系列已經從16位運算位寬發(fā)展到64位。隨著一系列產品的不斷升級，C2000?引入了浮點運算單元、數(shù)學協(xié)處理器、三角函數(shù)運算器和向量運算加速單元，優(yōu)化了PWM和ADC等外設。到2023年的280015X型號采用Lock Step雙CPU設計，提升了功能安全性。而最新的F28P55X型號中還加入NPU，其AI卷積運算性能提升5-10倍，預示著下一代C2000?將邁向64位運算新時代。

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

到目前，TI與其合作伙伴形成了一個完整的C2000?生態(tài)系統(tǒng)，包括了參考設計、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。師英強調說，“C2000?系列歷經30年發(fā)展仍備受市場青睞，其關鍵在于滿足特定應用需求?！睙o論是電機控制還是電源驅動，C2000?針對實時控制應用提供了獨特的解決方案。其持續(xù)迭代的原因在于它精準定位了實時控制的需求，具備高性能的數(shù)學運算單元、協(xié)處理器單元以及關鍵的ADC和PWM外設，實現(xiàn)了從感測到執(zhí)行指令的整個鏈路優(yōu)化。