Przyszłość wieloprotokołowych układów SoC

W 2012 r. premiera serii nRF51 firmy Nordic Semiconductor stanowiła przełomowy moment dla branży układów SoC (System-on--Chip) obsługujących standard Bluetooth Low Energy. Układ ten był jednym z pierwszych zintegrowanych rozwiązań ze wsparciem Bluetooth LE, łączył bowiem – na jednym kawałku krzemu – moc obliczeniową procesora Arm Cortex-M, pamięć Flash i RAM, wysokiej jakości radio 2,4 GHz, a także szereg przydatnych bloków peryferyjnych. A doświadczenie Nordic w zakresie ultraniskiego poboru mocy pozwoliło zintegrować wszystkie te elementy w ramach energooszczędnego rozwiązania wiodącego w swojej klasie.

Początkowo wydawało się, że układy nRF51 są zbyt zaawansowane jak na potrzeby rynku, ale innowacyjni projektanci wkrótce stworzyli niezliczone akcesoria – urządzenia peryferyjne (w tym monitory tętna, mierniki prędkości i odległości) oraz ubieralne
(wearables), bezprzewodowo wymieniające dane ze smartfonem – i wymyślili przy okazji zupełnie nową kategorię produktów.

Po wprowadzeniu na rynek serii nRF51 Nordic miał główny udział w rynku Bluetooth LE, a dzięki wprowadzeniu układów SoC z serii nRF52 i nRF53 utrzymał tę pozycję, dostarczając swoim klientom miliardy układów SoC z obsługą Bluetooth Low Energy. Podczas gdy Bluetooth LE pozostaje kluczową technologią bezprzewodową, dzisiejsze układy SoC Nordic obsługują także wiele innych protokołów bezprzewodowych krótkiego zasięgu, w tym Thread, ZigBee i ANT.

Zakres produktów, które korzystają z tych układów, również znacznie się rozszerzył i obejmuje urządzenia IoT używane w domach, fabrykach, biurach, szpitalach czy też na arenach sportowych. Od samego początku strategia Nordic polegała na zapewnieniu deweloperom dużej mocy obliczeniowej, obszernej pamięci, doskonałego bilansu łącza radiowego i szerokiej gamy bloków peryferyjnych w możliwie najbardziej energooszczędnej i kompaktowej obudowie wraz z kompleksowym zestawem narzędzi programistycznych – a następnie na umożliwieniu inżynierom tworzenia zupełnie nowych aplikacji. Teraz firma zamierza podążyć tym samym tropem, wprowadzając serię nRF54H, począwszy od nRF54H20.

Nowa architektura SoC

Kluczowe aplikacje IoT – takie jak Bluetooth LE Audio, Matter i Edge AI (algorytmy sztucznej inteligencji wykonywane w urządzeniu, a nie chmurze) – wymagają dużej mocy obliczeniowej. Jeśli do dyspozycji jest pojedynczy rdzeń procesora, uzyskanie oczekiwanych efektów wymaga znalezienia kompromisu między wydajnością a zużyciem energii. Nordic rozwiązał ten problem poprzez pionierskie rozwiązanie dwurdzeniowe – czyli nRF5340 – łączące specjalny procesor aplikacyjny z rdzeniem sieciowym o niskim poborze mocy. Jeden rdzeń szybko wykonuje złożone algorytmy przed powrotem do trybu uśpienia, podczas gdy drugi wydajnie przesyła dane przez sieć, wydłużając czas pracy na baterii. Koncepcja ta została poprowadzona o krok dalej dzięki wielordzeniowemu nRF54H20. Opisany SoC charakteryzuje się nową architekturą sprzętową obejmującą kilka procesorów Arm Cortex-M33 i koprocesorów RISC-V.

Procesory są taktowane częstotliwością do 320 MHz, a każdy rdzeń został zoptymalizowany pod kątem określonego typu obciążenia obliczeniowego. Specjalny procesor aplikacyjny ma dwukrotnie większą moc przetwarzania (2× CoreMark) niż główny procesor w dwurdzeniowym nRF5340. Zasoby obliczeniowe nRF54H20 są obsługiwane przez zintegrowaną pamięć składającą się z 2 MB pamięci nieulotnej i 1 MB pamięci RAM. W rezultacie otrzymujemy optymalny kompromis między mocą obliczeniową procesora dla najbardziej złożonych aplikacji IoT a ultraniskim zużyciem energii, sprzyjającym wydłużeniu czasu pracy na baterii. nRF54H20 oferuje kilka nowych interfejsów cyfrowych i analogowych, w tym wydajny interfejs pamięci zewnętrznej (400 MBps), USB trybu high-speed (480 Mb/s), dwa kontrolery I³C, kontroler CAN FD i 14-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy. Poza tym w strukturze nRF54H20 znajdziemy wiele układów peryferyjnych odziedziczonych po wcześniejszych rodzinach nRF5x.

Rysunek 1. SoC nRF54H20 marki Nordic łączy w sobie dwa procesory ARM Cortex-M33 i kilka koprocesorów RISC-V, zoptymalizowanych pod kątem rozmaitych zadań stawianych przed współczesnymi urządzeniami IoT

SoC wyposażony został również w zupełnie nowe, wieloprotokołowe radio 2,4 GHz, które jako pierwsze na świecie oferuje czułość odbiornika na poziomie –100 dBm podczas odbioru sygnału Bluetooth LE 1 Mbps. W połączeniu z mocą nadawania do 10 dBm, nRF54H20 zapewnia bilans łącza wystarczający do uzyskania wyższej niezawodności i większego zasięgu. Pobór prądu radia w trybie odbioru (RX) wynosi zaledwie 2,0 mA (przy 3 V i zastosowaniu wewnętrznej przetwornicy DC/DC). W przypadku aplikacji, które działają głównie jako odbiorniki – takich jak słuchawki douszne czy urządzenia do noszenia (wearables) – to niskie zużycie energii pozwala na użycie mniejszych akumulatorów lub wydłużenie czasu pracy przy zasilaniu z baterii. SoC został zaprojektowany w zgodzie z wymogami certyfikatu PSA Certified Level 3, najwyższego poziomu w standardzie bezpieczeństwa Platform Security Architecture (PSA) Certified IoT. Produkt wspiera liczne zabezpieczenia, takie jak Secure Boot, Secure Firmware Update i Secure Storage, oferuje też akceleratory kryptograficzne zabezpieczone przed atakami kanałem bocznym, a także czujniki manipulacji (tamper), które wykrywają trwający atak i podejmują odpowiednie działania.

Zaprojektowany do rozbudowanych aplikacji IoT

Trudno jest wyobrazić sobie wszystkie aplikacje, w których zastosowany zostanie układ nRF54H20. Można jednak stwierdzić, że ten SoC prawdopodobnie stanie się źródłem nowej fali rewolucyjnych produktów IoT w obszarach takich jak Bluetooth LE Audio, Edge AI, konserwacja predykcyjna i opieka zdrowotna. Będzie również w stanie wspomóc inżynierów we wdrażaniu aplikacji, które okazałyby się niemożliwe do realizacji przy użyciu obecnej technologii bezprzewodowej. LE Audio to następna generacja bezprzewodowego przesyłania strumieniowego, obiecująca wyższą jakość dźwięku lub dłuższą żywotność baterii w zależności od zastosowania. Wybierając nRF54H20, twórcy rozwiązań LE Audio – od słuchawek dousznych po aparaty słuchowe – będą mogli budować produkty, które zużywają mniej energii, są bardziej kompaktowe i umożliwiają szybsze wprowadzenie na rynek. Sam układ nRF54H20 na nowo definiuje kompromis między mocą obliczeniową a zużyciem energii. To sprawia, że omawiany SoC jest dobrym rozwiązaniem do uruchamiania Edge AI lub zaawansowanego uczenia maszynowego na układach zasilanych bateryjnie. Dodajmy, że Edge AI umożliwia przetwarzanie danych i podejmowanie świadomych decyzji, bez konieczności korzystania z serwerów w chmurze lub pomocy człowieka. Oprócz wspomnianych wcześniej funkcjonalności SoC obsługuje TinyML – zoptymalizowaną pod rdzenie mikrokontrolerów bibliotekę uczenia maszynowego (ML), dostarczaną przez partnera projektowego Nordic, Edge Impulse. Wsparcie dla TinyML i Edge AI umożliwi nRF54H20 podjęcie kluczowych wyzwań w automatyzacji fabryki, takich jak konserwacja predykcyjna.

Korzystając z algorytmów ML i przetwarzania brzegowego, czujnik ruchu MEMS z komunikacją Bluetooth LE nauczy się odróżniać normalne wibracje maszyny od tych spowodowanych jej zużyciem. Nietypowe wibracje mogłyby następnie wyzwolić powiadomienie poprzez sieć, aby maszyna została poddana konserwacji zapobiegawczej jeszcze przed wystąpieniem kosztownej i uciążliwej awarii.

Rysunek 2. Widok układu SoC nRF54H20

Kompromis między mocą obliczeniową a zużyciem energii sprawi, że nRF54H20 będzie również atrakcyjnym rozwiązaniem dla nowej generacji urządzeń noszonych na ciele (wearables). Jednym z przykładów takich zastosowań są medyczne urządzenia ubieralne, zaprojektowane do rozpoznawania aktywności człowieka (HAR – human activity recognition). HAR umożliwia identyfikację zarówno konkretnych czynności związanych z poruszaniem się (na przykład, czy użytkownik chodzi lub biega), jak i czynności funkcjonalnych (czy umył zęby, umył ręce lub przygotował jedzenie). Uzyskanie tak pełnego obrazu aktywności wymaga połączenia strumieni danych z wielu czujników, czyli zastosowania technik zwanych mianem fuzji sygnałów sensorycznych (Sensor Fusion). Umożliwiają one układowi określenie, które punkty danych z poszczególnych czujników odpowiadają tej samej czynności lub problemowi zdrowotnemu, a które nie. Ocena takich działań, a następnie wyciąganie wniosków może pomóc w badaniu zdrowia i dobrego samopoczucia danej osoby oraz pomóc w zapobieganiu przewlekłym chorobom. Ale te przykłady zastosowań są jedynie rozszerzeniami obecnych technologii, ulepszonymi poprzez zastosowanie dodatkowej mocy obliczeniowej i efektywności energetycznej nRF54H20. Zagadnienia te staną się znacznie bardziej interesujące, gdy deweloperzy zastosują SoC w zupełnie nowych aplikacjach.

Warto dodać, że webinarium Nordic poświęcone najnowszym rozwiązaniom skierowanym do projektantów urządzeń IoT pt. „Nordic’s Bluetooth Low Energy solution: The go-to choice for developers” dostępne jest pod adresem https://webinars.nordicsemi.com/events/12102953623?n=Nordic%27s+Bluetooth+Low+Energy+solution%3A+The+go-to+choice+for+developers&event_id=12102953623.