Sviluppo di applicazioni di Edge IA con l'MCU MAX78002 di ADI

La corsa finanziaria agli armamenti tra i giganti tecnologici per commercializzare l'intelligenza artificiale generativa (GenAI) oscura per certi versi altri importanti sforzi in materia di IA, specie ai margini della rete dove i fornitori desiderano fortemente applicazioni IA in grado di funzionare su dispositivi IoT che sono tipicamente vincolati da limiti di memoria, larghezza di banda e potenza.

Un'unità microcontroller (MCU) di Analog Devices, Inc. è in grado di risolvere i limiti dell'elaborazione all'edge della rete con un acceleratore integrato di reti neurali convoluzionali (CNN) a basso consumo per l'elaborazione di inferenze di IA su dispositivi alimentati a batteria.

Mentre gli investimenti in GenAI sono in gran parte orientati all'accumulo di grandi quantità di dati e di capacità di elaborazione che richiedono centri dati su larga scala ed enormi quantità di energia, l'Edge IA ruota attorno all'esecuzione efficiente dei dati a livello locale tramite modelli in grado di identificare oggetti, analizzare immagini mediche ed elaborare i feed delle telecamere delle automobili per riconoscere gli ostacoli, i pedoni e la segnaletica stradale per applicazioni di guida sicura.

Le CNN possono elaborare i dati delle immagini sull'edge rilevando le anomalie e monitorando in fabbrica lo stato di salute delle apparecchiature. Possono anche rilevare i parassiti e lo stato di salute delle colture in agricoltura ed elaborare le immagini provenienti da droni, robot e telecamere intelligenti.

Ottimizzato per CNN profonde

MAX78002 di ADI è un System-on-Chip (SoC) avanzato a bassissimo consumo, dotato di un processore ARM Cortex-M4 con unità a virgola mobile (FPU) e di un acceleratore basato su hardware ottimizzato per le CNN profonde e per le attività che richiedono il riconoscimento di oggetti.

I pesi, o parametri, interconnettono i neuroni di una rete neurale per controllarne il comportamento. Il motore CNN di ADI dispone di una memoria per lo stoccaggio dei pesi di 2 MB che può supportare pesi a 1, 2, 4 e 8 bit, nonché modelli di rete neurale complessi fino a 16 milioni di pesi. Ciò consente di realizzare applicazioni IA avanzate su dispositivi edge e, poiché la memoria dei pesi CNN è basata su SRAM, gli aggiornamenti del modello possono essere effettuati al volo.

L'acceleratore CNN offre una dimensione programmabile dell'immagine di ingresso fino a 2048 x 2048 pixel, offrendo agli sviluppatori la flessibilità necessaria per progettare applicazioni in grado di gestire immagini mediche ad alta risoluzione o di elaborare input di dimensioni inferiori su dispositivi con risorse limitate.

La profondità di rete programmabile fino a 128 livelli consente di bilanciare espressività ed efficienza delle applicazioni. Inoltre, le larghezze dei canali di rete programmabili per strato, fino a 1024 canali, permettono di utilizzare canali più ampi per registrare caratteristiche più ricche, oppure di utilizzare larghezze inferiori per risparmiare memoria e risorse di calcolo.

MAX78002 supporta diverse interfacce di comunicazione ad alta velocità e a basso consumo, comprese I²S, la videocamera seriale MIPI CSI-2, la videocamera parallela (PCIF) e Secure Digital SD 3.0/SDIO 3.0/eMMC 4.51. Questo lo rende particolarmente adatto a un'ampia gamma di applicazioni IA, tra cui sensori industriali, controllo di processo, sistemi di visione in linea per il controllo della qualità, apparecchiature di diagnostica medica portatili, robot di fabbrica e navigazione di droni.

La gestione dell'alimentazione è un problema cruciale

I microcontroller a bassissimo consumo sono fondamentali per le applicazioni di intelligenza artificiale, specie quando si tratta di dispositivi IoT alimentati a batteria. ADI dichiara che MAX78002 consuma solo microjoule di energia durante l'elaborazione delle inferenze IA.

Questa MCU IA vanta un alimentatore a commutazione (SMPS) integrato a induttore singolo e uscita multipla (SIMO) che supporta una tensione di alimentazione compresa tra 2,85 e 3,6 V per adattarsi a diverse fonti di alimentazione. Inoltre, consente opzionalmente di controllare interruttori esterni per fornire alle CNN un'alimentazione dedicata da fonti esterne.

L'unità di gestione dell'alimentazione (PMU) di MAX78002 è dotata di un controllo intelligente e preciso della distribuzione dell'alimentazione alle CPU e ai circuiti periferici per supportare il funzionamento ad alte prestazioni con un consumo energetico ridotto al minimo.

Un'architettura di alimentazione monolitica consente il funzionamento con una singola cella al litio. Le tre uscite del regolatore buck in SIMO sono programmabili in tensione per garantire un'efficienza di consumo ottimale. Dato che MAX78002 richiede un solo induttore/condensatore, i fornitori possono ridurre la distinta base per la progettazione dei circuiti.

Il controller DVS (controllo dinamico della tensione) integrato è in grado di regolare in modo adattivo la tensione per ridurre il consumo dinamico di energia. Utilizzando un oscillatore fisso ad alta velocità e una tensione di alimentazione V_COREA, il controller DVS può far funzionare il core ARM alla tensione pratica più bassa, offrendo ai progettisti la possibilità di bilanciare i requisiti prestazionali con i vincoli di potenza. Un'interfaccia bus periferica ARM permette di accedere al controllo e allo stato.

L'ampia memoria di sistema su chip di 2,5 MB di flash per il core del microcontroller garantisce l'archiviazione non volatile della memoria di programma e dei dati, mentre la SRAM interna da 384 kB garantisce la conservazione a basso consumo delle informazioni dell'applicazione in tutte le modalità di alimentazione, eccetto quella di spegnimento.

Agevolare le applicazioni di MAX78002

ADI offre il kit di valutazione MAX78002EVKIT (Figura 1) che fornisce preziose risorse per la realizzazione di applicazioni di IA con l'MCU, tra cui un display TFT da 2,4" che migliora lo sviluppo interattivo dell'interfaccia utente e la visualizzazione dei risultati dei processi di inferenza dell'IA.

Figura 1: Il kit di valutazione per applicazioni MAX78002 comprende un display TFT da 2,4" per lo sviluppo di interfacce utente interattive e un display secondario per il monitoraggio del consumo energetico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Con la scheda di valutazione, il consumo energetico di MAX78002 viene monitorato da un accumulatore di energia e i risultati formattati vengono presentati su un display TFT secondario.

Il kit di valutazione comprende basette USB 2.0, SWD JTAG, accesso UART tramite USB e doppi connettori QWIIC standard del settore, che facilitano il debug, la programmazione e l'interfacciamento con altri dispositivi.

Conclusione

La memoria, la larghezza di banda e il consumo energetico limitati dei dispositivi IoT edge sono una sfida importante per lo sviluppo di applicazioni IA edge. L'MCU MAX78002 di ADI offre un percorso chiaro per lo sviluppo di un'ampia gamma di applicazioni IA efficienti dal punto di vista energetico con capacità di inferenza. Con MAX78002EVKIT, gli sviluppatori hanno accesso a strumenti per la prototipazione rapida, lo sviluppo di interfacce utente tattili, l'integrazione di periferiche e il monitoraggio del consumo energetico. Per una rapida panoramica sul contenuto del kit di valutazione, potete guardare questo video.