边缘智能破局集中式架构，MCU厂商如何在新市场寻找机会？

“天下大势，分久必合，合久必分。”这一历史演进规律同样适用于互联网科技时代。长久以来，云端这种“合久”的集中式架构带来了规模化效应，使得计算资源得以高效利用，数据分析能力显著增强。然而，随着物联网设备数量的爆发式增长、数据量的急剧增加以及对实时响应、数据隐私保护需求的提升，集中式架构的局限性逐渐显现，如网络带宽压力增大、数据传输延迟增加、数据安全风险上升等。这些问题促使信息技术体系寻求新的变革，走向“分”的阶段，也就是如今行业的冉冉升起的新星“边缘智能”。

根据STL Partners边缘计算关键数据统计，2030年全球边缘计算潜在市场规模将达到4450亿美元，10年复合增长率为48%。根据亿欧智库预计2021-2025年中国边缘计算产业市场规模年复合增速有望达到46.81%，2025年边缘计算市场整体规模达1987.68亿元。从市场数据不难看出，边缘智能正在以其独特魅力，将计算、分析与决策能力从云端延伸至数据产生的边缘侧，重塑着信息处理的格局与效率。

然而实现真正意义上的边缘智能并非易事，它需要在计算能力、感知技术与安全防护三大维度上实现深度创新与精细打磨。本文将聚焦这三个关键切入点，深入剖析其与边缘智能的内在联系，并揭示相关底层器件厂商如何通过匠心独具的解决方案，赋能边缘智能设备，解锁实时、智能、安全的未来应用潜能。

01 实时数据处理新范式，AI MCU这样赋能未来边缘

边缘智能的核心价值在于对海量数据进行实时、本地化的处理与分析，以实现快速响应与决策。在许多物联网应用中，如工业自动化、自动驾驶、医疗监测等，对数据的实时分析和即时决策至关重要，而边缘智能通过在数据产生的边缘端进行实时数据处理，消除了数据传输到云端处理带来的网络延迟，能够很好地实现对实时性要求极高的场景的高效响应。

同时，边缘设备能够对数据进行本地预处理和筛选，仅将有价值的信息或异常情况上传至云端，此举大幅减少了不必要的数据传输量，降低了网络带宽压力，提高了整体数据处理效率。当网络环境不稳定或云端服务不可用时，边缘智能设备还能够基于本地数据进行决策，保持服务连续性。这种分布式处理模式增加了系统的冗余性和抗故障能力，提高了整体的系统弹性和可靠性。

上述这些效果都离不开其计算核心MCU的强大计算能力与低延迟特性，例如在集成AI算法的边缘智能应用中，MCU能够运行经过优化的轻量级神经网络模型，实现对实时数据的快速推理，无需依赖云端，大幅降低了数据传输延迟，提高了系统反应速度。在该领域已经有不少供应商推出了针对性的解决方案，TI德州仪器旗下的Sitara AM2x系列MCU基于高性能ArmMCU内核，包含运行速度高达1 GHz的单核和多核器件，能够提供10倍于以前基于闪存MCU的运算能力，很大程度地缩小了MCU和处理器之间日益增加的性能差距。

此外，Sitara AM243x MCU集成了感应和驱动外设，针对工厂自动化进一步实现了低延迟实时处理和控制，并通过通信加速模块简化实现工业网络。AM243x器件扩展了TI对多个千兆工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN) 的支持，可实现下一代工厂网络。借助AM243x，工程师可以利用经过认证的、TI直接提供的协议栈支持EtherNet/IP、EtherCAT、PROFINET和IO-Link主站等，从而满足不断发展的工业通信标准。

同样作为MCU巨头，恩智浦也是早早捕捉到边缘智能市场的巨大潜力，旗下跨界MCU产品线中的明星产品i.MX RT 1180融合了高性能MCU与应用处理器的优势，可以异构多核处理。其特点是具有一个高性能的M-7核心，可以用于实时控制，以及一个节能的M-33核心，可以用来进行网络管理。此外，i.MX RT 1180中集成了每秒千兆以太网交换机，能够支持时间敏感网络以及其他工业网络协议，如EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP和CC-Link，在功能安全方面，它还集成了EdgeLock安全岛区域(security enclave)——可用于验证通过工业协议传输的所有数据包。

02 低功耗、长续航、稳定性，边缘智能的底座三驾“马车”

不仅是计算能力的提升，长期、稳定、高效运行同样是边缘智能设备的关键性能。要知道边缘智能设备往往部署在环境复杂、供电条件有限的场景中，这对设备的低功耗设计提出了极高要求。而低功耗不仅关乎设备续航，更是确保边缘设备持续稳定运行、降低运维成本的关键。这要求底层器件在保证性能的同时，优化电源管理、节能模式、唤醒机制等，实现能源效率的优化。同时，边缘智能设备还面临高温、低温、潮湿、振动等严苛环境条件，低功耗设计有助于减少设备发热，提高系统稳定性，适应恶劣环境下的工作需求。此外，低功耗设备产生的废热少，有利于减小散热系统体积，提高设备集成度和环境适应性。

近日，Ambiq 针对AI推出了超低功耗的 Apollo510 MCU，该款产品对硬件和软件进行了全面改造，充分利用带有 Arm Helium™的 Arm® Cortex®-M55 CPU，处理速度高达 250MHz。与 Ambiq 之前的Apollo4 相比，Apollo510 的延迟时间提高了 10 倍，同时能耗降低了约 2 倍。这种性能和效率的理想组合使我们的客户能够在各地的电池供电设备上部署复杂的语音、视觉、健康和工业 AI 模型，使其成为市场上与 Arm Cortex-M55 配合使用的高效的半导体。

同时，Apollo510的能效提高了30倍以上，能够运行当今绝大多数端点AI计算，包括低功耗传感器监控、始终在线的语音命令、电信质量的音频增强等。执行AI/ML推理的物联网设备制造商，例如下一代可穿戴设备、数字健康设备、AR/VR眼镜、工厂自动化和远程监控设备，可以极大地扩展其功率预算，同时通过Apollo510的SPOT优化设计为其设备添加更多功能 。

国内MCU厂商同样在边缘智能领域的布局中呈现出积极态势，例如兆易创新推出的全新GD32H7系列MCU，采用基于Armv7E-M架构的600MHz Arm® Cortex®-M7高性能内核，凭借支持分支预测的6级超标量流水线架构，以及支持高带宽的AXI和AHB总线接口，可实现更高的处理性能。内置了高级DSP硬件加速器和双精度浮点单元(FPU)，以及硬件三角函数加速器(TMU)和滤波算法加速器(FAC)，大幅减轻了内核的负担并有助于提升处理效率。

GD32H7系列MCU高主频下的工作性能可达1552 DMIPS，CoreMark®测试取得了2888分的出色表现，同主频下的代码执行效率相比市场同类产品提升约10%，相比Cortex®-M4产品的性能提升超过40%。GD32H7系列MCU采用1.71V~3.6V供电，支持高级电源管理并提供了三种供电模式(LDO/SMPS/直接供电)和五种低功耗模式，可实施灵活的供电策略以兼顾整体能耗平衡。

还有航顺芯片的HK32系列MCU基于Arm Cortex-M内核，提供多种低功耗、高性能型号，支持实时操作系统和AI算法部署。其HK32L系列MCU专为低功耗应用设计，适用于电池供电的边缘智能设备。航顺芯片还提供HK32SDK开发工具包和AI算法库，助力开发者快速开发边缘智能应用。

03 深入探索硬件安全特性，构筑边缘智能安全屏障

数据安全一直是老生常谈的问题，对于边缘智能来说，边缘设备承载大量敏感数据，且通常部署在物理防护较弱的环境中，这些设备可能缺乏复杂的安全硬件、更新机制不健全，易于物理接触，使得它们成为攻击者的首选目标。并且，尽管边缘智能减少了数据向云端传输的需求，但仍存在数据在设备间、设备与边缘节点、边缘节点与云端之间的交互。在这些传输过程中，数据可能面临截获、篡改或重放攻击。因此，确保数据安全、设备安全与通信安全至关重要。这要求底层器件具备硬件级安全特性，如安全启动、加密引擎、安全存储区等，以及支持安全协议与认证机制。

前不久，意法半导体发布了新一代的STM32MP2系列工业级微处理器 (MPUs)，新的STM32MP2微处理器采用了意法半导体专有的安全硬件、防篡改控制、安全固件和安全网络配置技术，并结合Arm®的TrustZone®架构，以确保敏感数据和密钥的机密性，使其具备了先进的安全性。STM32MP2 MPUs 正在进行SESIP Level 3认证，这是物联网设备安全和合规性的一种安全测试方法，旨在满足全球主要地区即将到来的更严格的网络安全保护要求, 其中包括将于 2025 年生效的美国 CyberTrust 标志认证和欧盟无线电设备指令（Radio Equipment Directive）。

另一边，英飞凌专为物联网打造的PSoC 6系列MCU则具备出色的安全性能，其基于40 nm工艺并采用了Arm超低功耗架构。它在有源模式下的功耗仅为22 µA/MHz。150 MHz Arm Cortex-M4和100 MHz Arm Cortex-M0+双核模式，使得嵌入式系统开发人员能够优化其应用的功耗和运算处理性能，并且采用了业界高水平的安全架构——Arm平台安全架构（PSA）。通过弥补昂贵、耗电的应用处理器与资源有限的微控制器之间的差距，PSoC满足了物联网对处理性能、无线连接和低功耗的需求。

PSoC 6 MCU还采用了新一代英飞凌CAPSENSE电容式感应技术。CAPSENSE让开发人员能够创建创新直观且稳健可靠的多点触控和基于手势的人机界面（HMI）除了集成的BLE（低功耗蓝牙）功能，PSoC 6还可与英飞凌的AIROC Wi-Fi、AIROC 蓝牙或AIROC combos射频模块配对使用。

2024慕尼黑上海电子展部分MCU展商