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【多核、異構,MCU/MPU 不一樣了!】
越來越多包含微控制器 (MCU)、微處理器 (MPU) 設備加入數位化行列,且朝「多重處理器」趨勢邁進,每個 MCU 內部都是一顆 CPU (中央處理單元),有些還會配置第二或第三核心負責處理專屬功能,包括從無線電到機器學習 (ML) 等各種任務;而單晶片 (SoC) 架構的挑戰是:平衡元件要求、以更高的效率完成任務,多重核心在這方面將持續扮演重要角色,包括管理通訊、資料、排程等作業也將變得更加複雜,其最大挑戰很可能是如何管理在多重核心元件上運行的軟體。
各界普遍認同摩爾定律與 Dennard 縮放比例定律已近終點,但運算需求的成長速度卻日漸加快,因此,未來將會需要更加複雜的異質化 SoC 架構。與此同時,MCU 與 MPU 的界線越來越模糊,有產業先進認為其中一個主要區別是:工作頻率。此外,MCU 屬於單核架構,專注在控制層面、涵蓋類比輸入與輸出的控制動作;而 MPU 可能是單核心或多核心,專注於處理資料、而非處理或量測類比輸入或輸出訊號,幾乎都會用外部記憶體來存放程式資料,速度屬次要參數。
實際上,高性能的 MCU 已經可以運行作業系統。值得留意的是,RISC-V 市佔率正持續攀升,尤其低階 MCU 領域已逐漸取代 Arm 32 位元 MCU (Cortex-M),恩智浦 (NXP) 則計劃在某些新處理器子系統中將 RISC-V 作為共同處理器。芯科科技 (Silicon Labs) 認為:RISC-V 架構仍在持續演進,相比其他成熟的 RISC 價格,最大的差異是忠誠度、可用的工具、軟體以及新架構在沒有大量測試及實用基礎下的信心度等,其成長性或與成熟度互為因果。
延伸閱讀:
《數位化轉型中的 MCU》
http://www.compotechasia.com/a/feature/2021/0813/48768.html
#安謀Arm #Imagination #恩智浦NXP #芯科科技SiliconLabs #意法半導體ST
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利用晶片級安全保護工業物聯網終端
作者 : Nitin Dahad,EE Times歐洲特派記者
• 2021-01-25
我們必須重視物聯網終端裝置的安全性,因為它們是防禦網路攻擊的重要一環。無論是雲端伺服器還是邊緣感測器,最終都要節點上的終端得到了保護,才能保護整個系統——至少可以降低遭受攻擊的可能。
談到物聯網(IoT)安全時,大多數人都會提到兩件事:一是建立信任根(RoT)作為安全基礎,二是不要只關注終端裝置,而是要考慮整個生態系統和產品生命週期的安全性。
然而,我們必須重視終端裝置的安全性,因為它們是防禦網路攻擊的重要一環。無論是雲端伺服器還是邊緣感測器,最終都要節點上的終端得到了保護,才能保護整個系統——至少可以降低遭受攻擊的可能。
因此,本文特意側重於設備安全性,並同時認知必須更全面地考慮安全性:作為整個工廠或環境更廣泛的安全性框架,其中,可連網裝置在提高生產率和效率中發揮重要作用。
如工業網際網路網聯盟(Industrial Internet Consortium,IIC)的安全架構所示,終端保護有助於邊緣和雲端設備實現防禦功能(圖1)。終端可以是工業物聯網(IIoT)系統中的任何一個元素,同時具有運算和通訊功能,其自身功能可能會暴露給防火牆外的任何人。這些終端可以是邊緣裝置、通訊基礎結構、雲端伺服器或其間的任何裝置,每個終端都有不同的硬體局限,決定了可獲得的保護等級。
終端保護是透過終端中的權威身份辨識功能——通常是RoT,來實現通訊和連接的防禦。因此,安全機制和技術應根據終端的具體功能和安全要求進行應用。
虛擬機器將應用程式隔離在各自的區域中,但無論是裸機還是在其上運作的客戶作業系統,終端本身都有許多漏洞。
在這種情況下,一個常見的問題是,應透過硬體還是軟體來保護系統。大多數專家認為,從很多因素來看,硬體保護比軟體保護更可取,但主要還是因為硬體具有更高的防篡改能力,可以提供比軟體更高的信任度和安全性。
很多大型晶片供應商都提供某種硬體級安全保護,可能是可信任平台模組(TPM)或安全元件(SE)這樣的硬體安全模組,也可能是其他形式的系統單晶片(SoC)嵌入式安全功能。其主要目標是實現強大的使用者身份鑒權和驗證,以防受到攻擊,並防止對機密或敏感資訊的非法訪問。
安全元件
硬體安全解決方案的關鍵要素是安全元件,它儲存經過加密的唯一辨識碼,以實現認證保護,確保讀取安全載入憑證。例如,提供物聯網裝置的大規模註冊,確保只有授權裝置才能訪問系統或雲端服務。大多數晶片供應商提供的安全元件都是微控制器(MCU)的一部分,同時還提供某種監控和身份管理系統。
意法半導體(STMicroelectronics)的STSAFE-A110可以整合到物聯網裝置中,為本地或遠端主機提供身份驗證和安全的資料管理服務。該元件具有嵌入式安全作業系統,並採用通過「資訊技術安全評估共同準則」(Common Criteria for InformationTechnology Security Evaluation,簡稱「共同準則」、Common Criteria或CC)評估保證等級5+ (Evaluation Assurance Level 5+,EAL5+)認證的硬體,每個元件都內建唯一標識和X.509證書,以實現裝置的安全連接。這個安全元件與STM32Cube開發生態系統整合,可快速應用於需要身份驗證和安全連接的新型STM32 MCU設計。
恩智浦半導體(NXPSemiconductors)的EdgeLock SE050 Plug and Trust安全元件系列是另一款開箱即用的物聯網裝置安全元件,無需編寫安全程式碼,可提供晶片級RoT以實現端到端的安全性。該產品通過了Common Criteria EAL 6+認證,可提供更好的安全性,作為即用型解決方案,它包含完整的產品支援包,可以簡化設計。
除了提供適用於不同MCU和MPU的庫之外,恩智浦的產品支援包還提供與多種常見作業系統的整合,包括Linux、Windows、RTOS和Android。該支援包包括主要應用的樣本、大量的應用說明,以及用於i.MX和KinetisMCU的相容開發套件,以加快最終的系統整合。其產品配置支援物聯網安全應用,例如感測器資料保護、物聯網服務的安全訪問,以及物聯網裝置調試,是對現有應用的補充,如雲端服務的安全實施、裝置到裝置的身份驗證、裝置完整性保護和證明,以及裝置溯源和來源證明。
英飛凌(Infineon)的OPTIGA TPM系列產品也包含了多種安全控制器,用於保護嵌入式裝置,以及系統的完整性與真實性。OPTIGA TPM SLM 9670是一款高品質的TPM模組,它採用防篡改安全MCU,適於工業應用。作為一種即用型解決方案,它具有安全編碼韌體,滿足最新的可信賴運算組織(TCG) Family 2.0規範。其產品符合工業JEDEC JESD 47標準品質要求,並通過了Common Criteria EAL4+安全認證。
開發人員可以採用OPTIGA TPM來儲存私密金鑰,配合Sectigo身份管理解決方案,可為工廠提供完整的自動化證書頒發和管理解決方案。
瑞薩電子(Renesas Electronics)於2019年10月推出針對安全、可擴展物聯網應用的RA系列MCU。該系列產品採用開放式軟體平台,客戶能夠透過與眾多廠商合作或利用現有傳統軟體平台來開發物聯網終端。瑞薩電子將強大的RoT整合到硬體中,使其成為MCU的組成部分,安全功能的實現因此變得輕而易舉:客戶在完成設計後無需再考慮如何增加安全性。
記憶體內(In-memory)安全
隨著系統越來越依賴外部NOR快閃記憶體來保護連網系統的程式碼和資料,在記憶體中增加先進加密安全性的需求也在增長。隨著快閃記憶體移出主處理器,幾家公司提供了能夠保護快閃記憶體本身的功能(因為無法再將其嵌入到MCU中),為設計工程師提供了更大的靈活性。例如,英飛凌最近推出了Semper Secure,作為其SemperNOR快閃記憶體平台的補充。
同時,美光(Micron)的專有技術Authenta將NOR快閃記憶體與系統級硬體RoT結合。快閃記憶體本身內建的安全功能可透過晶片RoT實現先進的系統級保護,而無需添加新的硬體。它具有強大的內建加密身份,透過現場更新和始終開啟(always-on)的韌體監控,簡化了從供應鏈到裝置入網的安全裝置管理。
美光2019年10月推出了Authenta金鑰管理服務(KMS)平台,可為多種工業應用提供雲端優先部署模型。採用該平台以後,已安裝Authenta的裝置可以透過雲端服務開啟,從而降低了保護連網裝置安全性的難度和複雜度…
附圖:圖1:IIC的工業網際網路安全架構(Industrial Internet Security Framework)中確定了終端各個部分的威脅和漏洞。
(來源:IIC)
圖2:TPM透過其獨特的背書金鑰和金鑰分層結構來支援金鑰及生命週期管理。非揮發性記憶體可用於安全儲存敏感性資料,例如證書,它基於防篡改硬體,安全功能包括感測器和記憶體加密功能,以增強對機密的保護。(圖片來源:英飛凌)
資料來源:https://www.eettaiwan.com/20210125nt51-protecting-the-endpoint-in-iiot-a-snapshot-of-chip-level-security/
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【嵌入式系統=智能互聯】
什麼是嵌入式系統?市調機構看好汽車行業將成為嵌入式運算市場的主要動能——混合動力電動汽車 (HEV) 和純電動車 (EV) 興起,帶領智能系統控制不斷擴張,全自動駕駛尤需運行多個複雜的人工智慧 (AI) 軟體和系統。隨著物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 出現,嵌入式技術已成智能生態迅速拓展的推動者。
嵌入式設備通常由系統單晶片 (SoC) 與現場可編程邏輯閘陣列 (FPGA) 等「與硬體集成的軟體」提供動力,以便開發人員針對特定功能進行編程積體電路 (IC) 和其他韌體版本,意謂軟體和硬體已然密不可分。簡單、大批量消費市場的嵌入式系統多由 99% 硬體+ 1% 軟體所組成,但飛機、汽車或高度可靠的工控應用,則以高度專業化、小批量為主;若測試及應用程式繁複,軟體所佔嵌入式系統成本的比例甚或可高達 95%!
嵌入式系統雖是非常成熟的技術,但新一代功能強大的處理器不斷發展,使嵌入式系統幾與「智能互聯」畫上等號,而「智能邊緣設備」(Edge AI) 將促使整個嵌入式系統顯著增長。在分眾市場分面,數十年來,消費電子一直是嵌入式系統的主要市場,但物聯網的出現將賦予它們全新意義——新型感測器和軟體等嵌入式智能已成為主要元素。醫療保健則是嵌入式系統開發最快的應用之一,例如,手持式/可攜式治療設備及用於監測生命體徵的設備。
此外,智能建築和智慧城市的來臨,將使嵌入式系統擴展預測性和規範性,基於 AI 和機器學習 (ML) 實現完全自主和自我修復,前三大 Edge AI 產品分別為:智慧手機、智慧音箱與 AR/VR/MR 等抬頭顯示設備 (HUD)。其中,成長最快速的產品是消費型與企業用機器人及安全監控攝影機。技術挑戰在於:發展低能耗、高準確率的認知計算,包括新型運算架構電路設計、演算法等。預期未來 IoT 裝置所使用的控制晶片,皆將內含 AI 加速晶片。
AI 創新能量蓬勃,演算法每幾個月就有大躍進,如何讓電子器件的開發環境與其無縫接軌,成為影響採用意願的要素之一。於是,各家處理器供應商無不絞盡腦汁在整合開發環境 (IDE)、打包軟體套件、創造韌體差異、各式開發板,乃至與雲端服務供應商 (CSP) 的合作上,目標是為各有專長的工程師形塑「工具鏈」、鋪設一條康莊大道,讓底層基本核心、韌體、中介軟體 (Middleware) 和最上層的應用軟體毫無隔閡。我們日前所介紹的「Microchip MPLAB」系列就是一例。
另為擴大應用,近年 FPGA 在本質上也有了變化:一是整合應特定用途的處理器做異構運算,二是軟核 (軟體為基礎的 IP 內核) 崛起,三是完善開發環境,四是與雲端平台結盟……。
延伸閱讀:
《智能邊緣引領「嵌入式系統」騰飛》
http://compotechasia.com/a/feature/2019/1111/43273.html
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