I processori fanno i conti con l’Internet delle Cose

I processori di nuova generazione, ormai etichettati come “smart processors”, sono dispositivi ad alte prestazioni utilizzati diffusamente in smartphone, auto ed edifici intelligenti, dispositivi IoT e prodotti indossabili. Come accaduto in passato con l’avvento dei sistemi embedded, alcuni dei fattori che stanno condizionando lo sviluppo del mercato dei processori intelligenti sono fortemente legati alle dinamiche delle applicazioni consumer. Il rovescio della medaglia è che in un mondo di prodotti e di gadget sempre più smart, la crescente complessità delle applicazioni e la mancanza di piattaforme standard comporta da un lato un’elevata frammentazione, dall’altro delle notevoli barriere di accesso che riducono i margini e rallentano lo sviluppo del mercato. Sicuramente, anche per questi prodotti l’aspetto di discontinuità più rilevante è la crescente influenza del concetto di Internet of Things, un elemento che sta condizionando i modelli di efficienza energetica e le dotazioni di bordo, soprattutto dal punto di vista della connettività e della sicurezza.

Processori specializzati 

L’Internet delle Cose è un’industria in rapida crescita, costruita sulla promessa di una connettività onnipresente che consentirà a miliardi di dispositivi di comunicare tra di loro e con le persone; le stime indicano che entro il 2020 il mercato IoT potrebbe variare dai sei miliardi di dollari (fonte Linley) a oltre 200 miliardi di dollari (fonte Intel). Nonostante la variabilità delle stime, probabilmente dovuta a una pura questione dialettica, il mercato IoT rappresenta un’occasione straordinaria per tutti i prodotti che integrano un sensore, un processore e delle funzioni di connettività: dispositivi portatili o mobili, intrattenimento, auto, agricoltura, energia, sanità, industria e molto altro ancora. Il tipo di elaborazione utilizzato all’interno dei dispositivi è fortemente influenzato dal feedback necessario per l’applicazione target. Ad esempio, alcuni processori smart eseguono una quantità limitata di elaborazioni su set di dati semplici, come temperatura, umidità o pressione; altri, più complessi, sono chiamati a gestire dati audio o video ad alta risoluzione, a correlare le informazioni ambientali con database di autoapprendimento, o ancora a dialogare all’interno di reti distribuite di tipo “mission-critical”. Fino a poco tempo fa, molti progettisti di dispositivi IoT consumer e industriali ricorrevano a semiconduttori progettati per altri mercati, tipicamente legati alle applicazioni embedded e mobili. La crescente domanda di prestazioni e di miniaturizzazione ha reso sempre più evidente l’esigenza di disporre di SoC specializzati.

Requisiti comuni

Anche se i requisiti di questi SoC possono essere piuttosto diversi in base alla destinazione finale, vi sono alcune tendenze generali comuni. In primo luogo, poiché alla base del concetto di IoT vi è una forma di connettività preferibilmente wireless, l’integrazione delle funzioni di banda base radio su chip rappresenta ormai una pratica comune. Grazie all’integrazione sul SoC di più protocolli di comunicazione, come Wi-Fi, Bluetooth o cellulare, i costi complessivi legati alla distinta materiali e il consumo energetico risultano notevolmente ridotti, portando a dispositivi più convenienti e più efficienti dal punto di vista dei consumi. In secondo luogo vi è la cosiddetta “sensor fusion”, tendenza che impone quel minimo di dotazione che differenzia un processore di pura elaborazione da un processore smart. Questo equipaggiamento permette al processore d’interfacciarsi (ad esempio tramite una porta seriale Mipi I3C di nuova concezione) con il dominio analogico/mixed signal dei sensori, se non addirittura di integrare direttamente al suo interno delle funzioni di rilevamento. In terzo luogo sta emergendo sempre più urgentemente l’esigenza di implementare delle forme di protezione hardware a livello di singolo componente che permettano di tutelare nel lungo termine dati e applicazioni sensibili, minacciati da attacchi più o meno fraudolenti sempre più difficili da individuare e contenere.

Qualche esempio concreto

I sensori intelligenti sono essenzialmente microcontrollori connessi che integrano diverse interfacce analogiche per il rilevamento. I requisiti relativi alle prestazioni della Cpu sono tipicamente al di sotto dei 100 Dmips, mentre la connettività contempla degli standard ad alta efficienza energetica quali Wi-Fi a low-power (802.11n o 802.11ah), Smart Bluetooth o protocolli cellulari a bassa potenza (ad esempio Cat-M Lte) o in standard 802.15.4 (ad esempio ZigBee, Thread, 6LoWpan, Z-Wave ecc.). Un’altra categoria di smart processor sono i prodotti “connected audio/video”, termine con cui si indica tutto ciò che va dagli altoparlanti Bluetooth ai sistemi home cinema di alto livello, dalle fotocamere IP ai sistemi grafici 3D. A seconda delle applicazioni target, la Cpu può spaziare da una Mcu ad alte prestazioni a un processore applicativo specifico in grado di raggiungere le migliaia di Dmips. Sul fronte della connettività, la maggior parte dei dispositivi a semiconduttore per applicazioni wireless di tipo standard integra Bluetooth (Classic o Smart) o Wi-Fi, mentre per le configurazioni più complesse, ad esempio le reti multisala, si può arrivare a integrare protocolli 802.11ac che assicurano bande e velocità sufficienti. I dispositivi che devono gestire contenuti ricchi di informazioni multimediali richiedono processori applicativi dotati di tutte le funzioni di elaborazione necessarie per supportare gli elevati carichi di lavoro in gioco. Le loro dotazioni comprendono Cpu multicore, unità grafiche 3D, encoder e decoder video multi-standard e connettività a 360 gradi. La configurazione, come nei casi precedenti, è dettata dalla complessità dell’applicazione. Ad esempio, la maggior parte delle piattaforme di video analytics elaborerà i dati localmente prima di inviare i risultati al Cloud. Pertanto, questi sistemi richiedono una pipeline multimediale molto potente e altamente integrata che includa un’unità grafica multicore o un hardware di visione specializzato in grado di gestire algoritmi avanzati di intelligenza artificiale. Nel caso dei SoC smart per fotocamere, la connettività potrebbe essere garantita da un protocollo Wi-Fi ad alta velocità (ad esempio 802.11ac 2×2). Nelle applicazioni di guida assistita per il settore automotive potrebbe essere più adatto un protocollo cellulare basato su V2X (802.11p). Nel caso di dispositivi domestici collegati con display ad alta risoluzione e dotati d’interfacce utente complesse, è necessario raggiungere il giusto equilibrio tra requisiti di elaborazione, consumo di energia e costo. Un esempio legato a questo tipo di applicazione riguarda smart Tv e set-top box, dove i costi complessivi del sistema sono tra i principali driver. Per questa categoria, è più adatta una Gpu orientata alla grafica e ottimizzata per l’efficienza d’ingombro; lo stesso si può dire per la Cpu multicore o per il processore radio. Quando i progettisti di sistemi riescono a combinare Tv digitale e connettività wireless in una sola soluzione SoC di tipo smart, possono ridurre i costi in modo significativo senza ricorrere a chip dedicati per ciascun protocollo. Un altro settore esemplificativo dell’impatto che l’IoT ha sui sistemi di elaborazione riguarda i dispositivi indossabili. Progettare un processore smart per prodotti indossabili significa minimizzare soprattutto il consumo di energia. A seconda del mercato di riferimento e del caso d’uso, gli indossabili possono essere configurati come dispositivi autonomi o collegati a uno smartphone. Per questo è necessario affrontare numerosi aspetti a livello di sistema. Uno su tutti, la riduzione del carico legato alle comunicazioni wireless, aspetto che impone una combinazione tra Bluetooth, Wi-Fi o Lte e l’adozione di una configurazione Cpu/Gpu ottimizzata in funzione dell’efficienza energetica. I nodi di elaborazione ad alta densità, anche se non strettamente correlati al concetto di IoT, rappresentano un ulteriore terreno di sviluppo per gli smart processor. Le applicazioni target includono sistemi di elaborazione di tipo green (ad esempio sistemi di rete e di storage, Cloud computing o centri dati di grandi dimensioni), cioè capaci di offrire prestazioni ultra-elevate in un formato efficiente. Un nodo di elaborazione ad alta densità è basato tipicamente su un’architettura specializzata che integra Cpu multicore e una serie di acceleratori hardware (ad esempio Gpu, Dsp, Fpga) utilizzati per supportare le funzioni di compressione e filtraggio dei dati e per altri algoritmi complessi. L’architettura multicore della Cpu consente di scalare il nodo in base alle prestazioni, attivando i vari core in funzione delle esigenze di calcolo, con evidenti incrementi in termini di efficienza, area e potenza.

L’IoT diventa fattore trainante

Da questo quadro emerge come l’IoT rappresenti una forza trainante che determinerà lo sviluppo di nuovi modelli di business e permetterà di affrontare alcune delle sfide globali che il settore degli smart processor è chiamato a sostenere. I produttori di silicio sono impegnati nel difficile compito di realizzare soluzioni versatili, scalabili e progettate per indirizzare dispositivi e sistemi IoT di varia natura. Aspetto più importante, è che questi prodotti devono essere capaci di offrire risposte affidabili a problemi di varia natura, come ad esempio la gestione della larghezza di banda delle comunicazioni wireless, la fornitura di risorse di elaborazione locali sufficienti per consentire la gestione di contenuti di varia natura, l’efficienza energetica e soprattutto la sicurezza di reti e dati.

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