低消費電力マイクロコントローラのポートフォリオを使用して、ヘルスケアおよび産業用IoT設計を簡素化

産業、ヘルスケア、および多様なモノのインターネット（IoT）アプリケーション向けに低消費電力を設計している開発者は、厳しい消費電力バジェットに妥協することなく、広範な機能を提供するマイクロコントローラベースのソリューションを絶えず求められています。開発が進むにつれて、特殊な機能要件を満たすために最大消費電力のしきい値を超えてしまうリスクが頻繁に発生します。

この記事では、Analog Devicesの超低消費電力マイクロコントローラのポートフォリオで、このような要件をどのように満たすことができるのか紹介します。

特殊なアプリケーションの要件に対応

設計者は、顧客の期待に効果的に応えるために、高性能で低消費電力という一連の中核的な要件を満たさなければなりません。ヘルスケア、産業、IoTなど多様なアプリケーション分野では、通常、これらの中核的要件が設計上の決定を支配し、それが本質的に差のないハードウェアプラットフォームの開発を導いてきました。そのため、設計者は、ある応用分野で得たハードウェアやソフトウェアの設計経験を、別の応用分野の基本的なニーズに対応するために素早く応用することができます。

こうした分野ではますます高度な製品への要求が高まっており、設計者にとって、そのコア要件を満たす能力を犠牲にすることなく、特殊な用途の特殊な要求を満たすことは、より困難になっています。アプリケーションセグメントは、固有のコネクティビティ、セキュリティ、人工知能（AI）要件によって、急激に差別化され始めています。

このようなニーズの変化に後押しされ、共通のハードウェアプラットフォームというコンセプトが発展したことで、設計者は、特殊な機能で補強された使い慣れたプロセッサセットに依存しつつ、高性能と低消費電力という中核的な要件を満たすことができるようになりました。

特殊な機能に合わせて構築されたプロセッサ基盤

Analog Devicesの超低消費電力マイクロコントローラ製品ラインアップは、浮動小数点ユニット（FPU）を搭載した超低消費電力Arm® Cortex®-M4を中心に構築されており、設計者に、中核となる消費電力と性能要件を満たすことができる使い慣れたプラットフォームを提供します。

Analog Devicesは、さまざまな応用分野の固有の要件を満たすために、以下の4つのポートフォリオメンバに特化した機能でこの基盤をカスタマイズしています。

• MAX32655は、十分なメモリと性能を備えながら、Bluetooth Low Energy（BLE）コネクティビティとバッテリの長寿命を必要とするアプリケーションをターゲットとしています。
• MAX32690は、BLE、堅牢なパフォーマンス、広範なメモリを必要とするアプリケーションをターゲットとしています。
• MAX32675Cは、産業用および医療用センサに必要な混合信号要件のアプリケーションをターゲットとしています。
• MAX78000は、インテリジェントエッジデバイスの新たな需要に対応します。

コネクティビティへの対応

Analog DevicesのMAX32655マイクロコントローラは、100MHzのArm Cortex-M4とFPU、512キロバイト（Kbyte）のフラッシュ、128Kbyteのスタティックランダムアクセスメモリ（SRAM）、16Kbyteの命令キャッシュを統合しており、一般的な低消費電力アプリケーションで必要とされるプロセッサ性能とメモリストレージの効果的な組み合わせを提供します。このプロセッシングサブシステムの他に、このデバイスは、資産追跡、ウェアラブル、ヘルスケア監視デバイスで一般的に必要とされる、セキュリティ、電源管理、タイミング、デジタルおよびアナログペリフェラルのための包括的な機能ブロックセットを追加しています（図1）。

図1：豊富なペリフェラルを統合したMAX32655マイクロコントローラは、Bluetoothコネクティビティ、高性能処理、最適化された電力利用を必要とする幅広いアプリケーションをサポートします。（画像提供：Analog Devices）

さまざまなアプリケーションの多様なBluetoothコネクティビティ要件を満たすために、MAX32655はBluetooth 5.2機能一式をサポートする専用のハードウェアとソフトウェアを提供します。このマイクロコントローラは、Bluetooth 5.2無線とともに、タイミングが重要なBluetooth処理タスクを処理する専用の32ビットRISC-Vコプロセッサを統合しています。このBluetoothサブシステムは、2メガビット/秒（Mbits/s）の高スループットモードと、125キロビット/秒（Kbits/s）と500Kbits/秒の長距離モードをサポートし、新たなパフォーマンス要求に応えます。2つのデバイスピンがあるため、開発者はBluetooth対応設計でオフチップアンテナを簡単に接続できます。Bluetooth 5.2機能を完成させ、アプリケーションサポートを提供する、このデバイスのランタイムBluetoothスタックは、FPUを備えたArm Cortex-M4、RISC-V、無線にまたがって拡張されています（図2）。

図2：MAX32655に内蔵されたFPUを備えたArm Cortex-M4、RISC-V、無線で動作するフルBluetooth 5.2スタックは、方向探知、高スループット通信、長距離動作のための機能一式をサポートします。（画像提供：Analog Devices）

Analog DevicesのMAX32690マイクロコントローラは、強力な性能とメモリを必要とするアプリケーション向けに、FPUを備えた120MHzのArm Cortex-M4、3Mbyteのフラッシュ、1MbyteのSRAM、16Kbyteのキャッシュメモリを提供します。MAX32655のアナログコンパレータとデジタルペリフェラルに加えて、MAX32690は、メモリ要件がオンチップリソースを超える場合に外部フラッシュとSRAMから高速実行するためのHyperBus/Xccelaバスインターフェースを統合しています。MAX32655と同様に、MAX32690は32ビットRISC-Vプロセッサを内蔵しており、スタンドアロン処理およびBluetooth処理に対応可能です。

開発者が消費電力を最適化できるよう、前述の4つのマイクロコントローラはそれぞれ複数の低消費電力動作モードをサポートしています。MAX32655とMAX32690では、低電力モードには以下が含まれます。

• スリープ：FPUを備えたArm Cortex-M4（CM4）と32ビットRISC-V（RV32）はスリープモード、ペリフェラルはオンのまま
• 低消費電力モード（LPM）：CM4はスリープ状態かつ状態を保持、RV32は有効なペリフェラルからデータを移動するためにアクティブな状態を維持
• マイクロパワーモード（UPM）：CM4、RV32、および特定のピンは状態を保持、ウォッチドッグタイマ、アナログコンパレータ、および低消費電力UARTは、マイクロコントローラをウェイクアップするために引き続き使用可能
• スタンバイ：リアルタイムクロックはオンのまま、すべてのペリフェラルは状態を保持
• バックアップ：リアルタイムクロックはオンのまま、システムメモリはその状態を保持

さらに、MAX32655は、最終製品の保管と物流時に使用するために設計されたパワーダウンモード（PDM）を提供します。PDMモードでは、MAX32655の電源はオフですが、内部電圧モニタは動作可能です。その結果、エンドユーザーは、保護バッテリタブを取り外すか、あるいは他の方法で製品に電力を供給することで、MAX32655ベースの製品を素早くパワーアップすることができます。

これらの動作モードは、異なるハードウェアブロックを選択的にパワーダウンさせることにより、超低消費電力マイクロコントローラでも大幅な電力削減を実現します。たとえば、通常のアクティブ動作モードのMAX32655は、3.0VでMHzあたり12.9マイクロアンペア（μA/MHz）しか消費しません。スタンバイモードでは、その状態を保持しますか、複数のブロックを完全にパワーダウンさせることで、3.0Vでわずか2.1μAの消費電力を実現し、わずか14.7マイクロ秒（μs）で動作を再開できます（図3）。

図3：MAX32655マイクロコントローラのさまざまな電源モード（ここに示すスタンバイモードなど）は、動作能力を維持しながら消費電力を削減するために、さまざまなハードウェアサブシステムの状態を保持したり、完全にパワーダウンしたりすることができます。（画像提供：Analog Devices）

低消費電力動作機能とともに、これらのデバイスの高度な統合により、開発者は設計の複雑さを軽減し、最小限のフットプリントの要件を満たすことができます。たとえば、MAX32655の内蔵シングルインダクタマルチ出力（SIMO）スイッチモード電源は、1組のインダクタ/コンデンサしか必要としません。その結果、開発者は、資産追跡、ウェアラブル、ヒアラブル、および同様のスペースに制約のある製品などのアプリケーションでパッケージ要件を満たすために、単一のリチウムバッテリで駆動する小型設計をより容易に作成することができます。

たとえば、完全ワイヤレスステレオ（TWS）イヤホン設計の場合、開発者はMAX32655を使用することで、コーデックとバッテリ電源管理以外の追加コンポーネントを最小限に抑え、効果的なソリューションを実装することができます。MAX32655とこれらのデバイス、およびDS2488 1線式デュアルポートリンクを組み合わせることで、TWSイヤホンとその充電クレードルの完全な設計が実現します（図4）。

図4：MAX32655マイクロコントローラの統合された機能により、最小のフットプリントと部品で設計が可能になります。コーデック、電源管理デバイス、DS2488 1線式のようなインターフェースデバイス以外の追加デバイスはほとんど必要なく、完全なTWSイヤホンと充電クレードルのソリューションを実装できます。（画像提供：Analog Devices）

開発者は、これらのマイクロコントローラを使った評価やプロトタイピングを迅速に行うために、以下のようなAnalog Devicesの複数の開発リソースを活用することができます。

• MAX32655評価キット（MAX32655EVKIT）
• MAX32655フェザーボード（MAX32655FTHR）
• MAX32690評価キット（MAX32690EVKIT）
• MAX32690 Arduinoフォームファクタ開発プラットフォーム（AD-APARD32690-SL）

混合信号設計要件に対するより効果的なソリューション

MAX32655とMAX32690が小型のバッテリ駆動Bluetooth対応製品のニーズに対応する一方で、Analog DevicesのMAX32675C低消費電力混合信号マイクロコントローラは、医療用および産業用センサアプリケーションの特殊な要件に対応します。

MAX32675Cは、これらのアプリケーションでますます要求される高度な統合とともに、起動時および動作時の低消費電力を提供します。12MHzのArm Cortex-M4プロセッサおよびFPUに、384Kbyteのフラッシュ、160KbyteのSRAM、16Kbyteのキャッシュ、高精度アナログフロントエンド（AFE）、HARTモデムを組み合わせています（図5）。

図5：MAX32675Cマイクロコントローラに統合されたAFEとHARTモデムは、産業用および医療用センサの小型フットプリントと低消費電力の要件を満たすために必要なサブシステムを提供します。（画像提供：Analog Devices）

内部シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介してプロセッサと通信するAFEは、12ビットデジタル/アナログコンバータ（DAC）、16ビットまたは24ビット動作に設定可能なデュアル高精度ΔΣアナログ/デジタルコンバータ（ADC）など、産業用および医療用センサアプリケーションで一般的に必要とされる周辺回路を提供します。各ADCは、12チャンネルシングルエンドまたは6チャンネル差動動作に設定可能な12チャンネル入力マルチプレクサによって駆動される専用の1x～128x低ノイズプログラム可能ゲインアンプ（PGA）を備えています。

MAX32675Cは、4-20ミリアンペア（mA）センサとトランスミッタをベースとした低消費電力産業用フィールド機器の需要に特に適しています。実際、このマイクロコントローラは、4-20mAアプリケーションにおいて電力制限を超えないように明確に設計されており、マイクロコントローラが電力制限を維持するのが困難であった起動時の一般的な問題を解決します。

既存の多くの産業制御システムに不可欠な要件をサポートするため、AFEは完全なHARTモデムを提供し、4-20mAの電流ループを介した産業用フィールド機器の実装を簡素化します（図6）。

図6：MAX32675CマイクロコントローラのAFEには、標準的な産業用アプリケーションで既存の4-20mAフィールド計器をサポートする専用のHARTモデムが含まれています。（画像提供：Analog Devices）

MAX32675Cを使用することで、産業用アプリケーション開発者は、HARTモデムのSPI接続とArm Cortex-M4を通じて、フィールド機器の設定と制御を容易に行うことができます。

Analog Devicesは、ドキュメントやその他の開発リソースとともに、テストやプロトタイプ開発を迅速化するためのMAX32675EVKIT MAX32675C評価キットを提供しています。

エッジAIの新たな要件に対応

ますます多くの分野で効果的にアプリケーションを構築するために、開発者はインテリジェントな時系列処理や物体、言葉、顔の認識のためのAIアルゴリズムを効率的に実行するエッジデバイスを実装しなければなりません。Analog DevicesのMAX78000は、低消費電力という基本要件を維持しながら、これらの機能をサポートするために特別に設計されています。

先に説明した超低消費電力マイクロコントローラと同様に、MAX78000（図7）はArm Cortex-M4をベースに、FPUプロセッサ、512Kbyteのフラッシュ、128KbyteのSRAM、16Kbyteのキャッシュを搭載し、コアアプリケーションの実行要件を満たしています。エッジAIソリューションをサポートするために、MAX78000はプロセッシングサブシステムを以下の2つの追加リソースで増強しています。

• 超低消費電力の信号処理機能をシステムに提供する32ビットRISC-Vコプロセッサ
• エッジAIデバイスの新たな需要に対応する統合ハードウェアベースの畳み込みニューラルネットワーク（CNN）アクセラレータ

図7：FPUを備えたArm Cortex-M4と32ビットRISC-Vプロセッサを搭載したMAX78000マイクロコントローラは、CNNアクセラレータを統合し、エッジAIアプリケーションの推論性能を向上させます。（画像提供：Analog Devices）

MAX78000は、先にMAX32655について説明したのと同じ低消費電力動作モードとパワーダウンモードをサポートし、CNNはスリープモードと低消費電力モード、マイクロパワー、スタンバイ、バックアップモードでの状態保持、最終製品の保管と物流時に使用するパワーダウンモードを通じて利用可能な状態を維持します。

ここで取り上げた他のマイクロコントローラと同様に、MAX78000の高度な統合は、開発者が最小の部品点数（BOM）と最終製品のサイズの要件を満たすのに役立ちます。ADCと信号処理機能が統合されたMAX78000を使えば、キーワードスポッティング（KWS）や顔識別（FaceID）のようなエッジAIアプリケーションを迅速に実装することができます。

エッジAIの実装を簡素化するだけでなく、MAX78000の複数の電力モード、デュアルプロセッサ、ハードウェアベースのCNNの組み合わせにより、開発者は最小限の消費電力で高速な推論速度を実現できます。Analog Devicesのエンジニアは、MAX78000での電力最適化アプリケーションの研究において、性能を綿密に調査しました。¹

この研究の一環として、エンジニアリングチームは、標準的なエッジAIアプリケーションのモデルの重み（カーネル）のロード、入力データのロード、推論の実行にかかるエネルギー消費量と時間を測定しました。たとえば、20個のキーワードを持つKWS（KWS20）のケーススタディでは、開発者はArmプロセッサを単独で実行することで、異なるMAX78000の電力動作モードで実行しながら、ロード時間とエネルギー消費を削減できることが示されました（図8）。

図8：KWS20のケーススタディアプリケーションでは、特にArmプロセッサのみを使用した場合、クロック速度が高いほどロード時間が短くなるため、エネルギー消費量が少なくなることが示されました。（画像提供：Analog Devices）

また、アイドル時にArmプロセッサとRISC-Vプロセッサをスリープさせ、RISC-VプロセッサはローディングとCNN管理に必要な時間だけ起動させた場合のエネルギー消費量と時間への影響も調べました。ここでは、MAX78000の100MHzの内部一次発振器（IPO）と、低電力だが低速の60MHzの内部二次発振器（ISO）という、2つの異なるクロックソースを使用してパフォーマンスを比較しました。この結果、クロック周波数が低下すると、ローディングと推論のそれぞれに必要な完了時間が長くなるため、両者に関連するエネルギー消費は劇的に増加しました（図9）。

図9：KWS20のケーススタディでは、ローディングとCNN管理アプリケーションにRISC-Vプロセッサ単独でより高いクロック周波数を使用した結果、ローディングと推論時間が短縮され、エネルギー消費量が減少しました。（画像提供：Analog Devices）

Analog Devicesの研究チームは、特に高性能なArmプロセッサを使用して高クロックレートで動作させ、MAX78000の電力動作モードを適切に使用し、カーネルをメモリに保持することで、長時間のロード中にエネルギーが失われるのを防ぐことができるため、開発者は最小限の消費電力で高速推論を実現できると指摘しています。

Analog Devicesは、独自のエッジAIソリューションを設計する開発者向けに、MAX78000EVKIT評価キットやMAX78000FTHRフェザーボードを含むMAX78000開発リソースの包括的なセットを提供しています。MAX78000EVKITは、オンボードデジタルマイクロフォン、モーションセンサ、カラーディスプレイ、複数の接続オプションとともに、開発者が消費電力を最適化できるようにする電源監視機能を備えています。

ソフトウェア開発については、Analog DevicesのMAX78000 CNNツールセットリポジトリで、ドキュメント、開発ガイド、トレーニングビデオ、評価キットとフェザーボードをサポートするソフトウェアコードを提供しています。

まとめ

Analog Devicesは、効率的なプロセッササブシステムを基盤に、ウェアラブル、ヒアラブル、資産追跡、産業用・医療用センサ、エッジAIなどのアプリケーション固有の要件をサポートするために特別に設計された機能と性能を統合した超低消費電力マイクロコントローラのセットを提供します。開発者は、これらのマイクロコントローラとサポートリソースを使用することで、多様な低消費電力アプリケーションの特殊なニーズを満たす設計を迅速に実装することができます。

リファレンス：

1. MAX78000での電力最適化アプリケーションの開発