MIPS vs ARM vs X86 vs NPU: Hvilke hardwareregler for IoT-gateways?

Introduktion

En Internet of Things (IoT) gateway er en fysisk enhed eller et softwareprogram, der fungerer som forbindelsespunktet mellem sensorer, enheder og controllere i marken (kendt som noder) og skyen eller andre netværk. IoT-gateways letter kommunikation, dataflow og analyse mellem enheder.

Hardwareplatformen i en IoT-gateway er et afgørende valg, der påvirker ydeevne, strømforbrug, omkostninger, softwarekompatibilitet og mere. Der er fire store hardwarearkitekturer at overveje til IoT-gateways: MIPS, ARM, X86 og NPU’er (Neural Processing Units).

Valg af den rigtige platform afhænger af faktorer som behandlingskrav, strømbegrænsninger, økosystemunderstøttelse og brugssager. Denne artikel giver en dybdegående sammenligning af MIPS-, ARM-, X86– og NPU-platforme til IoT-gateways for at hjælpe dig med at bestemme den bedste løsning til dine behov.

MIPS

MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) er en RISC (reduced instruction set computer) instruktionssætarkitektur udviklet af MIPS Technologies. Det var en af de tidligste kommercielle RISC-arkitekturer og er blevet brugt i indlejrede systemer som routere, gateways og andre netværksenheder.

Styrker ved MIPS til IoT-gateways

  • Ydeevneeffektivitet – RISC-arkitekturen og pipeliningen tillader MIPS-kerner at udføre flere instruktioner pr. clock-cyklus, hvilket giver høj ydeevne selv ved lavere clock-hastigheder. Dette gør det energi- og omkostningseffektivt.
  • Realtidsegenskaber – MIPS har arkitektoniske funktioner som branch delay slots, der tillader deterministiske udførelsestider for realtidsapplikationer.
  • Skalerbarhed – MIPS understøtter flere kerner og gevind for fleksibel skalering. Arkitekturen har vist sig at være skalerbar op til 128 kerner.
  • Softwaremodenhed – MIPS har årtiers softwaresupport med modne operativsystemer som Linux, realtidsoperativsystemer og udviklingsværktøjer.

Svagheder ved MIPS til IoT-gateways

  • Kompleks instruktionssæt – Mens RISC har MIPS et større instruktionssæt end rivaler som ARM, hvilket øger hukommelsesfodaftrykket.
  • Mangler indbygget hukommelsesadministration – Ingen hukommelsesbeskyttelse eller virtuel hukommelseskapacitet, der kræver OS-understøttelse.
  • Ikke udbredt i IoT-endepunktsenheder – Selvom det er populært i infrastrukturen, mangler MIPS trækkraft i endpoint IoT-enheder kontra ARM.

Populære MIPS-baserede IoT-gateways

  • Linksys WRT1900ACS – En trådløs router til forbrugere, der bruger en 1,6 GHz dual-core MIPS CPU.
  • Alotcer AR7091 – En industriel IoT-router med 600 MHz MIPS CPU.
  • Juniper SRX Series – Sikker routerserie med højtydende multi-core MIPS CPU’er.
  • Cavium OCTEON – En familie af multi-core MIPS64-processorer rettet mod kablet og trådløs infrastruktur.

ARM

ARM refererer til instruktionssættets arkitektur og relaterede RISC CPU’er designet af ARM Holdings. ARM-kerner driver de fleste smartphones og tablets og bruges i vid udstrækning i indlejrede systemer.

Styrker ved ARM til IoT-gateways

  • Lavt strømforbrug – ARM-processorer er designet til strømeffektivitet for at aktivere batteridrevne enheder. Dette passer til IoT-endepunkter med lav effekt.
  • Lille siliciumfodaftryk – ARM-kerner har kompakte siliciummatricestørrelser, hvilket betyder lave chipomkostninger. En stor fordel for prisfølsomt IoT.
  • Økosystemunderstøttelse – Som den dominerende mobile processor drager ARM fordel af stærk økosystemunderstøttelse og tilgængelige softwarestakke.
  • Skalerbarhed – ARM understøtter flere kerner og arkitekturer, der skaleres fra små mikrocontrollere til applikationsprocessorer.

Svagheder ved ARM til IoT-gateways

  • Ingen indbygget understøttelse af virtuel hukommelse – ARM mangler fuld virtuel hukommelseskapacitet, der er afhængig af operativsystemer som Linux.
  • Realtidsydeevne ikke så stærk – Mens den forbedres, halter realtidsydelsen bagud efter MIPS. RTOS-understøttelse hjælper.
  • Lavere enkelttrådsydelse – Mere RISC-lignende pipeline betyder ARM-forsinkelser i enkelttrådsbehandling i forhold til MIPS og X86.

Populære ARM-baserede IoT-gateways

  • Raspberry Pi – Denne enormt populære single board computer bruger ARM CPU’er. Bruges ofte til gør-det-selv-gateways.
  • Beaglebone – Open source-hardware med enkeltbordscomputere, der bruger TI ARM-processorer.
  • Alotcer AR7091G – Multi-core ARM Cortex-A9-processor skræddersyet til industrielle IoT-gateways.
  • Qualcomm FSM90xx – Snapdragon IoT-modemplatform med integreret ARM-applikationsprocessor.

X86

x86-arkitekturen fra Intel og AMD dominerer notebooks, desktops og servere med høj ydeevne på tværs af enkelt- og flertrådede arbejdsbelastninger.

Styrker ved X86 til IoT-gateways

  • Behandlingsydeevne – X86 udmærker sig ved rå CPU-ydeevne til data- og netværksintensive gateways.
  • Kraftige kerner – Moderne 64-bit x86-kerner understøtter avanceret virtualisering, hukommelsesbeskyttelse og multi-threading.
  • Softwarekompatibilitet – X86 binære filer kører på de fleste operativsystemer uden portering, hvilket forenkler udviklingen.
  • Virtualiseringsunderstøttelse – Hardwarevirtualiseringsfunktioner, der er ideelle til multi-tenant gateways.

Svagheder ved X86 til IoT-gateways

  • Højt strømforbrug – Ydeevne kommer til en pris med høj termisk designeffekt, der er uegnet til batteri eller lavt energiforbrug.
  • Stort siliciumfodaftryk – Komplekse x86-kerner fylder mere matriceareal, hvilket øger omkostningerne i forhold til RISC-arkitekturer.
  • Overkill for enklere gateways – Kraftig x86 kan overprovisioneres, når implementeringen kræver en billig gateway med lavt strømforbrug.

Populære X86-baserede IoT-gateways

  • Intel Atom E3800 – Low power x86 SoC’er til indlejrede IoT-gateways.
  • Intel Xeon D – Server-klasse processor, der giver høj ydeevne til krævende gateways.
  • Jetway NF9D-2780 – Atom-baseret indlejret boks til industriel IoT.
  • ADLINK IXG-100 – Robust x86-gateway inklusive virtualiseringsfunktioner.

NPUs

En Neural Processing Unit (NPU) er en processor, der er skræddersyet til maskinlærings-arbejdsbelastninger. NPU’er accelererer opgaver som neurale netværks-inferencing, mens de er mere strømeffektive end genbrug af GPU’er eller FPGA’er.

Styrker ved NPU’er til IoT-gateways

  • Inferencing acceleration – NPU’er fremskynder ML inferencing, ideel til billed- og talebehandling på kanten.
  • Lav effekt – Designet til at give høje TOPS/Watt (billioner af operationer pr. sekund pr. watt) til kantinferencing.
  • Hardwareacceleration – Offload ML-inferencing fra hovedapplikationsprocessoren for større effektivitet.
  • Optimeret til neurale netværk – I modsætning til GPU’er er NPU’er designet specifikt til neurale netværksmodeller.

Svagheder ved NPU’er til IoT-gateways

  • Snævert fokus – NPU’er mangler den generelle programmerbarhed af CPU’er eller fleksibilitet af GPU’er. De nuværende NPU’er er ML-inferensacceleratorer.
  • Stadig moden teknologi – NPU-kapaciteter og softwareunderstøttelse udvikler sig stadig sammenlignet med etablerede CPU’er og GPU’er.
  • Udfordringer med modelportabilitet – Modelkvantisering og andre optimeringer, der er nødvendige for at drage fordel af NPU-udførelse.

Populære NPU-baserede IoT-gateways

  • Intel Movidius – Dedikeret synsbehandlingsenhed tilføjer neural inferencing til gateways.
  • NVIDIA Jetson Xavier – Kombinerer ARM CPU med Tensor Core NPU til edge AI.
  • Google Edge TPU – ASIC-accelerator designet til at køre TensorFlow Lite ML-modeller.
  • Xnor.ai AI2GO – Low-power edge enhed med integreret binært neuralt netværk NPU.

Sammenligning af de fire platforme

MIPS vs ARM

  • MIPS har højere enkelttrådet ydeevne, mens ARM udmærker sig ved laveffekt multi-core designs.
  • MIPS har stærke realtidsegenskaber, mens ARM understøtter et bredere økosystem inklusive slutpunktsenheder.
  • MIPS driver højtydende kablede gateways, mens ARM dominerer i det batteridrevne endepunktsrum.

MIPS vs X86

  • X86 giver et meget højere ydeevne på bekostning af større strømbehov.
  • MIPS tilbyder respons i realtid og deterministisk adfærd, der ikke findes i X86.
  • X86 understøtter avanceret virtualisering og hukommelsesstyring, der mangler MIPS.

MIPS vs NPU

  • MIPS er en generel CPU, mens NPU’er accelererer et snævert udvalg af ML-inferencing-arbejdsbelastninger.
  • MIPS kan håndtere overordnet gateway-systemkontrol og netværksfunktionalitet ud over NPU’s speciale.
  • NPU’er komplementerer et MIPS-system ved at aflaste neurale netværk, så MIPS kan håndtere operativsystemet og de resterende opgaver.

ARM vs X86

ARM vs X86

  • ARM lægger vægt på strømeffektivitet, som X86 er mindre fokuseret på. ARM udmærker sig i endpoint-enheder med lavt strømforbrug.
  • X86 giver betydeligt højere CPU-ydeevne, men har store strøm- og omkostningsmæssige ulemper.
  • ARM er afhængig af OS-virtualisering, mens X86 har robuste hardware-virtualiseringsmuligheder.

ARM vs NPU

  • Som med MIPS giver ARM generelle beregningsmuligheder, som NPU’er mangler.
  • For AI-aktiverede gateways kombinerer ARM + NPU softwarefleksibilitet med ML-acceleration.
  • ARMs styrke i laveffekt-endepunkter komplementerer den høje effektivitet af NPU-silicium.

X86 vs NPU

  • X86 er en fuldt programmerbar CPU, mens NPU’er blot accelererer neurale netværksinferencing.
  • NPU’er kan aflaste ML-opgaver fra X86 med lavere effekt, velegnet til edge-gateways.
  • X86 overordnede ydeevne meget højere, men NPU’er er bedre optimeret til AI edge-arbejdsbelastninger.

Faktorer at overveje, når du vælger en hardwareplatform

At vælge den rigtige hardwareplatform indebærer en afvejning af en række overvejelser:

Krav til ydeevne

  • Behandlingskravene til målarbejdsbelastninger påvirker valget af MIPS-, ARM-, X86- eller NPU-arkitektur.
  • Data- og netværksintensive arbejdsbelastninger kan have brug for den høje ydeevne fra X86.
  • MIPS, ARM og NPU’er giver også forskellige ydelsesmuligheder, der passer til mange gateways.

Begrænsninger i strømforbruget

  • Batteridrevne eller lavenergi-gateways favoriserer ARM-effektivitet eller tilføjer dedikerede NPU-processorer.
  • MIPS giver ydeevne ved beskedne effektniveauer.
  • X86 er den mindst strømeffektive arkitektur.

Omkostninger

  • MIPS og ARM har omkostningsfordele for enklere gateways på grund af deres mindre siliciumstørrelse.
  • X86 giver ydeevne, men til højere silicium- og systemomkostninger.
  • Tilføjelse af dedikeret NPU-silicium øger omkostningerne, men kan optimere den samlede effekt.

Kompatibilitet med software

  • X86 tillader genbrug af softwareaktiver som VM’er og containere udviklet til servere.
  • MIPS og ARM kan kræve noget softwareporting og optimering.

Støtte til økosystemet

  • X86 nyder godt af omfattende økosystemstøtte til generelle formål.
  • ARM har robust mobil og indlejret enhedssupport.
  • MIPS og NPU’er har mindre omfattende support i øjeblikket.

Casestudier

Smart kamera med AI-behandling

For et batteridrevet smart kamera, der udnytter maskinlæring til billedanalyse, giver en ARM + NPU-kombination mening. ARM leverer en applikationsprocessor med lavt strømforbrug, der håndterer generelle systemopgaver, mens NPU’en accelererer neurale netværksinferens effektivt.

Industrial Asset Monitoring GatewayARM leverer en applikationsprocessor med lav effekt, der håndterer generelle systemopgaver, mens NPU’en accelererer neurale netværksinferencing effektivt.

En industriel IoT-gateway til realtidsovervågning af aktiver ville have stor gavn af MIPS-arkitekturen. MIPS giver fremragende realtidsydelse til industriel kontrol, samtidig med at effektiviteten bevares ved beskedne arbejdsbelastninger.

Edge-gateway til flere lejere

En multi-tenant edge gateway, der understøtter flere virtuelle lejere, kræver stærke virtualiseringsmuligheder. En x86-platform ville være ideel her, der udnytter hardware-assisteret virtualisering og ydeevne til at isolere arbejdsbelastninger.

Smart Home-hub

Inden for omkostningsfølsomt forbruger-IoT er det vigtigt at vælge en billig, men dygtig platform. En ARM Cortex-M mikrocontroller giver nok ydeevne til en smart home hub til meget lave omkostninger og kraft.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er forskellen mellem en mikrocontroller og en mikroprocessor?

  • Mikrocontrollere som Cortex-M integrerer processorkerner med periferiudstyr som hukommelse, I/O, timere osv. i en enkelt chip. Mikroprocessorer er bare selve processoren/CPU’en.

Hvad er et system-on-a-chip (SoC)?

  • En SoC integrerer et helt computersystem i en enkelt chip. SoC’er indeholder mikroprocessorkerner plus yderligere komponenter som hukommelse, lager, I/O, modemer og mere.

Hvad er forskellen mellem 32-bit og 64-bit arkitekturer?

  • 32-bit kan kun behandle 32 bit data pr. instruktion, mens 64-bit kan behandle 64 bit databredder for højere ydeevne. 64-bit giver også mulighed for større hukommelsesadressering.

Hvad er et operativsystems rolle i en IoT-gateway?

  • OS administrerer hardwareressourcer, planlægger opgaver, leverer tjenester som netværksstakke og filsystemer, implementerer sikkerhedsfunktioner og muliggør udvikling af applikationer på højt niveau.

Hvad er nogle populære IoT-gateway-operativsystemer?

  • Linux- og Linux-baserede distributioner som Ubuntu er populære open source-valg. Real-time operativsystemer som FreeRTOS er også meget brugt. Microsoft Azure Sphere OS bringer sikkerhedsfokus.

Hvad er nogle sikkerhedsovervejelser for IoT-gateways?

  • Sikker opstart, pålidelige eksekveringsmiljøer, kryptoacceleration og central styring er nøglen til at sikre både gatewayen og tilsluttede enheder.

Konklusion

At vælge den rigtige hardwarearkitektur til en IoT-gateway involverer balancering af afvejninger mellem ydeevne, strøm, omkostninger, økosystemunderstøttelse og krav til brugssituationer.

MIPS giver en stærk kombination af respons i realtid, strømeffektivitet og softwaremodenhed til moderate omkostninger. Det udmærker sig i kablede industrielle gateway-produkter.

ARMs popularitet inden for indlejret og mobilt udstyr giver det et robust økosystem til lave omkostninger og lavt strømforbrug gateways, især batteridrevne endpoint-enheder.

X86 leverer fremragende ydeevne og virtualiseringsmuligheder til krævende gateways, men har høje effekt- og omkostningsmæssige ulemper.

NPU’er er en ny teknologi, der kan accelerere maskinlærings-inferencing som et supplement til konventionelle CPU-arkitekturer i AI-aktiverede gateways.

Ved at forstå disse platformes kernestyrker og -svagheder kan IoT-produktdesignere vælge det rigtige hardwarefundament til deres specifikke behov for ydeevne, omkostninger og brugssituationer, når de bygger næste generation af intelligente gateways.