新品发布：STM32U3B5/C5，配备2 MB Flash存储器和HS，首款无需电池即可运行AI的超低功耗STM32微控制器

STM32U3B5/C5是首款配备2 MB Flash存储器和新型硬件信号处理器 (HSP) 的STM32U3器件。简而言之，HSP是一款嵌入式信号处理器，能够加速特定计算任务，从而基于我们这款超低功耗微控制器实现广泛的工业与AI应用。新款器件沿用了使STM32U3系列能效提升四倍的近阈值设计，而HSP的加入则为以往对器件整体能力要求过高的传感与机器学习程序开辟了新途径。我们专门撰写了一篇关于新型硬件信号处理器的配套博文，帮助感兴趣的读者理解性能提升的具体幅度，以及对STM32中文论坛的意义。


新品亮点：STM32U3B5/C5
STM32U3B5/C5与其他STM32U3器件的主要区别在于其集成的HSP。也正是因此，它配备了比以往型号翻倍的Flash存储器和640 KB的RAM——我们预期开发人员需要更大的存储容量来应对更复杂的应用和更大的数据集。新款器件还增加了一组接口，使SPI和I2C总数达到四组，I3C和CAN-FD各两组，UART达到五组。此外还增加了五个16位定时器，总数达到十个。STM32U3B5与STM32U3C5的唯一区别在于：后者包含一个加密内核，用于加速加密解密运算，并提供CCB功能（更多详情见后文）。

STM32U3系列为何特别？超低功耗与高能效
117 Coremark/mW

STM32U3

一个数字足以概括STM32U3的能效表现：117 Coremark/mW，突破了100这一象征性门槛，实打实地树立了业界的新标杆。事实上，大多数竞品中的佼佼者仍徘徊在100以下，同系列的STM32U5也只达到53.9。这一能效的大幅跃升，得益于我们的近阈值设计。我们专门撰写过一篇博文，深入探讨这一CMOS晶体管工作区域，许多厂商都在尝试利用，但由于其固有的技术挑战，长期以来一直未能成为主流。


最低0.65 V，最高105 ºC
简而言之，CMOS晶体管的近阈值导通发生在栅源电压接近阈值电压 (VT) 之时。在用于STM32U3这类微控制器的大多数器件中，该阈值为500 mV。绝大多数近阈值设计所采用的VGS约为700 mV甚至更高。近阈值导通本质上是一种因栅氧化层下残余漏电流流动而产生的扩散电流，因此晶体管的工作电压和温度范围受到严格限制。大多数竞品器件无法承受超过85 ºC的温度，这也解释了为何它们通常难以应用于工业场景。
STM32U3则与众不同。得益于在光刻工艺与制造环节的独特优化，意法半导体能够施加低至650 mV的电压。VGS越接近VT，最直接的好处就是有助于进一步降低内核电压VCORE，从而实现最低0.65 V、典型值0.75 V的工作电压。此外，由于漏电流远低于竞品方案，STM32U3支持高达3 V的工作电压以及105 ºC的工作温度。因而能够耐受更为严苛的环境。正因如此，STM32U3的独特之处在于：它使近阈值设计成为大多数工业应用中的主流方案。


自适应电压调节
近阈值设计中另一个常见问题是裸片内差异。由于近阈值区域对最微小的电压变化都非常敏感，同一片晶圆上不同裸片之间的差异会被显著放大。因此，针对每颗裸片的个体差异进行单独调校，既耗时又昂贵。为解决这一挑战，意法半导体在工厂层面部署了一套测试系统，能够在STM32器件上自动运行机器学习。我们称之为自适应电压调节。简单来说，我们的设备会测试每一颗裸片，然后由机器学习算法自动进行多维调整，以确保所有裸片的超低功耗表现一致。


多功能外设支持，无损成本效益
近阈值设计的另一个挑战是性能。因为内核电压VCORE较低，工作频率通常也会受限。但STM32U3并非如此，它搭载了以96 MHz运行的Cortex-M33。此外，尽管定价更具成本效益，我们仍然确保了工程师能够获得丰富的外设和定时器资源。具体来说，新款器件支持两个I3C总线、CAN-FD、一个Octo-SPI接口等。它还配备了16个定时器，其中包括两个用于电机控制应用的16位定时器，以及一个面向UI应用的触摸感应控制器。


为敏感和任务关键型应用提供稳健的安全保障
除了能效与性能，意法半导体还设计了面向安全与防护的STM32U3。因此，新款器件提供了高达1 MB的双BANK存储区Flash存储器，支持在不中断系统运行的情况下进行固件更新——这往往是任务关键型应用的核心要求。STM32U3还引入了CCB功能，通过使用独立总线安全地传输密钥（[相关专利已于2023年和2024年提交]）。此外，我们已同步更新了初始化工具STM32CubeMX。用户在激活随机数发生器后，可直接在加密选项列表中选择“CCB”，即可开始使用该功能。最终，STM32U3旨在满足PSA L3与SESIP3认证要求。


后续计划
为使STM32U3能够覆盖更多工业应用场景，我们提供了八种封装选项，这对于近阈值设计而言堪称独有。我们还同步推出了Nucleo开发板，助力开发人员快速搭建概念验证原型，或自行运行测试，以亲身验证其超低功耗表现。意法半导体合作伙伴计划成员中专注于牛群监测的SmaXtec已分享了他们的体会：
“STM32U3助力我们[SmaXtec]将硬件提升至新的水平。其在活跃模式下的功耗仅为几个µA/MHz，如此低的功耗帮助我们降低了现有数据处理算法的能耗，甚至还能在器件中集成更多新功能。尽管STM32U3在活跃模式下的改进极为显著，但其丰富的高级低功耗模式仍支持在无数据处理时让器件进入深度睡眠状态。新增的STOP3模式及其唤醒能力，更是降低功耗的巧妙方式。”
•        深入了解CMOS晶体管的近阈值区域
•        了解STM32U3