2022年嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新解決方案

新冠疫情為電子產(chǎn)業(yè)的工程師和高管們帶來了諸多挑戰(zhàn)。盡管在人員、物流和供應(yīng)鏈多方面都遭遇了困難，業(yè)界的創(chuàng)新依然沒有停止。讓我們看看最新的創(chuàng)新芯片和解決方案都有哪些。近兩年間，購買芯片是一件很困難的事情，但是從今年的貿(mào)易情況來看，全球的設(shè)計團隊展現(xiàn)了強大的活力。研發(fā)新產(chǎn)品的熱情可能源自線下展會的恢復(fù)，更進一步的分析表明，許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了真正的進步，從小型模擬芯片到能夠改變汽車產(chǎn)業(yè)的芯片技術(shù)。

#01「 汽車的性能和安全 」

汽車產(chǎn)業(yè)的未來在于銷售有著機械外殼的軟件，這已經(jīng)是公認的事實了。軟件定義汽車（SDV）會讓這變成現(xiàn)實，汽車在其生命周期中會不斷接受軟件升級，并實現(xiàn)新的功能。寶馬已經(jīng)開始提供功能即服務(wù)（FaaS），在英國，座椅加熱需要按月付費，這將大幅改變汽車電子，特別是軟件的開發(fā)過程。

與其說為每一個功能增加一個電子控制單元（ECU），比如升降窗，現(xiàn)在多個功能會被整合到幾個強大的控制器中。這些控制器由車載以太網(wǎng)相互連接，安裝在一臺在高性能計算機（HPC）的周邊。車載以太網(wǎng)就是我們熟知的以太網(wǎng)協(xié)議的單對實現(xiàn)，采取這一方式時不能犧牲汽車安全等級（ASIL）安全要求。

恩智浦先進的S32Z和S32E實時處理器（見圖1）運用多核芯片實現(xiàn)了汽車上關(guān)鍵的可確定性要求，在符合ASIL D的同時達到了前所未聞的1GHz時鐘速率。芯片上有8個Arm Cortex-R52，它們可以各自獨立運行，也可以協(xié)同運轉(zhuǎn)。例如，一個Arm Cortex-M33專門進行系統(tǒng)管理，另外兩個為CAN FD汽車通信提供加速。最后一個Arm Cortex-M7控制硬件安全引擎（HSE）的功能，HSE是一個安全系統(tǒng)的重要組成部分。

#02「 從核心到引腳的虛擬化」

片上系統(tǒng)（SoC）為了同時支持多功能，其上搭載了虛擬機監(jiān)視器，這讓SoC可以獨立運行多個操作系統(tǒng)（通常為POSIX和AUTOSAR兼容的操作系統(tǒng)）。運行虛擬機監(jiān)視器的處理器通過內(nèi)存管理單元（MMU）將這些OS相互分開，并且分配硬件，比如將USB設(shè)備連接到正確的OS和分享同一個以太網(wǎng)口。不過，S32Z和S32E并不是如此。

這兩款芯片支持從核心到引腳的虛擬化，意味著OS的外設(shè)分配在硬件中實現(xiàn)，這降低了軟件開銷，簡化了分配過程，并確保一個OS上的失效不會影響另一個OS。這一特性還支持進行通用I/O（GPIO）操作時，虛擬OS需要的寄存器引腳能夠配置成一個專門的虛擬寄存器（OS不會看到物理寄存器的全部引腳）。

圖1 恩智浦的S32系列實時處理器針對新的軟件定義汽車架構(gòu)開發(fā)，支持從核心到引腳的虛擬化（來源：恩智浦）

現(xiàn)有的芯片基于16納米技術(shù)制造，但是Global Product and Solutions Marketing的總監(jiān)Brian Carlson認為，未來芯片制造將會基于5納米技術(shù)。業(yè)界已經(jīng)認識到了這類芯片的重要性，博世工程副總裁Axel Aue表示：“這些芯片相比嵌入式NVM MCU的性能增長超過兩倍。”此外，恩智浦的芯片贏得了嵌入式世界（Embedded World） 2022硬件獎。隨著汽車電氣化和電子化的不斷推進，它們背后的技術(shù)值得關(guān)注。

#03「 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的單對以太網(wǎng)」

工廠中大量的線纜和連接器很明顯有改進的空間。目前，根據(jù)不同的價格、安全要求和特定應(yīng)用的需求，市面上有著數(shù)量眾多的現(xiàn)場總線標準。其中的大多數(shù)不支持多點線路，這意味著許多線纜會直接連接到一個可編程邏輯控制器（PLC）上。通過利用單對以太網(wǎng)（SPE）能夠改善這一情況，SPE是在已有的以太網(wǎng)標準上制定的一系列擴展標準。

直到現(xiàn)在，只有微控制器整合了和SPE相關(guān)的硬件。OnSemi的NCN26010的發(fā)布改變了這一點，它是一個獨立的10BASE-T1S SPE控制器，整合了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的支持。這個設(shè)備可以通過串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議連接到一個包含驅(qū)動程序的標準微控制器/嵌入式處理器芯片上（一般運行Linux或FreeRTOS），比如樹莓派?？刂破髦С肿钌?個25米以上距離的多點線路節(jié)點，如有需要，支持最多40個節(jié)點和更遠的距離。

為了在有很多電氣噪聲的工廠中保持可靠性，芯片使用一系列創(chuàng)新的噪聲隔絕措施。數(shù)據(jù)鏈路層還有可選的IEEE 物理層物理層防沖突（PLCA）標準，通過輪詢仲裁避免沖突，能夠提高網(wǎng)絡(luò)利用率到幾乎100%。

#04「 助力物聯(lián)網(wǎng)」

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的增長，我們很自然地會質(zhì)疑，只使用電池作為設(shè)備電源是否合適。位于荷蘭代爾夫特的無晶圓廠半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)公司Nowi專門研究了這一問題，他們最新的電源管理集成電路（PMIC）NH16D3045（代號“硅藻”）是一個面向低功耗應(yīng)用的能源收集解決方案（見圖2）。它能夠運用多種電能來源（太陽能電池板、熱電發(fā)電機和壓電器件的振動等）向毫瓦和微瓦級設(shè)備供電，特別是智能可穿戴設(shè)備和無線傳感器。Nowi已經(jīng)搭建了多個演示原型，包括電子貨架標簽和電視遙控器。

圖2 來自無晶圓廠創(chuàng)業(yè)公司Nowi的“硅藻”PMIC讓你可以從多種不同的電能來源中高效地收集能源

當(dāng)然，收集到的能源首先要被存儲起來，設(shè)備才能夠之后使用。TDK發(fā)布了新的存儲技術(shù)CeraCharge（見圖3），這一固態(tài)存儲解決方案運用鋰基氧化物多層電池，將鋰鐵電池和多層電容器的優(yōu)點結(jié)合在一起。此類電池不會泄漏或者爆炸，所以即使在真空中也可以安全使用。電池大小和1812多層陶瓷電容器（MLCC）的尺寸一致，是類似的超級電容電池大小的十分之一，可以直接貼片并采用典型的回流焊法，一千次充電循環(huán)后電池還可以提供原有容量的80%。CeraCharge 1812的典型電壓為1.5V，容量為100微安時，運行時環(huán)境溫度范圍為零下20到80攝氏度。電池的10C放電速率讓它可以支持藍牙低功耗（BLE）信標。

圖3 TDK的可充電固態(tài)表面貼裝電池CeraCharge運用了鋰基氧化物多層結(jié)構(gòu)

#05「 物聯(lián)網(wǎng)之星」

IoT的另一個挑戰(zhàn)是各種不同的技術(shù)各自為政，例如IoT平臺和無線網(wǎng)絡(luò)，針對類似的問題有10個不同的應(yīng)用。IoT Stars（物聯(lián)網(wǎng)之星）是一個旨在解決這一問題的社交組織，在業(yè)界舉辦貿(mào)易會時他們會組織線下活動。Lauren Slats在解釋IoT Stars的社交活動如何幫助人們共同探索IoT產(chǎn)業(yè)的共同問題。

IoT Stars開發(fā)者關(guān)系部的Lauren Slats解釋道，他們?yōu)镮oT的開發(fā)者和供應(yīng)商提供分享經(jīng)驗的平臺，無論是低功耗設(shè)計，平臺整合，還是無線技術(shù)。本文截止時，他們的下一個活動將會在巴塞羅那的世界移動通信大會（MWC）期間舉行。

Rachel Taylor是IoT Stars社區(qū)的另一位成員，在嵌入式世界（Embedded World）期間的IoT Stars活動中她宣布了新的創(chuàng)業(yè)公司Nubix。Rachel擔(dān)心IoT設(shè)備過于依賴于傳統(tǒng)的部署過程，而沒有充分利用云服務(wù)，其結(jié)果是空中升級（OTA）和新應(yīng)用的部署都十分困難。Nubix正在搭建一個針對邊緣應(yīng)用中Arm Cortex-M微控制器的原生應(yīng)用平臺。平臺中有一個實時操作系統(tǒng)（RTOS）和一個運行時層，應(yīng)用程序在“小型的容器”中作為服務(wù)部署。當(dāng)有互聯(lián)網(wǎng)連接時，平臺的協(xié)調(diào)中心（Orchestration Hub）可以收集數(shù)據(jù)和對服務(wù)進行升級（見圖4）。

圖4 Nubix希望通過協(xié)調(diào)中心和容器技術(shù)簡化標準微控制器上IoT功能的部署（來源：Nubix）

#06「 新的閃存格式」

小型和客戶端PC在節(jié)約空間的同時，性能還足夠支持上網(wǎng)和偶爾寫作的需要，但是它們集成到主板上的閃存實際上限制了設(shè)備的生命期，隨著OS的增大和數(shù)據(jù)的增多，最終設(shè)備上用來升級的空間會被耗盡。在未來，這也可能影響汽車和其他應(yīng)用。XFMEX-PRESS（見圖5）可以解決這一問題，它是來自Kioxia的一個新的閃存格式，看上去和SD卡類似，支持PCIe和NVMe，因此接口和M.2 SSD類似。但是XFMEX-PRESS不僅僅是一個可移動數(shù)據(jù)設(shè)備，還是可替換的。它的厚度僅為1.4毫米，可以牢靠地安裝到一個翻蓋的插座中，支持最大1024GB。為了被更廣泛地采用，這項技術(shù)被定義為JEDEC標準。

圖5 Kioxia的XFMEX-PRESS是針對瘦客戶端和小型PC的可替換存儲設(shè)備（可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接到電路板上的閃存）

#07「 處理器設(shè)計變得更簡單」

開發(fā)RISC-V核心的好處之一是可以針對特定的算法添加自定義的指令，現(xiàn)在供應(yīng)商提供一系列支持自定義的標準核。不過，新的指令還是需要程序員用內(nèi)聯(lián)匯編語言進行編寫，當(dāng)然意味著源代碼需要改動。Codasip于2014年成立，是一家總部在德國的公司，他們在L31嵌入式RISC-V核上演示了新指令的自動生成。公司首席市場官（CMO）Rupert Baines解釋道，通過Tensor Flow Lite對MNIST手寫數(shù)字數(shù)據(jù)集進行辨識時，Codasip的軟件可以確認處理器計算的熱點，兩個新的指令會被整合到核心中，幫助加速數(shù)字的辨識。同樣的代碼接下來使用自定義的L31核，推理時間就可以改善80%。Rupert Baines解釋道，向RISC-V核中添加并使用新的指令可以變得很簡單

機器學(xué)習(xí)的另一個重要問題是需要強大的圖形處理單元（GPU）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器（NNA）。創(chuàng)業(yè)公司在開發(fā)新的芯片時，IP核的授權(quán)費是一個大問題。這些公司經(jīng)常要從雇傭員工的資金中分出一部分用于授權(quán)費，這會影響公司的創(chuàng)新。RISC-V和GPU IP供應(yīng)商Imagination的Open Access項目旨在改善這一點，正在成長的公司不需要支付授權(quán)費即可使用四個PowerVR Series8XE GPU和三個Series3NX NNA。項目還包含技術(shù)支持和工具，幫助企業(yè)進行芯片創(chuàng)新，只當(dāng)產(chǎn)品上市時才會收取版稅。

#08「對抗偽造芯片」

新冠疫情期間最大的問題就是芯片的短缺以及偽造的芯片，一些偽造品可以一眼認出，但也有許多很容易被漏過。對于電子制造服務(wù)商（EMS）而言，他們?yōu)閿?shù)以千計的客戶提供服務(wù)，每周會供應(yīng)數(shù)以百萬計的組件，自然很難仔細進行檢查。創(chuàng)業(yè)公司Cybord開發(fā)的電子芯片分析和追溯平臺旨在解決這一問題，該平臺整合到生產(chǎn)線中，對每個組件進行拍照，并在數(shù)據(jù)庫中記錄其繳費編號和其他交貨數(shù)據(jù)，平臺接下來會用人工智能（AI）檢測芯片和被動元件等組件的異常。

Cybord的首席戰(zhàn)略官（CSO）Oshri Cohen表示，他們的平臺還可以評估其他問題，像是質(zhì)量欠佳的焊盤，或是同一個卷帶包裝中的產(chǎn)品有不同的日期代碼，操作員可以決定是否使用這些部件。平臺還會在數(shù)據(jù)庫中記錄每個產(chǎn)品上焊接有哪些組件，如果一個產(chǎn)品因為電容器的焊接問題而被退貨，制造商可以知道這一批電路板都用了哪些電容器，如果其他電容器的焊盤也有缺陷，制造商可以召回受影響的產(chǎn)品，而不是大批量進行召回，這樣的精確追溯能力還可以幫助減少電子垃圾。

#09「疫情期間的我們依然忙碌」

新冠疫情期間的各種限制讓整個產(chǎn)業(yè)停滯了很久，所以今年的進展也許更像是一時的假象。不過事實是，業(yè)界確實有很多新的公司、產(chǎn)品和平臺在用創(chuàng)新的方式解決問題。也許在家工作是工程師們一直想要的效率提升法！