“物超人”拐點(diǎn)已顯現(xiàn)！一文解讀十大物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)和技術(shù)趨勢

2023年，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)風(fēng)起云涌。在10月10日迪拜舉辦的第十四屆全球移動寬帶論壇上，華為高級副總裁、運(yùn)營商BG總裁李鵬表示，在5G NR和NB-IoT等技術(shù)支持下，全球移動物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)突破30億，“物超人”拐點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)。

盡管全球貿(mào)易緊張局勢持續(xù)，而且某些地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長放緩，但是半導(dǎo)體市場在今年第一季度到第二季度出現(xiàn)了微妙的復(fù)蘇跡象。高通、英飛凌、博通、聯(lián)發(fā)科等主要半導(dǎo)體公司的物聯(lián)網(wǎng)收入普遍上升，目前已經(jīng)超過收入的10%，在某些情況下超過20%。IoT Analytics發(fā)布最新的十大物聯(lián)網(wǎng)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和技術(shù)趨勢，本文進(jìn)行詳細(xì)解讀。


在這里，首先非常高興的通知大家！由電子發(fā)燒友和慕尼黑華南電子展聯(lián)合主辦的2023第十屆IoT大會將于2023年10月30日-31日在深圳國際會展中心（寶安新館）舉行。希望了解IoT行業(yè)最新市場趨勢和技術(shù)走向，與ST、高通、博世、ARM、中移物聯(lián)、華邦、奉加科技等企業(yè)大咖面對面交流物聯(lián)網(wǎng)新品和解決方案的工程師、采購商和電子上下游伙伴們，一定不要錯過這場盛會。

趨勢一、基于Chiplet小芯片架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廣泛使用

半導(dǎo)體芯片 OEM/ODM 正在采用基于小芯片的架構(gòu)。Chiplet 是一種設(shè)計(jì)概念，可以在單個封裝中使用具有不同工藝節(jié)點(diǎn)尺寸的多個芯片。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)并縮短上市時(shí)間，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。小芯片非常適合復(fù)雜程度各異的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從一次性 RFID 標(biāo)簽到集成傳感器、人工智能芯片、處理、內(nèi)存和連接的高級駕駛員輔助系統(tǒng)。

2022 年 11 月，AMD 推出了 Radeon RX 7900 XTX 和 Radeon RX 7900 XT 顯卡。這些尖端顯卡采用 AMD 的下一代 RDNA 3 架構(gòu)，采用結(jié)合了 5nm 和 6nm 工藝節(jié)點(diǎn)的小芯片設(shè)計(jì)，每瓦性能比 RDNA 2 提高多達(dá) 54%，人工智能性能提高 2.7 倍。

趨勢二、RISC-V在物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用增加

2010年誕生于美國伯克利大學(xué)的RISC-V，是一種指令集標(biāo)準(zhǔn)，而指令集標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)處理器芯片的基礎(chǔ)。近些年RISC-V發(fā)展迅速。如今，市場上已有超過100億個RISC-V核心，2025年RISC-V架構(gòu)芯片有望突破800億顆。

許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備公司在設(shè)計(jì)芯片時(shí)正在轉(zhuǎn)向開放標(biāo)準(zhǔn)指令集架構(gòu)RISC-V。RISC-V是節(jié)能和可定制的，并且由于其透明，開源的性質(zhì)和ISA一致性而被認(rèn)為是安全的。其模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)高效的資源利用，這對于不同的物聯(lián)網(wǎng)部署來說具有成本效益。
華為海思自研了RISC-V模擬電視（ATV）主處理芯片，小米生態(tài)鏈企業(yè)華米科技發(fā)布了RISC-V可穿戴處理器，紫光展銳發(fā)布了針對TWS藍(lán)牙耳機(jī)的春藤5842和春藤5882。

2023年8月4日，高通、NXP、英飛凌、博世和Nordic五家半導(dǎo)體廠商宣布達(dá)成合作，共同投資成立一家RISC-V公司，推進(jìn)RISC-V下一代硬件的開發(fā)。這家公司成立的目的是加快基于RISC-V的創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)和商業(yè)化，它將作為可用于半導(dǎo)體行業(yè)的基于RISC-V的產(chǎn)品，參考架構(gòu)和解決方案的單一來源。

趨勢三、將冷卻技術(shù)引入芯片/PCB，以設(shè)計(jì)更小節(jié)點(diǎn)芯片

芯片尺寸縮小是大勢所趨，臺積電已將芯片工藝制程縮小至3nm和2nm，這一趨勢預(yù)計(jì)將推動物聯(lián)網(wǎng)和通用 AI 芯片的發(fā)展，并帶來了三個不同的問題：

一、更高的功率密度：更小、更先進(jìn)的芯片具有更高的功率密度，并且，由于在更小區(qū)域中增加了電路而產(chǎn)生更多的熱量。
二、減少散熱表面積：
三、熱阻：較小外形尺寸也會導(dǎo)致芯片本身的熱阻較高。隨著芯片縮小，熱量傳播和消散的空間就會減少，從而導(dǎo)致熱阻增加。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體公司正在開發(fā)和采用多種冷卻技術(shù)，以管理和幫助散發(fā)運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量，包括：散熱器、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)、液體冷卻、均溫板、相變冷卻和熱電冷卻。

趨勢四、物聯(lián)網(wǎng)處理器的創(chuàng)新聚焦節(jié)能

隨著處理器在性能、連接性和緊湊性方面的進(jìn)步，對能效的需求也隨之提高。為了應(yīng)對這種需求，基于超低功耗MCU的SoC正在興起。公司正在利用創(chuàng)新的節(jié)能方法來延長電池壽命并優(yōu)化性能。

2023年3月，意法半導(dǎo)體公司宣布推出STM52WBA5，這款芯片將藍(lán)牙LE（BLE）3.3連接與超低功耗模式、ARM PSA認(rèn)證的3級和SESIP33安全性以及面向開發(fā)人員的多種外設(shè)相結(jié)合。

它是基于ST現(xiàn)有的STM32U5平臺開發(fā)，加上其ULP射頻和Arm Cortex M33 100MHz內(nèi)核，讓STM32WBA52具有了高效和超低功耗。STM52WBA90 MCU具有意法半導(dǎo)體的低功耗DMA和靈活的省電狀態(tài)以及快速喚醒時(shí)間。根據(jù)意法半導(dǎo)體的公告，這些功能可以將MCU功耗降低多達(dá)90%。

同樣在今年3月，安森美半導(dǎo)體公司推出了NCV-RSL15，這是一款汽車級無線微控制器。NCV-RSL15的一個顯著成就是其通過EEMBC認(rèn)證為業(yè)界最低功耗安全的無線微控制器。為了最大限度地降低功耗，NCV-RSL15 集成了專有的智能感應(yīng)電源模式，可在低至 36 nA 的電流下工作。該微控制器因其藍(lán)牙連接而脫穎而出，專為各種應(yīng)用量身定制，例如智能車輛訪問，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（或TPMS）和安全帶檢測。

趨勢五、增強(qiáng)蜂窩和衛(wèi)星通信連接，簡化運(yùn)營和提升物聯(lián)網(wǎng)覆蓋

輕量化5G Redcap或 5G NR-Light 在 3GPP 第 17 版中引入，作為需要中端物聯(lián)網(wǎng)連接的物聯(lián)網(wǎng)用例的新規(guī)范。5G RedCap提供了吞吐量、電池壽命、復(fù)雜性和 IoT 設(shè)備密度的平衡。

目前，中端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠LTE Cat4實(shí)現(xiàn)廣域無線連接和移動性。5G RedCap將直接與LTE Cat4競爭此類中端情況，因?yàn)樗陬愃频?0 MHz帶寬上運(yùn)行，并在下行鏈路和上行鏈路中分別提供150和50 Mbps的類似吞吐量。LTE Cat4作為上一代技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)支持的壽命相對較短，而5G RedCap作為下一代技術(shù)，將具有更長的壽命。

此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場正在見證結(jié)合衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)的先進(jìn)連接解決方案的出現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的全球覆蓋和連接鋪平道路。這些應(yīng)用可以超越地面網(wǎng)絡(luò)的限制，并在全球范圍內(nèi)擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的覆蓋范圍。

今年3月，高通（Qualcomm）搶先業(yè)界，推出首款支持5G輕量化設(shè)計(jì)的Snapdragon X35調(diào)制解調(diào)器芯片后，移遠(yuǎn)通信隨后推出輕量化5G RedCap模組Rx255C系列。廣和通（Fibocom）宣布全球推出新的RedCap模塊系列FG132-NA。這些模塊提供了更高的能源效率，擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)場景的多樣性，并支持5G SA和與LTE Cat 4網(wǎng)絡(luò)的向后兼容性。

在MWC2023期間，廣和通推出了支持衛(wèi)星通信功能的模組MA510-GL（NTN），并聯(lián)合高通在展會現(xiàn)場進(jìn)行了NB-IoT融合NTN的業(yè)務(wù)演示。MA510-GL（NTN）符合3GPP Release 17演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，利用高軌GEO（地球靜止軌道）衛(wèi)星通信和全球LTE Cat.M/NB1/NB2蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接，具有功耗低、體積小、可靠性高等特點(diǎn)，能為海上運(yùn)輸、應(yīng)急通信、農(nóng)村地區(qū)的科學(xué)研究等全球物聯(lián)網(wǎng)場景提供豐富的應(yīng)用業(yè)務(wù)。

趨勢六、AI芯片在邊緣設(shè)備中的集成度不斷提高

隨著企業(yè)不斷尋找更快、更安全地做出更好決策的方法，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)隱私的需求正在迅速增長。這種需求推動了具有強(qiáng)大芯片組的新邊緣設(shè)備的開發(fā)，使AI應(yīng)用程序能夠在本地運(yùn)行，而無需將數(shù)據(jù)發(fā)送到云。

ST微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部(MDG)總裁Remi El-Ouazzane表示，STM32N6采用的是Cortex-55內(nèi)核，具有機(jī)器視覺處理能力與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速器，具有卓越的安全性能。這款處理器首次集成了ISP和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理（NPU）單元的MCU，采用了ST自行研發(fā)的NPU IP——Neural-Art加速器。而STM32N6之后，未來在STM32MP2上也會專門配備Neural-ART加速器。邊緣人工智能在整個行業(yè)發(fā)展中將會成為一個非常重要的方向。

趨勢七、本地工業(yè)硬件解決方案處理能力提升

一些工業(yè)自動化供應(yīng)商最近升級了他們的硬件，如IPC（工業(yè)個人計(jì)算機(jī)），具有更快的芯片組和功能。

這些升級使工業(yè)硬件能夠在本地存儲和分析數(shù)據(jù)，具有多核支持的IPC可以基于軟件的PLC。 2023年新芯片技術(shù)的例子包括英特爾的i9處理器（Raptor Lake）和英偉達(dá)的Jetson AGX。

2022 年 11 月，Beckhoff 宣布推出 C60XX 系列 IPC 的新成員 C6040，該設(shè)備基于英特爾全新的 Raptor Lake 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)更好的緩存，從而實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)時(shí)功能。2023 年 3 月，Beckhoff 重點(diǎn)介紹了其進(jìn)一步增強(qiáng)的 C6043 IPC，其中包括用于 AI 加速的 Nvidia RTX A4500 GPU。

趨勢八、在IoT網(wǎng)關(guān)中采用基于樹莓派和Arduinos的芯片組

隨著本地工業(yè)硬件解決方案中處理能力提高的趨勢，IoT網(wǎng)關(guān)制造商正在將基于Raspberry Pis和Arduino的系統(tǒng)納入其設(shè)備。

這些設(shè)備最初用于原型設(shè)計(jì)，由于其可負(fù)擔(dān)性、可用性和大型社區(qū)支持（主要由開發(fā)人員和愛好者組成），已進(jìn)入市場上的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決方案。

2023 年 1 月，Artila Electronic 發(fā)布了 Matrix-310。這是一款基于 Espressif ESP32 的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，采用 Xtensa 雙核 32 位 LX6 處理器，提供高達(dá) 240 MHz 的頻率。

趨勢九、RAN 加速器廣泛使用，正推動蜂窩通信設(shè)施采取開放式 RAN/vRAN 架構(gòu)

隨著通信運(yùn)營商繼續(xù)全球范圍內(nèi)推出5G商用，并且業(yè)界預(yù)計(jì)2030年6G開啟商用。他們對開放、靈活、虛擬和可編程的無線接入網(wǎng)絡(luò) （RAN） 基礎(chǔ)設(shè)施越來越感興趣，以提高性能、可擴(kuò)展性和成本節(jié)約。幫助推動 RAN 性能的是 RAN 加速器，這是旨在增強(qiáng)RAN性能的定制硬件組件或軟件模塊。它們可以基于 FPGA、GPU 或 ASIC，用于從系統(tǒng)中的通用處理器卸載處理任務(wù)。

2023 年 4 月，英特爾推出了最新的第四代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，采用英特爾 vRAN Boost 技術(shù)，該芯片旨在直接在英特爾至強(qiáng) SoC 上集成 5G 和 4G 的 vRAN 加速。該處理器已經(jīng)過優(yōu)化，可提高數(shù)據(jù)包和信號處理、負(fù)載平衡、AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)以及電源管理實(shí)施的性能。

因此，不再需要自定義第 1 層加速器卡。通過消除對外部加速器卡的需求，CSP 可以降低其 vRAN 的組件要求。這反過來又可以顯著節(jié)省計(jì)算能力，簡化解決方案設(shè)計(jì)，并降低CSP的總擁有成本。

趨勢十、從芯片到云端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)進(jìn)步

隨著物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)攻擊和未經(jīng)授權(quán)訪問的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。物聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)供應(yīng)商正在積極將安全功能整合到其產(chǎn)品中，并遵守行業(yè)特定的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。其中一套標(biāo)準(zhǔn)是IEC 62443系列OT標(biāo)準(zhǔn)。獲得此認(rèn)證的產(chǎn)品必須從設(shè)計(jì)的早期階段就符合特定的產(chǎn)品開發(fā)要求。

2023 年 10 月，Eurotech 公司宣布其 ReliaGATE 14–62443 多業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)關(guān)符合 IEC IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)，并按照以下法規(guī)進(jìn)行了組件級安全性測試，這包括兩個部分：一是IEC 62443-4-1，定義了安全產(chǎn)品開發(fā)流程；二是IEC 62443-4-2，定義了嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組件、主機(jī)組件和軟件應(yīng)用程序的技術(shù)要求。它也是PSA認(rèn)證的1級，在PCB上嵌入了TPM 2.01C。

隨著eSIM 和 iSIM 技術(shù)正在興起，越來越多的供應(yīng)商正集成這些技術(shù)，以保護(hù)使用蜂窩連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這些技術(shù)結(jié)合了嵌入式安全元件，與傳統(tǒng) SIM 卡相比，提供了更先進(jìn)的安全性。嵌入式安全元素充當(dāng)了硬件的信任根，用于非對稱加密，確保了安全的端到端通信。