物联网需要怎样的芯片设计

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1、物联网需要怎样的芯片设计物联网需要怎样的芯片设计物联网（IoT ）芯片设计听上去像是一个表面上很简单的主题。但更 深入一点，你就会发现IoT并不是单一的主题，所以肯定也就没有 什么特定类型的芯片可以在构成物联网的越来越多的应用和市场上 都有效。被囊括在IoT这个术语中的内容有传感器、各种类型的处理器、越 来越多的片上和片外存储器类型、许多I/O和接口 IP、芯片和 chiplets。封装这些器件的不同方法也在不断涌现，包括云中的定制 ASIC、各种各样的SoC、用于网络和服务器的2.5D芯片以及用于 MEMS 和传感器集群的 fan-out 晶圆级封装。此外，在开发用于越来越互连的汽车、医疗设

2、备和工业控制系统的芯 片上还存在安全性的考量。这会带来额外的复杂度和成本，另外还需 要额外的时间来设计、验证和调试这些设备。“IoT是某种包含许许多多不同应用的全面应用，”Synopsys的物联 网战略营销经理 Ron Lowman 说，“实际上，你能看到大量设计的 目标不只是覆盖一种应用，所以有时候你会有超集 （superset ）为一种特定的应用而过度设计，可以处理多种应用。这是一个不同的 情况。如果你看看移动领域或其它许多领域，它们更多是为一个特定 应用而进行优化，然后再复用，而IoT则有更多通用版本，而在一 些案例中，他们会进行专门的设计，然后尝试为其它市场重新利用它 们。另一个不同的

3、情况是有时候（也在变化）应用更广泛且更通用， 所以数量在增长。所以我们可以看到有更多针对特定应用的专门设计出现。比如你已经能在测量应用领域看到这个情况了，要远远更有针 对性。”简单来说，并没有出现几年前人们预测的商业设计规模下降。图1： IoT增长预测，来自 Gartner从高层面来讲，IoT就是将过去没有联网的事物连接到互联网，然 后基于此实现服务。”西门子一个业务部门 Mentor 的产品营销经理 Jeff Miller说，有很多东西会进入网络。为了实现它，你需要一个 三层架构一一服务器和云组件、在IoT边缘设备和云之间进行接口 的网关组件、构成互联网与真实世界之间的接的IoT边缘设备本

4、身。”重新定义边缘边缘设备的定义并不总是清楚明了。三年前，任何关于边缘设备的演 讲都总是会回到智能手表或连网的家用电器上，这些设备可以将各种 传感器收集到的数据通过某种电子网关发送到云端进行处理。尽管这 看起来是当时技术条件下合乎逻辑的进展，但实际上传感器生成的数 据太多了，将所有数据都发送到云进行处理是很浪费能量的，而且在 些案例中，发送数据的速度很慢。这就是IoT芯片设计让人困惑的地方。一方面，这些设备需要廉价。 但在一些市场中，它们也需要更可靠、更安全，还需要满足一些标准, 比如汽车领域的ISO 26262 或用于IIoT的0MAC 和OPC 工 业标准。这会导致成本增长，也会拉长这些设

5、备上市的时间。除此之 外，尤其是在移动电子产品领域，这些系统需要非常低功耗以节省电 池寿命。这需要复杂的电源管理，因此又进一步增加了价格和复杂性。 而且不管其特定的任务是什么，要完成这个任务，它们又还需要足够 的性能。“所以地方都必须创新，”ARM 的IoT Service Group 总裁Dipesh Patel说，“其中包括功率、不动产和成本。今天我们看到的芯片是 在 55nm 和 40nm 节点。迁移到 40nm 和28nm 节点会带来更 多成本节省。随着MCU的摩尔定律发展，成本还会继续下降。为了更安全，它们还必须迁移到32位，这也让它们可以进入到更多现 代领域。”另外也有其它降低成本

6、的方法在发展。一种涉及到将多个传感器封装 到一个集群中以实现规模经济。这种方法背后的思想是生产那种集群 的成本比单独生产单个传感器的成本更低即使并非所有的传感 器都会被使用。“这在向着更标准化的传感器单元发展，”Cadence工程组总监 Brandon Wang 说，“这会将其变成一个你明天就可以得到的平台， 而不是你定制设计的专用传感器。所以每个系统都会有传感器，但如 果你设计一个传感器中枢，让你可以优化这些传感器呢？ ”正如 Mentor 的Miller指出的那样，边缘是大量IoT特有设计难 题出现的地方。“在IoT边缘，我们看到很多人在关注使这些设备尽 可能地与目标相符。有一些事情在推动

7、着向那个方向发展，而且其围 绕着这样一个事实，即这些是非常高产量的产品。它们会将数以十亿 计的事物连接到互联网。它们必须要廉价。它们将必须出现在现场。 它们必须要能与物理世界进行交互，并且必须满足功率要求。它们必 须通过传感器和执行器与现实世界交互，而这些又涉及到高电压、多物理学以及MEMS 和光子学这样的领域，还有其它电子学之外的物 理领域。制造这些设备要用到非常非常多的东西。而且它们往往可以 为特定的应用领域进行相当良好的定制化，因为它们必须满足功率和 物理尺寸的要求，而且还有高产量要求，且必须要降低成本。图2：智能LED 泛光灯来自E中间地带当思科首次开始预测数十亿设备将一起构成IoT时

8、，其假设数据会 通过网关从边缘设备发送到云。原始数据会被处理和分析，然后相关 信息会通过网关被传回边缘设备。这种场景存在一些问题。首先，和本地处理一些数据相比，I/O需要 消耗更多能量，这就是移动设备影响电池寿命的情况。因此，人们开 发出了各种各样的中级服务器来连接边缘设备和云。这可以提供一种 次级的，有时候甚至第三级和第四级的过滤。“现在在边缘我们有最小化功率比历史上我们侧重的最大化性能更重 要的 IoT 应用，Cadence 的 Custom IC & PCB Group 高级集 团总监 Ian Dennison 说，“这就改变了设计的侧重点。显然，电源 关断和电池电压频率扫描仍然是必要的

9、步骤，但如果你可以降低频 率，那么就可以应用分层计算和阈值计算。”第二，传感器生成的数据太多了，我们不可能将所有数据都发送到云 端，这就需要中级的计算平台，它们可以被安置在云和边缘之间。这 种中级平台可以是智能或普通的网关、边缘服务器或雾服务器。“当IoT开始出现时，其思想是收集所有数据并通过网关将其发送到 云。Gartner 研究副总裁 Dean Freeman 说，“但其数据量是非常 巨大的。所以你不仅不会发送所有数据，你也不会计算所有数据。如 果你只是希望看到异常数据，那么你只需要传输更少的数据。那为什 么要一直传输到云上呢？根据网状网络、信号和连接的不同，可能会 造成几分钟的延迟。解决

10、这个问题的方法是将本地智能和某些人工智 能安放到边缘。”AULPlKftllHIlIEELQQZ1.-1=Thitf ne tufboath & OLEUE-HIoT Gateway SysDKI I bi-iilgTMiu.k If Ji iIemk n RHlvivni但边缘服务器/网关到底是什么？到目前为止，我们还没有一个明确 的答案。S!irl!y Manag-Mncrat AMs图3: Men tor的可定制IoT网关，来自Mentor“这三个层级的中间地带是最模糊不清的，”Freeman说，“它很可能 会是一种64位的架构。但它可能最多不过是一种坚固耐用的PC。 戴尔一直在生产本质

11、上是装在塑料壳里面的坚固耐用的服务器机架 的东西，以保证它们在工厂车间中的密封。我们也可以将标准PC用 作网关。”但是，很明显这将需要为组织个体的需求而进行定制，而且还需要一 些灵活性，因为这些需求可能会改变。这也是目前各种新型内存的争 夺战出现的部分原因，其中包括MRAM 、相变存储器（PCM ）、 ReRAM 、3D XPoint 等。尽管其基本架构仍然一样（基于经典的冯 诺 依曼计算模型，数据在内存、处理器和I/O之间移动），但该方案 的不同变体正开始涌现。服务器基于云的服务器是IoT计算的第三个阶段，而且这也是现在发生着 一些最大的变化的地方，也是目前获得投资最多的地方。与通常使用 一

12、致的数据类型且数据数量可预测的公司企业不同，边缘设备生成的 数据既不一致又数量庞大。比如说，这些数据可以用于人工智能中的 模式识别，或者可以进行简单的筛选，找到不满足高斯分布的偏差。为了解决这个问题，芯片制造商和系统公司已经开始为逻辑和吞吐量 设计全新的架构，在一些案例中是把处理过程移到网络中或甚至各种 类型的内存中。Marvell 的 Strategic Planning Group的组合技术副总裁NickIlyadis 指出软件定义存储( sof tware-defined st orage)是现在的重大改变之一。他说关于云的两大趋势是超融合(hyperconvergence )与超扩展(

13、hyperscaling )。Ilyadis解释说：“超融合是指以一种垂直配置的方式增加计算和存 储，而超扩展是给网络增加更多的单元和更大的带宽。所以超融合是 向上发展，超扩展是向外发展。”他说，要让这两个概念都有效，尤其是在有数百万虚拟机时，需要在 整个云架构上都有所变化。所以固态驱动器通信协议 NVM Express已经让位于 NVM express over Fabrics (NVMeoF) ，而 SSD 也已 经让位于用于网络内内存的网络优化的 SSD ( network-optimizedSSD for in-network memory )。Ilyadis 说：“变化在于与 SSD

14、 驱 动器和应用的更好的同步。”内存是创新的一个关键领域。尽管DRAM 和SRAM 仍然是关键技 术，但相关改进正在放缓。 Rambus 首席科学家Craig Hampel 说 DRAM 尺寸缩减将每比特成本降低了 35%，但到2010年时，这一 数字下降到了 25%。这导致芯片制造商开始着眼于一些新型的内存 类型，包括MRAM 、相变存储器(PCM )、ReRAM 、低负载DIMM(LRDIMM )、非易失性DIMM ( NVDIMM )、存储级内存DIMM(SCMDIMM )以及将来的缓存DIMM。但重要的不只是内存类型。还有在不同于传统使用方式的地方安装内 存实体的能力，这基本上动摇了传

15、统的冯诺依曼架构。Hampel 说：“一种内存解决方案有三大基本要素。首先，它需要在 适当的模块尺寸和成本的条件下满足内存的功能需求。其次，它要是 一种无处不在的接口。任何有空间的地方你都可以放置存储，但对于 一些已有的内存类型，延迟和模块尺寸都太高了。第三点是你需要有 软件意识，才能利用这些内存。”5SLAppl iHtianAgentcm列 tali口门吨 -Stprage-; 5 ms-Data base: 20 msPort SD (HT7P1 “ J4 ； (HTTP5J endpoint宀 +2Z二On-prEmim, doud hiSiUdl, ci1 third-jMrty图4:用于健康监控的基于微软 Azure 云 的架构，来自微软安全性人们对物联网设备的安全性的担忧也在加剧。使得安全性问题尤其困 难的一点在于：随着越来越多设备联网，所有三个层级的设备都在某 种程度上能通过互联网进行交互。就像功率一样，安全性也需要在架构层面加以解决。而涉及到的组件 越多，要确保电子设备或系统的安全就越困难。“将所有东西都放在同一块芯片中可以降低被入侵的风险。”Achronix 的营销副总裁St eve Mensor说，“在板层面上，你可以检测信号并解除通信。如果是在die 上,要进入里面会困难 得多。这在汽车领域是尤其重要的，因为其是自给自足的，即使芯片 正在发送信息，要进入