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物联网芯片长什么样?

随着物联网定义的发展,架构也在发展。

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埃德·斯珀林、杰夫·多什著

物联网芯片设计表面上听起来像是一个简单的话题。然而,深入研究就会发现,显然没有单一的物联网,当然也没有一种芯片可以适用于共同组成物联网的日益增长的应用程序和市场。

这个术语包括传感器、各种类型的处理器、越来越多的片上和片外存储器类型,以及一长串的I/O和接口IP、芯片和芯片。也有不同的方法来包装这些设备,包括云中的定制asic,各种soc,2.5 d网络和服务器的芯片,还有扇出晶圆级封装微机电系统以及传感器集群。

此外,在开发用于日益互联的汽车、医疗设备和工业控制系统的芯片时,还涉及到安全方面的考虑。这增加了复杂性和成本,以及设计、验证、验证和调试这些设备所需的时间。

IoT战略营销经理Ron Lowman说:“物联网是一种适用于许多不同应用的全能产品。Synopsys对此.“实际上,你所看到的是许多旨在覆盖不止一种应用程序的设计,所以有时你会有超集——可能为一个特定的应用程序过度设计,但可以处理多个应用程序。这是一个不同的地方。如果你看看移动领域,或许多其他领域,它们更适合于一个特定的应用程序,然后被重用,其中物联网有更多的通用版本,然后在某些情况下,他们会做特定的设计,并试图重新利用它们来适应其他市场。另一件不同的事情是,由于它有时更广泛和通用(这正在改变),容量正在增加。所以我们能够看到针对特定应用的更具体的设计。例如,你可以在计量系统中看到它更有针对性。”

简单地说,这些并不是几年前人们所期望的那种按比例缩小的商品化设计。


图1:物联网增长预测。来源:Gartner

“从高层次上讲,物联网就是把过去没有的东西连接到互联网上,然后在此基础上提供服务,”亚马逊的产品营销经理杰夫·米勒(Jeff Miller)说Mentor是西门子旗下的企业.“这里面有很多东西。为了实现这一点,你有一个三层架构——服务器和云组件,物联网边缘设备和云之间的接口网关组件,以及构成互联网和现实世界之间接口的物联网边缘设备本身。”

重新定义边
什么构成了边缘设备并不总是很清楚。三年前,任何关于边缘设备的讨论总是会回到智能手表或联网家电,它们应该是将多个传感器收集的数据通过某个电子网关发送到云端进行处理。虽然这在当时看来是一种合乎逻辑的技术进步,但现实是,传感器正在生成如此多的数据,以至于将所有数据发送到云端进行处理是低效的,在某些情况下,发送任何数据都太慢了。

这就是物联网芯片设计真正令人困惑的地方。一方面,这些设备需要价格低廉。但在某些市场,它们还需要更可靠、更安全,并符合一些标准,例如ISO 26262在汽车、或OMAC和OPC行业标准IIoT.这增加了将这些设备推向市场所需的成本和时间。最重要的是,特别是对于移动电子产品,这些系统需要极低的功耗来节省电池寿命。这需要复杂的电源管理,这进一步增加了价格和复杂性。他们需要有足够的表现来完成一项工作,不管是什么特定的任务。

“你必须处处创新,”at的物联网服务集团总裁Dipesh Patel说手臂.“这包括电力、房地产和成本。今天,我们看到55纳米和40纳米的芯片问世。改用40nm和28nm工艺将节省更多成本。由于采用摩尔定律,mcu的成本正在下降。为了更安全,他们将不得不迁移到32位,这也将允许他们转移到更现代的地区。”

其他削减成本的策略也在发挥作用。一种方法是将多个传感器封装成一个集群,以获得规模经济。这种方法背后的想法是,即使没有部署所有的传感器,构建集群的成本也比单独构建它们要低。

“方向是向更标准化的传感器单元,”布兰登王,工程组主管,at节奏.“这把它变成了一个平台,你明天就可以得到它,而不是一个专门的传感器,你可以进行定制设计。所以每个系统都会有传感器,但如果你设计一个传感器中心来优化这些传感器呢?”

正如Mentor的Miller所指出的,优势是许多物联网特定的设计挑战发挥作用的地方。“在物联网的边缘,我们看到很多人都在关注如何让这些设备尽可能地适合他们的用途。有很多事情推动着事情朝着这个方向发展,它围绕着这样一个事实,即这些都是真正的大批量产品。他们将数十亿的东西连接到互联网上。它们必须是便宜的。他们要去外勤工作。所以他们将不得不与物理方面和必须满足的电力需求相互作用。它们必须通过传感器和执行器与现实世界连接,这些涉及到高电压,多物理,以及诸如MEMS,光子学和其他物理领域,而不仅仅是电子学。制造这些设备真的需要很多东西。而且它们往往针对特定的应用领域进行了很好的定制,因为它们必须满足功率和物理尺寸的要求,并且有很高的体积要求,而且必须降低成本。”


图2:智能LED泛光灯。来源:Elitesemicon.com

中间立场
当思科最初开始预测组成物联网的数十亿台设备时,他们的假设是,数据将从边缘设备通过网关发送到云端。原始数据将被处理、分析,相关信息将通过网关传回边缘设备。

这种情况有几个问题。首先,I/O比本地处理一些数据消耗更多的电力,这在移动设备的情况下会影响电池寿命。因此,开发了各种中级服务器来将边缘设备与云连接起来。这提供了第二级,有时是第三级和第四级过滤。

Cadence定制IC和PCB集团高级集团总监Ian Dennison表示:“我们现在的物联网应用处于边缘,最大限度地降低功耗比我们历史上最大限度地提高性能更重要。”“这改变了设计的重点。显然,电源关闭和电池电压频率扫描仍将是必要的步骤,但如果可以降低频率,则可以应用分层计算和阈值计算。”

其次,传感器生成的数据太多,无法将所有数据发送到云端,这催生了中级计算平台,该平台介于云和边缘之间。它可以是一个智能或简单的网关,一个边缘服务器或雾服务器。

高德纳研究副总裁迪恩·弗里曼(Dean Freeman)说:“当物联网首次出现时,人们的想法是收集所有东西,并通过一个网关发送到云端。”“但数据量是巨大的。所以你不仅不需要发送所有东西,你也不需要计算所有东西。如果您只想看到异常值数据,则需要更少的传输数据。为什么要一路走到云端呢?根据网状网络、信号和连接的不同,这可能会造成数分钟的延迟。解决这个问题的方法是将原生智能和一些人工智能推向边缘。”

但是边缘服务器/网关到底是什么样子的呢?到目前为止,这个问题还没有明确的答案。


图3:Mentor的可定制物联网网关。资料来源:西门子旗下的Mentor公司。

弗里曼说:“中间地带是三个层次中最模糊的。“它很可能是一个64位的架构。但它只不过是一台加固的个人电脑。戴尔一直在建造本质上坚固耐用的服务器机架,用塑料包装,以保持它们在工厂车间的密封。它也可以是一台用作网关的标准PC。”

不过,很清楚的是,这些将需要针对单个组织的需求进行定制,以及一些灵活性,因为这些需求可能会发生变化。这也是人们对新型存储器争抢的部分原因MRAM、相变存储器(PCM)ReRAM、3D XPoint等。虽然基本架构保持不变——在内存、处理器和I/O之间来回移动数据,根据经典的冯·诺依曼计算模型——但该方案中的变化开始出现。

服务器
基于云计算的服务器是物联网计算的第三个阶段,这是当今一些最大的转变,也是最大的投资。与通常使用一致数据类型和可预测数量的企业不同,边缘设备生成的数据既不一致又大量。例如,这些数据可以用作人工智能模式识别的一部分,或者可以简单地筛选不符合高斯分布的像差。

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,在同样的情况下,将一些处理转移到网络甚至各种类型的内存中。

尼克·伊利亚迪斯,投资组合技术副总裁迈威尔公司微软战略规划小组(Strategic Planning Group)指出,软件定义存储是其中一个重大变化。他说,云计算的两个趋势是超融合和超规模化。

Ilyadis解释说:“通过超融合,你可以在垂直配置中添加计算和存储。“通过超扩展,你可以向网络添加更多的单元,也可以增加更多的带宽。因此,超融合正在兴起,超规模已经过时。”

他说,要让这两个概念都发挥作用,特别是在数百万个虚拟机的情况下,需要在整个云架构中进行改变。因此,用于固态硬盘通信的NVM Express协议已经让位于NVM Express over Fabrics (NVMeoF)协议。SSD已经让位于用于网络内内存的网络优化SSD。“改变的是与SSD驱动器和应用程序更好的同步,”Ilyadis说。

内存是创新的关键领域之一。虽然DRAM和SRAM仍然是首选技术,但改进速度正在放缓。克雷格·汉佩尔是Rambus他说,从历史上看,动态随机存取记忆体在扩容过程中,每比特成本提高了35%,但到2010年,这一比例降至25%。这使得芯片制造商开始考虑一些新的内存类型,包括MRAM,相变内存,ReRAM,以及减载DIMM (LRDIMM),非易失性DIMM (NVDIMM),存储级内存DIMM (SCMDIMM),以及未来的缓存DIMM。

但这不仅仅是记忆类型的问题。它还能够将内存物理定位到不同的地方,而不是传统上使用的地方,这基本上动摇了传统的冯·诺依曼架构。

“内存解决方案有三个基本要素,”Hampel说。“首先,它需要满足块大小和成本的内存功能需求。其次,它是一个无处不在的界面。哪里有洞,哪里就有存储的地方,但是对于一些现有的内存类型,延迟和块大小太高了。第三件事是你需要软件意识,以便能够利用这些内存。”


图4:微软Azure基于云的健康监控架构。来源:微软

安全
笼罩在所有这些设备之上的是对安全性的日益担忧。尤其具有挑战性的是,随着越来越多的设备连接在一起,所有三个级别的设备都可能在某种程度上通过互联网进行交互。

安全性与电源一样,需要在体系结构级别上解决。涉及的组件越多,保护电子设备或系统就越困难。

“把所有东西都放在一个芯片上可以减少黑客攻击,”微软营销副总裁史蒂夫·门索尔(Steve Mensor)说Achronix.“在董事会层面,你可以探测信号并解除通信程序。如果它是on-die,那就更难进入了。这在汽车领域尤其重要,因为如果它是独立的,即使芯片正在发送信息,也很难进入芯片。”

即使客户愿意为它付费,安全性也永远不会是完整的或永远持续的。它需要不断更新,而这些更新可能会给其他设备增加漏洞。

“在移动设备中,设备安全一直是一个问题,”该公司现场应用工程副总裁Bernd Stamme说Kilopass.“机顶盒行业已经发展出一套复杂的密钥系统。如果你弄坏了钥匙,你可以看免费电影。但根据他们创建的方式,只有一个人可以使用那把钥匙。密钥被建立为信任的根,然后根据密钥供应进行更新。这将建立标识和基本授权。但它也不仅仅是一个ID。它还包含制造代码。更新取决于它的制造时间。这是非常棘手的管理,我们开始在开门器和开窗器等设备类别中看到它。”

安全性影响设计的每个部分,从添加到这些设备的IP到IP的来源和制造的芯片的交付。如果芯片制造商在内部安全方面松懈,知识产权本身就可能被窃取和破坏。

“IP数据可以存储在任何地方,”Ranjit Adhikary说ClioSoft.“如何管理以及如何与之挂钩是关键。你可以添加加密代码。”

这些都是需要围绕芯片构建的信任链的一部分,包括从IP如何存储和管理到数据如何共享的一切。Adhikary说:“这不仅仅是IP阻塞。“这也是最佳实践、流程和脚本。”

Mentor的米勒表示同意。“假设你得到了预期的芯片,涉及的供应链安全都很好,那么你就必须应对挑战:‘它如何在安全系统中发挥作用?归根结底,安全更多的是一个过程,而不是一个产品。”

但是,即使实现了最佳实践并将安全性内置到设备中,在物联网中,这些设备也必须与其他设备一起工作。这是去年秋天Mirai分布式拒绝服务攻击暴露出来的问题之一,该攻击将不安全的设备变成了僵尸网络军队。

Synopsys公司的洛曼说:“令人惊讶的是,有很多芯片在设计时几乎没有安全性,或者他们认为只需要软件就可以利用它。”“在过去的一年里,可能在2017年,由于我们看到的漏洞,这已经成为一个更加重要的话题。人们只在必要时才实施安全措施,因为这是有成本的。促使他们这样做的是他们的终端客户说,‘我们必须有这种类型的安全认证’,或者他们自己已经被攻破了,希望在未来免受这种攻击。这可能是对安全的两个最强烈的需求。但是今天的系统——例如,远程信息处理或车辆跟踪——仍然完全不安全。他们开始通过软件进行加密。但最近,我们从最近的这些违规事件中看到,这还不够好。”

结论
物联网不是单一的东西。它是许多不同技术、服务和市场的集合,所有这些都与互联网相连。虽然物联网的三个主要层次或多或少是确定的——边缘、中间和云——但随着物联网开始成型,未来几年可能会发生变化。这将影响这些系统的设计、成本和可伸缩性。

联网的东西有很多明显的优势。智能自动喷水灭火系统可以在下雨时自动关闭。联网汽车可以提醒司机前方发生事故,并提供替代路线。智能路灯可以根据交通和社区的喜好进行调整。智能机器可以在中断工业操作之前发出零件即将失效的信息。

也有缺点。如果所有东西都连接在一起,数据就可能被窃取,机器就可能被征用,并且当一台更新的机器与另一台未更新的机器交互时,设备的行为就不那么可预测了——这是每个计算机用户在更新操作系统和打印机驱动程序不再工作时都会意识到的问题。但显而易见的是,物联网即将到来,无论存在什么问题,所有这些问题都需要在每个连接的层面上得到解决。构建物联网芯片只是第一步,未来几年,这将是一个巨大的机遇,也是一个令人头疼的问题。

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4评论

Hein van Heerden 说:

谢谢Ed,这篇文章是我读过的关于物联网芯片现状的最好的文章之一。

拉格拉曼 说:

这是我所看到的最接近物联网的实用和真正的时尚。是的,设备必须卸载通信,忘记计算,通过外部设备(“集线器”)上网,并继续做它们一直在做的事情。在“集线器”上添加IP地址看起来比将所有设备连接到互联网更实用。

克劳德Marescot 说:

物联网芯片揭开神秘面纱。优秀的

要人 说:

谢谢楼主分享!我对Mbed Connect和SB/Arm的愿景基金感到非常兴奋。

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