选择扩大优化物联网设计

创建一个成功的物联网设计需要深刻理解的用例,和一长串的权衡各种组件和技术提供最好的解决方案在合适的价位。

最大化的特性和功能同时最小化成本是一个持续的平衡,和数量的选择能承受得起。菜单包括SoC选择、操作系统和软件协议,和RF无线连接选项,网络使用,电能和热能管理、电池寿命、和可用的物联网标准。其他因素影响这些选择网络安全需求,操作频率和数据速率、实时和延迟需求,有效载荷大小、强度对消费品和工业品位,包装和大小、系统可靠性、人工智能和总体成本约束。

“物联网系统设计是在恒压下降低成本,”罗恩·洛曼说,战略营销经理Synopsys对此。“有时候很难,如果添加一个新特性是要花费更多。助听器,例如,集成了一些非常先进的权力能力的技术使更低功率音频处理在一个小的设备。虽然助听器制造商多年来一直这么做,其余的物联网空间并没有采用这些技术,因为这些技术有成本增加。之间的权衡一直存在功率效率和低成本,这样总有一个问题的消费者愿意支付多少延长了电池的使用寿命。有先进的技术、技术和优化开发时间过长或成本太高。直到想出解决方案提供商集成解决方案超越普通下一代增量升级由传统的半导体供应商,成本仍将是物联网的主要驱动SoC设计决策,特别是消费和工业应用。

对总体设计优化设计的影响
优化物联网设计是特定于应用程序的总体设计参数和影响。例如,在一个大型工业化工厂,温度监控是很重要的。故障过程可以危险时温度过高,导致危险化学品泄漏和爆炸。物联网可以用于监控温度,以及泄漏。

在这种情况下,整体设计要求实际上相当简单。物联网系统监视温度只需要跟踪温度是否超过预设的限制。在泄漏检测的情况下,系统将只需要检测当有泄漏。

在这里,IoT-based泄漏检测的单片机系统只需要与传感器每30秒或更少。有泄漏时,物联网将警报发送到服务器或经理负责,但仍在睡眠模式。即使设置了警告或警报,它只需要一个小的包不需要高吞吐量。许多低功耗无线网络等问题,可以使用LTE-M, Wi-SUN。

同样在监视应用程序中,相机在哪里存储在一个大工厂为主设置,周期性的视频使用wi - fi或类似的技术是必需的。在这种情况下,更高的吞吐量要求支持视频。额外的电力需要支持更高的吞吐量影响电池寿命。如果安装涉及智能街或交通信号灯,担心电池寿命减少,因为通常有一个电源可用。

“开车的一些人工智能的本质是改变的东西不少workload-specific芯片时,“说Sailesh Chittipeddi,执行副总裁瑞萨。“它不再是cpu做X, Y,和Z功能,为每个工作负载没有与之关联的开销。不再是这样。这就是为什么所有这些公司越来越垂直驱动所需的解决方案。和电子之间的相互作用和机械特性变得更为重要,在特定的连接器的位置会产生很大的影响。这就是为什么越来越多的CAD公司越来越多的进入系统级支持和系统级的设计。”

你想要实现什么?
物联网设计咨询公司的总裁沃尔特·麦克雷卷系统,指出三个重要地区优化物联网设备电池寿命,成本,和大小。“这是为可穿戴设备尤其重要,但大多数物联网设备有这些问题,”他说。“你永远不可以有一切你想要的。选择取舍的问题,工程设计是权衡。”

为了实现功率效率,选择低功耗处理器和传感器是必不可少的,但也必须有足够的处理能力和速度的设备需要做的任务。

”此外,选择低功耗的无线通信将在应用程序工作,”麦克雷表示。“蓝牙标准的最低功耗无线,但它只传送10到30英尺。如果你需要传输到互联网没有手机,NB-IoT或LTE-M低功耗,低速无线技术传输数英里。”

此外,软件必须仔细写测试,以确保它是最低的功率,设备可以提供。和权力需要关闭传感器、处理器的发射器和其他部分时并没有被使用。

图1:低功耗广域网络的比较。来源:卷系统

其他功率效率设计注意事项包括选择最好的记忆力选项,内存块大小,计算和内存耦合,以及使用硬件加速器如果AI人工智能是必要的。这取决于应用程序,设计可能需要优化的不同。

物联网最大化电池寿命
随着物联网主要运行在电池、优化电池寿命是保持在预算之内的关键。

”一个机会,延长电池寿命包括设备的活跃的和不活跃的工作周期,”普拉卡什Madhvapathy说,产品营销主管Tensilica音频/语音需求方节奏。“当一个设备只能一天的一部分,处理元素不应该积极而生产不活跃的传感器数据。另一方面,重要的是开始处理设备打开后不久,从而消除手动干预。要求操作员疏忽可能意味着错过机会进行处理。”

然而,如果处理元素都有一个小,节约能源的一部分是不间断(AON),主要处理是关闭的,电池充电时保存设备是不活跃的。

”怡安的部分可以检测设备开机和主处理块醒来,“Madhvapathy说。“虽然几IIoT设备正在使用这种技术来延长电池寿命,总的来说他们没有访问架构,使这一切成为可能。DSP结合的一个例子,使这个用例可以是一个节奏Tensilica HiFi 1 DSP进行传感器融合在怡安域加上5 HiFi DSP性能域处理。高保真1 DSP设计执行在超低功率模式下传感器融合在寻找有意义的传感器活动。它使HiFi 5 DSP在掉电模式下,直到感觉设备开机。在这一点上它可以在高保真功率5 DSP和高保真5 DSP为主动模式可以根据需要过程。”

同时,Arm的氦技术旨在设计需要人工智能,因此要求更高的信号处理性能。”例如,氦技术在手臂的Cortex-M55 M85加速信号处理和机器学习,这将是有用的高端视觉等用例的应用程序可能需要高性能机器学习能力,”Thomas Lorenser说通用计算主任手臂。“用例,如语音识别那里工作负载和可能需要更少的机器学习能力。另外,芯片可能不活跃的一部分,影响整体芯片功耗。选择正确的IP应用程序将帮助实现更高的能源效率的设计。如果设计工作流需要机器学习与信号处理加速,这将消耗更多的能量。”

节能的物联网芯片
使工程团队设计节能产品,InnoPhase物联网等新技术是新兴的wi - fi +蓝牙芯片。与传播(Tx)在81毫安电流,接收(Rx) 37马,和空闲约150 uA (DTIM-3)。它使电池持续10 +年低功耗云连接物联网传感器和一年有限的摄像机和门铃。

图2:节能电池无线摄像机使用的假设。来源:InnoPhase物联网

Wi-SUN技术为智能城市设计,包括智能电网,设计规范的电池寿命长达20年。有多个芯片供应商支持Wi-SUN,包括德州仪器和硅实验室。从硅Wi-SUN芯片实验室,包括安全特性“安全金库”仅消耗2.6μA深度睡眠模式。相比之下,德州仪器Wi-SUN芯片仅消耗0.85μA与完整的记忆力和睡眠模式时钟运行。

甚至更长的电池寿命,通过合并一个能量收获物联网SoC块,可以实现battery-free神往的或安装电池将持续一生,“高级产品营销主管尼克•达顿说Atmosic。“SoC不仅可以获取能量从光,但是从附近的能源来自移动电话等。在零售商店,这将是完美的应用电子价格标签可以无线更新。”

一个重要的考虑是,消费级电池保质期短,随着时间的推移可能泄漏的化学物质。物联网应用、工业品位电池是必要的。

图3:Battery-free SoC集成了一个能量收获。来源:Atmosic

虽然越来越多的物联网集成了人工智能,真正需要的是多少?

上面的示例所示,泄漏检测监视应用程序有一个简单的,可预测的模式。泄漏或没有泄漏。设计不需要高性能的单片机。但在应用,如安全监测和工厂,可能需要人工智能。以防止未经授权的人员进入,高分辨率摄像机安装验证授权人员的身份。这可能需要一个身份证以及面部或指纹检测。户外工厂工人可能戴手套。在这种情况下,人脸检测是必需的,因此人工智能。但并不是每个应用程序需要人工智能。

洛曼Synopsys对此的解释有很多物联网的创新空间。“传统上,IC开发人员不断要求更高的性能和降低成本,新产品或释放进入市场,”他说。“更高频率和下一代流程节点收缩帮助带来改进的性能代价。几年前,有一个添加物联网协议,包括细胞技术,如LTE-M窄带物联网,LoRaWAN。我们继续看到改变的新协议,最新的蓝牙和升级问题。”

今天更想被放入应用程序,特别是人工智能工作负载。“最大的一个司机在市场今天是人工智能工作负载的住宿,这是推动下一代设计,“洛曼说。“这可能是一个挑战,因为物联网设备很少的内存和计算资源。实现人工智能工作负载时,你永远无法得到足够的片上存储器,因此我们看到越来越多的公司采用高密度记忆——从数据中心一直到小得多的物联网设备。人工智能工作负载math-intensive功能。因此,物联网设备吸引更多权力。有困难的设计挑战,降低电力和成本,但是适应函数所需的“杀手级应用”。“

增加的挑战是,在大多数情况下,最新的应用程序还没有完全成熟的或总是改变由于创新的速度。“这意味着设计目标只能通过适应特定的人工智能工作负载和可用的计算和内存效率最大化内所需的功率和成本预算,”洛曼说。“因此,IoT-based解决方案必须继续降低成本和权力,在试图适应强烈的处理函数。这一努力正在加速增量更改在物联网空间一代一代而不是高度破坏性的硬件转变。我们希望继续看到增量SoC跟上算法和优化升级挑战。”

当添加人工智能物联网设计,重要的是要获得最大的性能的硬件。

“使用eFPGAs等灵活的硬件,可重新配置的最优使用硬件与每个不同的推理算子是理想的,”杰夫•泰特指出的首席执行官Flex Logix。“每个应用程序都是不同的,拥有正确的许可的AI正确的瓷砖的数量将优化性能和功率效率同时。”

安全正在成为一个关键特性
恶意软件攻击物联网的列表几乎是无限的。在一份新的报告,题目是“联网技术可以改善服务,但面对网络攻击的风险,“美国政府会计办公室指出,一长串的攻击类型,包括僵尸网络、数据泄露,拒绝服务攻击(DDoS),恶意软件,中间人,ransomware,结构化查询语言(SQL)注入,和零日漏洞。这只是一个开始。新的网络攻击此起彼伏。

智能自动喷水灭火系统在大型工业园区可以探测到雨关闭阀门节约用水。如果系统是砍,过多或过少的水可能被应用。结果可能是渴了草与棕色斑块或过度水费。但黑客也可以使用,自动喷水灭火系统攻击服务器如果网关不安全。在智能城市应用物联网黑客可能会导致故障的交通信号灯或救护车重路由,都可能产生严重甚至致命的后果。

已经证明,黑客可能使用170美元的黑客工具,如鳍零,来控制交通灯通过把他们的绿色。造成的潜在损失控制交通灯远远超出洒水黑客。这类似于确保前门。有多少门栓你想把在门上吗?在物联网的设计中,有多少层保护你想实现吗?

许多常见的物联网标准,包括物质,Wi-SUN LoRaWAN,甚至5 g已经内置安全规范。这些是足够的对于大多数物联网应用程序。预防高度复杂的黑客,额外的安全层可能需要部署。

Maarten出生,董事总经理Riscure,观察到物联网的攻击已经在上升,可能需要额外的努力来增加网络的保护。“虽然一个物联网应用程序可以像声控智能光一样简单,也可以复杂的监控系统在智能工厂用于预防性维护。在一个更复杂的物联网系统中,让你想增加网络安全的设计在实验室里恶意攻击,看看之前的设计可以防止这种攻击真正的部署。”

考虑到物联网与边缘设计范围从非常简单到非常复杂的计算和人工智能分析功能,安全是use-dependent多少。应用程序与成本约束基本安全,包括安全启动,调试保护和固件更新就足够了。”然而,对于复杂的设计需要严重的网络安全保护,需要额外的安全硬件和软件措施,”指出Erik木材、物联网产品的高级主管安全,物联网,计算,无线业务和网络安全系统英飞凌科技。“这将增加处理时间和功耗。开发人员需要优先考虑设计选择和优化是很重要的安全设计来提高能源效率。”

虽然增加安全性和降低成本是一个不断的权衡,可能有可能解决。

“低端物联网设备最少的安全,因为这主要是一个成本驱动的决定,”巴特·史蒂文斯说,安全IP产品营销高级总监Rambus。尽管这些设备添加安全保护客户,并最终增加开发成本,有损于我们设备本身的性能和功率效率。然而,当使用专用加密加速器——最后这两个缺点是消除。CPU处理加密计算本身相比,专用的加密硬件实现使用少90%能源等任务,同时也极大地提高了安全计算性能没有下降。”

结论
物联网芯片和技术将继续进化。他们将更节能、更AI-scalable,更好的安全性和集成。珩磨的优化将继续是一个挑战,和工程团队需要关注的用例,以及如何应用新技术和方法,以达到设计要求。