物聯(lián)網(wǎng)(IoT)芯片設(shè)計聽上去像是一個表面上很簡單的主題。但更深入一點，你就會發(fā)現(xiàn) IoT 并不是單一的主題，所以肯定也就沒有什么特定類型的芯片可以在構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的越來越多的應(yīng)用和市場上都有效。

　　被囊括在 IoT 這個術(shù)語中的內(nèi)容有傳感器、各種類型的處理器、越來越多的片上和片外存儲器類型、許多 I/O 和接口 IP、芯片和 chiplets。封裝這些器件的不同方法也在不斷涌現(xiàn)，包括云中的定制 ASIC、各種各樣的 SoC、用于網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的 2.5D 芯片以及用于 MEMS 和傳感器集群的 fan-out 晶圓級封裝。

　　此外，在開發(fā)用于越來越互連的汽車、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)的芯片上還存在安全性的考量。這會帶來額外的復(fù)雜度和成本，另外還需要額外的時間來設(shè)計、驗證和調(diào)試這些設(shè)備。

　　“IoT 是某種包含許許多多不同應(yīng)用的全面應(yīng)用，”Synopsys 的物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略營銷經(jīng)理 Ron Lowman 說，“實際上，你能看到大量設(shè)計的目標不只是覆蓋一種應(yīng)用，所以有時候你會有超集(superset)——為一種特定的應(yīng)用而過度設(shè)計，可以處理多種應(yīng)用。這是一個不同的情況。如果你看看移動領(lǐng)域或其它許多領(lǐng)域，它們更多是為一個特定應(yīng)用而進行優(yōu)化，然后再復(fù)用，而 IoT 則有更多通用版本，而在一些案例中，他們會進行專門的設(shè)計，然后嘗試為其它市場重新利用它們。另一個不同的情況是有時候(也在變化)應(yīng)用更廣泛且更通用，所以數(shù)量在增長。所以我們可以看到有更多針對特定應(yīng)用的專門設(shè)計出現(xiàn)。比如你已經(jīng)能在測量應(yīng)用領(lǐng)域看到這個情況了，要遠遠更有針對性。”

　　簡單來說，并沒有出現(xiàn)幾年前人們預(yù)測的商業(yè)設(shè)計規(guī)模下降。

　　圖 1：IoT 增長預(yù)測，來自 Gartner

　　“從高層面來講，IoT 就是將過去沒有聯(lián)網(wǎng)的事物連接到互聯(lián)網(wǎng)，然后基于此實現(xiàn)服務(wù)。”西門子一個業(yè)務(wù)部門 Mentor 的產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Jeff Miller 說，“有很多東西會進入網(wǎng)絡(luò)。為了實現(xiàn)它，你需要一個三層架構(gòu)——服務(wù)器和云組件、在 IoT 邊緣設(shè)備和云之間進行接口的網(wǎng)關(guān)組件、構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)與真實世界之間的接口的 IoT 邊緣設(shè)備本身。”

　　重新定義邊緣

　　邊緣設(shè)備的定義并不總是清楚明了。三年前，任何關(guān)于邊緣設(shè)備的演講都總是會回到智能手表或連網(wǎng)的家用電器上，這些設(shè)備可以將各種傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過某種電子網(wǎng)關(guān)發(fā)送到云端進行處理。盡管這看起來是當時技術(shù)條件下合乎邏輯的進展，但實際上傳感器生成的數(shù)據(jù)太多了，將所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到云進行處理是很浪費能量的，而且在一些案例中，發(fā)送數(shù)據(jù)的速度很慢。

　　這就是 IoT 芯片設(shè)計讓人困惑的地方。一方面，這些設(shè)備需要廉價。但在一些市場中，它們也需要更可靠、更安全，還需要滿足一些標準，比如汽車領(lǐng)域的 ISO 26262 或用于 IIoT 的 OMAC 和 OPC 工業(yè)標準。這會導(dǎo)致成本增長，也會拉長這些設(shè)備上市的時間。除此之外，尤其是在移動電子產(chǎn)品領(lǐng)域，這些系統(tǒng)需要非常低功耗以節(jié)省電池壽命。這需要復(fù)雜的電源管理，因此又進一步增加了價格和復(fù)雜性。而且不管其特定的任務(wù)是什么，要完成這個任務(wù)，它們又還需要足夠的性能。

　　“所以地方都必須創(chuàng)新，”ARM 的 IoT Service Group 總裁 Dipesh Patel 說，“其中包括功率、不動產(chǎn)和成本。今天我們看到的芯片是在 55nm 和 40nm 節(jié)點。遷移到 40nm 和 28nm 節(jié)點會帶來更多成本節(jié)省。隨著 MCU 的摩爾定律發(fā)展，成本還會繼續(xù)下降。為了更安全，它們還必須遷移到 32 位，這也讓它們可以進入到更多現(xiàn)代領(lǐng)域。”

　　另外也有其它降低成本的方法在發(fā)展。一種涉及到將多個傳感器封裝到一個集群中以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。這種方法背后的思想是生產(chǎn)那種集群的成本比單獨生產(chǎn)單個傳感器的成本更低——即使并非所有的傳感器都會被使用。

　　“這在向著更標準化的傳感器單元發(fā)展，”Cadence 工程組總監(jiān) Brandon Wang 說，“這會將其變成一個你明天就可以得到的平臺，而不是你定制設(shè)計的專用傳感器。所以每個系統(tǒng)都會有傳感器，但如果你設(shè)計一個傳感器中樞，讓你可以優(yōu)化這些傳感器呢?”

　　正如 Mentor 的 Miller 指出的那樣，邊緣是大量 IoT 特有設(shè)計難題出現(xiàn)的地方。“在 IoT 邊緣，我們看到很多人在關(guān)注使這些設(shè)備盡可能地與目標相符。有一些事情在推動著向那個方向發(fā)展，而且其圍繞著這樣一個事實，即這些是非常高產(chǎn)量的產(chǎn)品。它們會將數(shù)以十億計的事物連接到互聯(lián)網(wǎng)。它們必須要廉價。它們將必須出現(xiàn)在現(xiàn)場。它們必須要能與物理世界進行交互，并且必須滿足功率要求。它們必須通過傳感器和執(zhí)行器與現(xiàn)實世界交互，而這些又涉及到高電壓、多物理學以及 MEMS 和光子學這樣的領(lǐng)域，還有其它電子學之外的物理領(lǐng)域。制造這些設(shè)備要用到非常非常多的東西。而且它們往往可以為特定的應(yīng)用領(lǐng)域進行相當良好的定制化，因為它們必須滿足功率和物理尺寸的要求，而且還有高產(chǎn)量要求，且必須要降低成本。

　　圖 2：智能 LED 泛光燈，來自 Elitesemicon.com

　　中間地帶

　　當思科首次開始預(yù)測數(shù)十億設(shè)備將一起構(gòu)成 IoT 時，其假設(shè)數(shù)據(jù)會通過網(wǎng)關(guān)從邊緣設(shè)備發(fā)送到云。原始數(shù)據(jù)會被處理和分析，然后相關(guān)信息會通過網(wǎng)關(guān)被傳回邊緣設(shè)備。

　　這種場景存在一些問題。首先，和本地處理一些數(shù)據(jù)相比，I/O 需要消耗更多能量，這就是移動設(shè)備影響電池壽命的情況。因此，人們開發(fā)出了各種各樣的中級服務(wù)器來連接邊緣設(shè)備和云。這可以提供一種次級的，有時候甚至第三級和第四級的過濾。

　　“現(xiàn)在在邊緣我們有最小化功率比歷史上我們側(cè)重的最大化性能更重要的 IoT 應(yīng)用，”Cadence 的 Custom IC & PCB Group 高級集團總監(jiān) Ian Dennison 說，“這就改變了設(shè)計的側(cè)重點。顯然，電源關(guān)斷和電池電壓頻率掃描仍然是必要的步驟，但如果你可以降低頻率，那么就可以應(yīng)用分層計算和閾值計算。”

　　第二，傳感器生成的數(shù)據(jù)太多了，我們不可能將所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到云端，這就需要中級的計算平臺，它們可以被安置在云和邊緣之間。這種中級平臺可以是智能或普通的網(wǎng)關(guān)、邊緣服務(wù)器或霧服務(wù)器。

　　“當 IoT 開始出現(xiàn)時，其思想是收集所有數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)關(guān)將其發(fā)送到云。”Gartner 研究副總裁 Dean Freeman 說，“但其數(shù)據(jù)量是非常巨大的。所以你不僅不會發(fā)送所有數(shù)據(jù)，你也不會計算所有數(shù)據(jù)。如果你只是希望看到異常數(shù)據(jù)，那么你只需要傳輸更少的數(shù)據(jù)。那為什么要一直傳輸?shù)皆粕夏?根據(jù)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、信號和連接的不同，可能會造成幾分鐘的延遲。解決這個問題的方法是將本地智能和某些人工智能安放到邊緣。”

　　但邊緣服務(wù)器/網(wǎng)關(guān)到底是什么?到目前為止，我們還沒有一個明確的答案。

　　圖 3：Mentor 的可定制 IoT 網(wǎng)關(guān)，來自 Mentor

　　“這三個層級的中間地帶是最模糊不清的，”Freeman 說，“它很可能會是一種 64 位的架構(gòu)。但它可能最多不過是一種堅固耐用的 PC。戴爾一直在生產(chǎn)本質(zhì)上是裝在塑料殼里面的堅固耐用的服務(wù)器機架的東西，以保證它們在工廠車間中的密封。我們也可以將標準 PC 用作網(wǎng)關(guān)。”

　　但是，很明顯這將需要為組織個體的需求而進行定制，而且還需要一些靈活性，因為這些需求可能會改變。這也是目前各種新型內(nèi)存的爭奪戰(zhàn)出現(xiàn)的部分原因，其中包括 MRAM、相變存儲器(PCM)、ReRAM、3D XPoint 等。盡管其基本架構(gòu)仍然一樣(基于經(jīng)典的馮·諾依曼計算模型，數(shù)據(jù)在內(nèi)存、處理器和 I/O 之間移動)，但該方案的不同變體正開始涌現(xiàn)。

　　服務(wù)器

　　基于云的服務(wù)器是 IoT 計算的第三個階段，而且這也是現(xiàn)在發(fā)生著一些最大的變化的地方，也是目前獲得投資最多的地方。與通常使用一致的數(shù)據(jù)類型且數(shù)據(jù)數(shù)量可預(yù)測的公司企業(yè)不同，邊緣設(shè)備生成的數(shù)據(jù)既不一致又數(shù)量龐大。比如說，這些數(shù)據(jù)可以用于人工智能中的模式識別，或者可以進行簡單的篩選，找到不滿足高斯分布的偏差。

　　為了解決這個問題，芯片制造商和系統(tǒng)公司已經(jīng)開始為邏輯和吞吐量設(shè)計全新的架構(gòu)，在一些案例中是把處理過程移到網(wǎng)絡(luò)中或甚至各種類型的內(nèi)存中。

　　Marvell 的 Strategic Planning Group 的組合技術(shù)副總裁 Nick Ilyadis 指出軟件定義存儲( software-defined storage)是現(xiàn)在的重大改變之一。他說關(guān)于云的兩大趨勢是超融合( hyperconvergence)與超擴展(hyperscaling)。

　　Ilyadis 解釋說：“超融合是指以一種垂直配置的方式增加計算和存儲，而超擴展是給網(wǎng)絡(luò)增加更多的單元和更大的帶寬。所以超融合是向上發(fā)展，超擴展是向外發(fā)展。”

　　他說，要讓這兩個概念都有效，尤其是在有數(shù)百萬虛擬機時，需要在整個云架構(gòu)上都有所變化。所以固態(tài)驅(qū)動器通信協(xié)議 NVM Express 已經(jīng)讓位于 NVM express over Fabrics (NVMeoF)，而 SSD 也已經(jīng)讓位于用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)內(nèi)存的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的 SSD(network-optimized SSD for in-network memory)。Ilyadis 說：“變化在于與 SSD 驅(qū)動器和應(yīng)用的更好的同步。”

　　內(nèi)存是創(chuàng)新的一個關(guān)鍵領(lǐng)域。盡管 DRAM 和 SRAM 仍然是關(guān)鍵技術(shù)，但相關(guān)改進正在放緩。Rambus 首席科學家 Craig Hampel 說 DRAM 尺寸縮減將每比特成本降低了 35%，但到 2010 年時，這一數(shù)字下降到了 25%。這導(dǎo)致芯片制造商開始著眼于一些新型的內(nèi)存類型，包括 MRAM、相變存儲器(PCM)、ReRAM、低負載 DIMM(LRDIMM)、非易失性DIMM(NVDIMM)、存儲級內(nèi)存 DIMM(SCMDIMM )以及將來的緩存 DIMM。

　　但重要的不只是內(nèi)存類型。還有在不同于傳統(tǒng)使用方式的地方安裝內(nèi)存實體的能力，這基本上動搖了傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)。

　　Hampel 說：“一種內(nèi)存解決方案有三大基本要素。首先，它需要在適當?shù)哪K尺寸和成本的條件下滿足內(nèi)存的功能需求。其次，它要是一種無處不在的接口。任何有空間的地方你都可以放置存儲，但對于一些已有的內(nèi)存類型，延遲和模塊尺寸都太高了。第三點是你需要有軟件意識，才能利用這些內(nèi)存。”

　　圖 4：用于健康監(jiān)控的基于微軟 Azure 云的架構(gòu)，來自微軟

　　安全性

　　人們對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性的擔憂也在加劇。使得安全性問題尤其困難的一點在于：隨著越來越多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，所有三個層級的設(shè)備都在某種程度上能通過互聯(lián)網(wǎng)進行交互。

　　就像功率一樣，安全性也需要在架構(gòu)層面加以解決。而涉及到的組件越多，要確保電子設(shè)備或系統(tǒng)的安全就越困難。

　　“將所有東西都放在同一塊芯片中可以降低被入侵的風險。”Achronix 的營銷副總裁 Steve Mensor 說，“在板層面上，你可以檢測信號并解除通信。如果是在 die 上，要進入里面會困難得多。這在汽車領(lǐng)域是尤其重要的，因為其是自給自足的，即使芯片正在發(fā)送信息，要進入這些芯片中也是很困難的。”

　　即使是客戶愿意為之付費的地方，安全性也永遠不會是完整的或一勞永逸的。它需要持續(xù)不斷的更新，而這些更新又可能會給設(shè)備帶來新的漏洞。

　　“移動設(shè)備總是存在設(shè)備安全性的問題。”Kilopass 的現(xiàn)場應(yīng)用工程副總裁 Bernd Stamme 說，“機頂盒行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了一套精巧復(fù)雜的密鑰系統(tǒng)。如果你破解了一個密鑰，你就可以獲得免費的電影。但是根據(jù)他們創(chuàng)建密鑰的方式，只有一人可以使用該密鑰。這種密鑰構(gòu)成了信任的基礎(chǔ)，然后又基于密鑰配置進行更新。這可以確保身份認證和基礎(chǔ)授權(quán)。但這不僅僅是一個 ID。這其中也包含制造代碼。更新取決于其被生產(chǎn)制造的時間。這種管理是很困難的，而且我們正開始在開門器和開窗器等設(shè)備類別中看到它們。”

　　安全性會影響設(shè)計的方方面面——從被添加到這些設(shè)備的 IP 到該 IP 的來源以及生產(chǎn)出的設(shè)備的交付。如果芯片制造商的內(nèi)部安全性松懈，那么 IP 本身就可能會被盜用和損壞。

　　ClioSoft 市場營銷副總裁 Ranjit Adhikary 表示：“IP 數(shù)據(jù)可被存儲在任何地方。你管理和連接它的方式是關(guān)鍵所在。你可以添加加密碼。”

　　這就是圍繞芯片需要構(gòu)建的信任鏈的所有部分，其中包括從 IP 的存儲和管理方式到數(shù)據(jù)的共享方式等等一切。Adhikary 說：“這不僅僅關(guān)乎 IP 模塊，還涉及到最佳實踐、流程和腳本。”

　　Mentor 的 Miller 同意這個看法。他說：“假設(shè)你已經(jīng)有了你想要的芯片，涉及到的供應(yīng)鏈安全都好了，那么你就必須要應(yīng)對這個難題：‘這將如何幫助實現(xiàn)安全的系統(tǒng)?’最終，安全性更是一個過程，而不是一種產(chǎn)品。”

　　但即使實現(xiàn)了最佳的實踐并將安全性構(gòu)建到了設(shè)備中，在 IoT 領(lǐng)域，這些設(shè)備必須要與其它設(shè)備協(xié)作。這是去年秋天出現(xiàn)的一個問題，Mirai 分布式拒絕服務(wù)攻擊將不安全的設(shè)備變成了一支僵尸網(wǎng)絡(luò)大軍。

　　“讓人驚訝的是，很多芯片在設(shè)計時都幾乎沒有涉及安全性，或者他們認為他們可以僅靠軟件做到這一點。” Synopsys 的 Lowman 說，“過去一年來，2017 年可能還更多，這已經(jīng)變成了一個遠遠更加重要的主題，因為我們已經(jīng)見證了很多被突破的事件。人們只有在別無他法時才會構(gòu)建安全性，因為這涉及到額外的成本。驅(qū)動他們做這件事的原因是他們的終端客戶在說：‘我們不得不使用這種類型的安全認證’，或者他們自己已經(jīng)被攻擊突破過，所以希望能保護自己免受未來的攻擊。這可能是安全性的兩大最主要驅(qū)動力了。但你今天已經(jīng)有了部署好的仍然完全不安全的系統(tǒng)，比如甚至遠程信息處理系統(tǒng)或車輛跟蹤系統(tǒng)。他們已經(jīng)開始通過軟件實現(xiàn)一些加密。但近來我們也看到，最近的攻擊突破事件表明這還不夠好。”

　　總 結(jié)

　　IoT 并不是一種單一的事物，而是許多不同技術(shù)、服務(wù)和市場的集合，它們都連接到了互聯(lián)網(wǎng)。盡管 IoT 之中的三個主要層級都或多或少得到了定義(邊緣、中間和云)，但在未來幾年 IoT 開始成形的過程中，它們將很可能還會改變。這將會影響這些系統(tǒng)的設(shè)計、成本和可擴展性。

　　將各種事物連接起來有許多顯而易見的好處。智能灑水系統(tǒng)可以在下雨時關(guān)閉。聯(lián)網(wǎng)的汽車可以在事故發(fā)生前警告司機并提供替代路線。智能路燈可以根據(jù)車流狀況和周圍住戶的偏好進行調(diào)整。智能機器可以在部件故障之前發(fā)送信息，從而避免中斷工業(yè)作業(yè)。

　　但這么做也有缺點。如果萬物互連，那么數(shù)據(jù)就可能被竊取，機器可能被操控，而且在更新后的機器與另一臺未更新的機器交互時也更難以預(yù)測設(shè)備的行為方式——這是每個計算機用戶都清楚的問題，比如更新操作系統(tǒng)后打印機驅(qū)動程序就不工作了。但很明顯 IoT 時代正在來臨，不管存在什么問題，所有這些問題都需要在每個互連層面得到解決。對于未來幾年將到來的巨大機遇和讓人頭疼的難題，開發(fā) IoT 芯片只是實現(xiàn)這一愿景的第一步。