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2024年嵌入式系统的三大重要趋势
[作者 意法半導體]   2024年04月15日 星期一 浏览人次: [1948]

2024年嵌入式系统将如何发展才能让制造商保持领先地位?十年前,很少有人会问这些问题。如今,这个答案可能将决定整个公司的成败。事实上,嵌入式系统曾一度被局限於一些小众应用,但现在已无处不在。从工厂到家用电器,从医院里昂贵的医疗设备,甚至到无处不在的穿戴式装置,每当我们变得更加互联或永续时,嵌入式系统通常都是创新的核心。让我们来了解2024年将如何发展。


运算效率或事半功倍

一直以来,提升效率往往是创新的主要驱动力。不过,可能需要拓展对「效率 」的理解。从本质上来说,效率是完成工作与所耗之能量的比率。在微控制器领域中,指的是电力的效率。因此,提升效率意味着降低功耗,同时提供相同或更高的运算吞吐量。然而,随着嵌入式系统应用不断优化,一种新的效率比决定了整个产业的发展方向:在给定运算传输量下的应用复杂性。


想像一下,若将今天的高性能MCU带回至五年前,它根本无法运行现在的神经网路或丰富的使用者介面,因为那时的框架和机器学习演算法远不如现在精细。而现在的嵌入式系统不仅性能更加强大,而且经过了新的应用优化。因此,同样的运算力在今天可以运行更强大的应用。



图一 : 使用TAO工具包训练与修正并量化的比较
图一 : 使用TAO工具包训练与修正并量化的比较

例如,神经网路的量化能打造出更强大的边缘AI系统。ST最近与施耐德电气共同展示一个深度量化的神经网路,即在STM32H7上运行人数统计应用。而NVIDIA在运行一个用其TAO工具包优化的网路时,亦采用同款微控制器和STM32Cube.AI。同样的,新的马达控制演算法,如ZeST,让MCU可以更准确、更高效地驱动马达,而新的UI框架优化也能让MCU运行更丰富的图形化使用者介面,同时还能降低对记忆体的需求。例如,ST新版TouchGFX支援向量字体,ST推出的STM32U5也具备了IP加速的向量图形处理功能,在图形介面开发框架的加持下,STM32U5的图显效果将会更加出色。



图二 : 无线水表、气表和电表系统
图二 : 无线水表、气表和电表系统

工程师必须确保自己的嵌入式处理解决方案不仅能够降低功耗,而且其所运行的应用也是经过优化改良的。在许多情况下,即时应用不再是while??圈中运行的基本程式码。开发人员必须充分利用云端运算、机器学习、感测器融合或图形介面。因此,找到合适并配备完善生态系统的MCU至关重要,因为完善的生态系统可以提供新的解决方案,并且帮助开发者优化应用。工程师必须考虑设备的运行速度,以及因应复杂、功能丰富应用的支援能力。


支援多种无线协定,与世界无缝沟通

目前,嵌入式应用与网路连线已经不再是新鲜事,物联网已问世多年,因为有许多应用都仰赖着网路。不过,到目前为止,众多应用主要还是选择某一种通讯模式,采用有线或无线的通讯。如果是後者,通常会选择一种无线协定,例如蜂巢、Wi-Fi或蓝牙。过去几年,嵌入式产业的无线通讯协定激增,从6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT,新协定层出不穷,但却没有统一标准,而是各种协定的混战。


以2.4GHz频谱为例,虽然蓝牙仍然是这个市场的主角,但Zigbee和Thread的热度不断上升。出於竞争或监管原因,许多公司还开发IEEE 802.15.4客制化协定。为结束无线网路通讯协定数量激增而造成混乱的局面,家庭自动化统一标准Matter也因而诞生,该标准运行在Wi-Fi、Thread、蓝牙等多种无线技术之上,并支援许多2.4GHz桥接技术,包括Zigbee和Z-Wave,而不仅采用一种无线技术。


因此,工程师面临着一个全新的挑战:为保持竞争力,必须打造一个支援多种无线协定的系统。如果采用一个支援多种无线技术的MCU,企业就可以用一个硬体平台满足多元市场的需求。例如,开发人员可以在一个区域使用专有的IEEE 802.15.4协定,在另一个区域则采用Thread,而无需更换硬体平台,只需修改程式码资料库,如此一来就可以缩短产品上市时间,并取得更大的设计弹性。


总之,到 2024 年,嵌入式系统开发人员在设计应用时必须考量到多协定,并选择出能够满足当前和未来需求的产品。


未来投资的安全性或保护


图三 : 智慧家庭产品的首要考量因素是「安全」
图三 : 智慧家庭产品的首要考量因素是「安全」

物联网会带来很多安全上的威胁。人们已经深刻认知到,嵌入式系统安全性是至关重要的。必须能够保护伺服器、程式码、终端使用者资料,甚至实体设备,以便於防止网路攻击。否则就可能会对产品及其品牌产生严重影响。而监管部门的干涉也为嵌入式安全带来新的挑战。欧盟、美国和许多其他国家和标准化机构已经推出新的资讯安全法规。这些新规范尚不明确或不是最终版本,有些内容仍在制定中。


业界一直在采用更正式的安全标准来因应这一新挑战。例如,平台安全架构(PSA)和物联网平台安全评估标准(SESIP)两大认证机构提供一整套完善的安全设计方式,帮助工程师保护嵌入式系统的资讯安全。这些认证有助於工程师开发针对未来的设计,并确保满足各种严格的网路安全要求。但这也意味着开发者不能事後增加安全功能,也不能在完成系统设计之後再进行认证。反之,需要在首次概念验证时就要考量其安全性,并采用能够满足对应认证等级的微控制器。


以智慧家庭应用为例,这些应用需要与云端服务共用个人资料和敏感性资料。越来越多的政府要求智慧家庭设必须具备加密通讯、物理攻击防御、软体入侵防护、安全无线更新系统、资料泄露侦测等功能。


一般情况下,SESIP三级认证能确保系统满足这些安全要求。但如果工程师未能选择能够获得此类认证的MCU,就可能让整个专案的安全性大打折扣。为确保产品能够满足特定的安全认证要求,硬体和平台都是需要考量的因素,因此,开发人员在选择 MCU 时必须采用新的思维方式。


最後,在分析影响2024年及以後的产业趋势时,不难发现,生态系统的建立者至关重要。运算效能取决於MCU,以及其运行的应用框架、中介软体和演算法。支援多种无线协定则需要新的开发工具,而保护嵌入式系统也需要基於硬体 IP 的实用软体解决方案。意法半导体多元而且完整的MCU选择以及丰富的生态系统,将能满足各种不同的应用安全需求,因应未来符合潮流的应用发展。


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