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IOT芯片看起来像什么?

随着物联网定义的发展,架构也在发展。

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由Ed Sperling和Jeff Dorsch

从表面上看,物联网芯片设计听起来是一个简单的话题。然而,深入研究就会发现,没有单一的物联网,当然也没有一种芯片能够在组成物联网的不断扩大的应用程序和市场中工作。

包括传感器,各种类型的处理器,越来越多的片内和片外内存类型,以及一长串的I/O和接口IP,芯片和芯片。也有不同的方法来封装这些设备,包括云中的定制asic、各种soc、2.5 d用于网络和服务器的芯片扇出晶圆级包装微机电系统和传感器集群。

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,还涉及到安全和安全方面的考虑。这增加了复杂性和成本,同时也增加了设计、验证、验证和调试这些设备所需的时间。

“物联网是很多很多不同应用的一种总称,”美联物联网战略营销经理罗恩·洛曼(Ron Lowman)说Synopsys对此。“实际上,您所看到的很多设计旨在涵盖多个应用程序,因此您有时您有超级符号 - 可能会为一个特定应用程序过度设计,但可以处理多个。这是一个不同的一件事。If you look at the mobile space, or many of the other spaces, they’re more optimized for one specific application and then re-used, where IoT has more of a general-purpose version and then in some cases, they’ll do specific designs and try to re-leverage them for the other markets. The other thing that’s different is, because it’s more broad and general-purpose sometimes (which is changing), volumes are increasing. So we’re being able to see more specific designs for specific applications. You saw that in metering, for instance, as much more targeted.”

简而言之,这些不是几年前预期的缩小商品化设计。


图1:物联网增长预测。来源:Gartner.

该公司产品营销经理杰夫•米勒(Jeff Miller)表示:“在高层次上,物联网是指将过去没有的东西连接到互联网上,然后在此基础上实现服务。门托,西门子的一家企业。“这里面有很多东西。为了实现这一点,我们有一个三层架构——服务器和云组件,连接物联网边缘设备和云的网关组件,以及组成互联网和现实世界接口的物联网边缘设备本身。”

重新定义的边缘
什么构成边缘设备并不总是清晰的。三年前,任何谈论边缘设备都不定位回到智能手表或连接的家用电器,该设备应该通过一些电子网关发送由多个传感器收集的数据来处理进行处理。虽然当时的技术似乎是一个逻辑进展,但是现实是通过传感器产生如此大的数据,即它能量效率低于向云发送到云进行处理,并且在某些情况下发送任何东西可以太慢。

这就是IOT为设计芯片而变得非常令人困惑的地方。一方面,这些设备需要廉价。但在一些市场中,他们还需要更加可靠,更安全,并符合许多标准,如ISO 26262.在汽车或OMAC和OPC工业标准中IIot.。这增加了将这些设备推向市场的成本和时间。最重要的是,特别是对于移动电子产品来说,这些系统需要极低的功率以节省电池寿命。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工作,不管具体的任务是什么。

“你必须在任何地方创新,”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,我们看到了55nm和40nm的芯片。将其转移到40nm和28nm将节省更多成本。由于微处理器利用了摩尔定律,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领域。”

其他削减成本的策略也加入进来。一种是将多个传感器打包成一个集群,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,构建一个集群比单独构建它们更便宜。

“我们的方向是向更加标准化的传感器单元发展,”华为工程集团总监Brandon Wang表示韵律。“这让它更像是一个平台,你明天就可以得到它,而不是一个专门的传感器,你可以定制设计。所以,每个系统都有传感器,但如果你设计一个传感器枢纽来优化这些传感器呢?”

正如Mentor的Miller所指出的,这一优势体现在许多物联网特定设计挑战中。“在物联网边缘,我们确实看到很多人都在专注于让这些设备尽可能适合用途。有很多因素推动着这个方向的发展,这些都是高产量的产品。它们将数十亿的东西连接到互联网上。它们必须是便宜的。他们会在外面工作。所以它们必须与物理方面相互作用并且必须满足电力需求。他们必须通过传感器和促动器与现实世界连接,这些传感器和促动器涉及高压、多物理、MEMS、光子学和其他物理领域,而不仅仅是电子领域。制造这些设备需要很多东西。它们往往是为特定的应用领域量身定制的,因为它们必须满足功率和物理尺寸的要求,有很高的体积要求,并且真的必须降低成本。”


图2:智能LED泛光灯。资料来源:Elitesementon.com.

中间地带
当思科最初开始预测将组成物联网的数十亿台设备时,其假设是数据将从边缘设备通过网关发送到云。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能量,在移动设备的情况下,这会影响电池寿命。因此,开发了各种中层服务器来将边缘设备与云连接起来。这就提供了第二个、有时是第三和第四个级别的过滤。

“我们现在在边缘上有IOT应用程序,最小化功率比我们在最大化性能上的历史焦点更重要,”Cadence的Comity IC和PCB集团高级集团总监Ian Dennison说。“改变了设计焦点。显然,功率关闭和电池电压频率扫描仍然是必要的步骤,但如果可以丢弃频率,则可以应用分层计算和阈值计算。“

其次,传感器产生太多的数据来将所有内容发送到云,这对中间级计算平台升起,这适合云和边缘之间的某处。它可以是一个智能或简单的网关,边缘服务器或雾服务器。

“当IoT首次出现时,这个想法是你会收集一切,并通过网关向云端发送,”Gartner研究副总裁Dean Freeman表示。“但数据量是巨大的。所以你不仅不必发送一切,你不必计算一切。如果您想要看到的只是异常值数据,那么您需要更少的数据传输。为什么一路走向云?根据网状网络,信号和连接,可以创建多分钟的延迟。解决方法是推动本机智能和一些Ai到边缘。“

但是边缘服务器/网关究竟是什么样的?到目前为止,没有明确的答案。


图3:Mentor的可定制物联网网关。资料来源:门托,西门子公司。

“中间地面是三个层面的模糊,”弗里曼说。“这可能是一个64位的架构。但它可能只不过是一个粗犷的PC。戴尔一直在建造基本上坚固耐用的服务器机架,塑料包装,以防止它们在工厂楼层上密封。它也可以是用作网关的标准电脑。“

但是,清楚的是,这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。这就是为什么人们如此争抢新型记忆的部分原因MRAM.、相变存储器、3D XPoint等。根据经典的冯·诺伊曼计算模型,虽然基本架构保持相同——在内存、处理器和I/O之间来回移动数据——但该方案中的变化正在开始出现。

服务器
基于云的服务器是物联网计算的第三阶段,这是目前一些最大的转变正在发生的地方,也是最大的投资。与通常使用一致的数据类型和可预测的数量的企业不同,边缘设备生成的数据既不一致又大量。例如,这些数据可以作为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。

要处理这一点,芯片制造商和系统公司已经开始为逻辑和吞吐量的全新架构开放,同样地将一些处理移动到网络中或甚至进入各种类型的记忆中。

尼克·伊尔亚迪斯,投资组合技术副总裁迈威尔公司他指出,软件定义的存储是最大的变化之一。他说,云计算的两个趋势是超收敛和超伸缩。

“通过超级度验证,您可以在垂直配置中添加计算和存储,”Ilyadis解释说。“通过高度扫描,您可以向网络添加更多单位,并添加更多带宽。所以超准验证已经上升,超出了。“

他说,使这两种概念工作,特别是在数百万虚拟机中,需要在整个云体系结构中进行更改。因此,NVM Express,用于固态驱动通信的协议,对FABRICS(NVMEOF)的NVM Express表示。SSD为网络内存提供了通往网络优化的SSD。“改变的是与SSD驱动器和应用程序更好的同步,”Ilyadis说。

记忆是创新的关键领域之一。虽然DRAM和SRAM仍然是进入技术,但改进正在放缓。Craig Hampel,首席科学家兰姆斯他说,历史上,动态随机存取记忆体缩放提供了35%从缩放的成本提高,但到2010年,这已经降至25%。这引用了LED芯片制造商来查看许多新的内存类型,包括MRAM,相变存储器,RERAM,以及负载减少的DIMM(LRDIMM),非易失性DIMM(NVDIMM),存储类存储器DIMM(SCMDIMM),并在将来缓存DIMM。

但它不仅仅是关于记忆类型。它还能够在传统上使用的不同地方物理地定位内存,这基本上震动了传统的冯·Neumann架构。

“内存解决方案有三个必需品,”汉普尔说。“首先,它需要满足内存的功能需求,以实现块大小和成本。其次,它是一个无处不在的界面。无论何处有一个洞,有些地方可以放置存储,但对于一些现有的内存类型,延迟和块大小太高。第三件事是你需要软件意识能够利用该记忆。“


图4:基于微软Azure云的健康监测架构。来源:微软

安全
悬挂在所有这些设备上都越来越担心安全性。这使它特别具有挑战性是,随着更多这些设备连接,所有三个级别的设备可能会通过互联网进行互联网。

需要在架构级别解决安全性的安全性。并且所涉及的组件越多,它越难以确保电子设备或系统。

公司营销副总裁史蒂夫·门索尔说:“把所有东西都放到一个芯片上可以减少黑客攻击。Achronix。“在董事会层面上,你可以探测信号并解除通信程序。如果它处于死亡状态,就很难进入。这在汽车领域尤其重要,因为如果它是独立的,即使芯片发出信息,也很难进入芯片。”

即使是客户愿意为之支付,安全将永远不会完整或持久。它需要不断更新,并且这些更新可能会将漏洞添加到其他设备。

“在移动设备中,总是存在一个设备安全问题,”Bernd Stamme说,他是现场应用工程副总裁公斤。“机顶盒行业已经发展出一套精密的钥匙系统。如果你弄坏了一个钥匙,你就可以得到免费的电影。但根据他们的方法,只有一个人能使用那把钥匙。密钥作为信任根建立,然后根据密钥配置进行更新。建立识别和基地授权。但这不仅仅是身份证明。这也包含了生产代码。更新取决于生产时间。这是很难管理的,我们开始在开门器和开窗器等设备课程中看到这种情况。”

安全影响到设计的每个部分,从添加到这些设备的IP到IP的来源,再到制造芯片的交付。如果芯片制造商内部安全松懈,IP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,营销副总裁克罗斯夫特。“如何管理它以及如何与之联系起来是关键。你可以添加加密代码。”

这是需要在芯片周围内构建的信任链的一部分,并且包括如何从IP存储和管理数据如何共享数据。“这不仅仅是IP块,”艾迪卡里说。“它也是最好的实践,流动和脚本。”

米勒导师的同意。“假设你得到了你想要的芯片,涉及的供应链安全都很好,那么你就必须应对这样的挑战:‘这在安全系统中如何发挥作用?归根结底,安全更多的是一种过程,而不是一种产品。”

但即使采用了最佳实践,并在设备中内置了安全性,在物联网中,这些设备还必须与其他设备协同工作。这是去年秋天随着Mirai分布式拒绝服务攻击而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。

“令人惊讶的是,有很多芯片正在设计几乎没有安全性,或者他们认为他们会用软件利用它,”Synopsys'Dredman说。“在过去的一年里,可能更多的是2017年,这已成为我们所看到的违规行为的重要话题。如果他们必须,人们只会实施安全性,因为它有一个与之相关的成本。是什么让他们这样做是他们的最终客户,“我们必须拥有这种类型的安全认证,”或者他们已经违反了自己并希望在未来保护。那些可能是安全的两个最驾驶的需求。但是,您今天有系统到位 - 例如,即使是远程信息处理或车辆跟踪 - 也完全不安全。他们开始通过软件将一些加密放入该软件。但最近,我们与这些最近违反的事实不够好了。“

结论
物联网不是一件单一的东西。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面或多或少是界定的边缘、中间和云,但随着物联网开始成型,未来几年内,适合的领域可能会发生变化。这将影响这些系统的设计、成本和可伸缩性。

连接事物有许多明显的优点。一个智能洒水系统可以在下雨的时候关闭。一辆联网的汽车可以在前方发生事故时提醒驾驶员,并提供备选路线。智能街灯可以根据交通和邻里偏好进行调整。智能机器可以在中断工业运行之前发送一个零件即将失效的信息。

也有缺点。如果连接了所有内容,数据可以被盗,机器可以共同选择,并且在设备的情况下,由于更新的机器与另一台计算机相互作用的设备的操作不那么少的可预测性 - 每个计算机用户都知道的问题当他们更新他们的操作系统时,他们的打印机驱动程序不再有效。但是,清楚的是,无论存在什么问题,所有这些问题都需要在每个连接的水平处得到解决。建立一个IOT芯片只是一个有望成为巨大的机会和颅满足的第一步。

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4评论

嗯范 说:

谢谢Ed,这是我读过的关于物联网芯片现状的最好的文章之一。

raghuraman. 说:

这是我最接近的IoT变得实用,真正在时尚。是的,设备必须忘记通信,忘记计算,通过外部设备('hub')来互联网,并继续执行他们在做的事情。将IP地址添加到“HUB”看起来比将所有设备连接到Internet更实用。

克劳德Marescot 说:

物联网芯片启发。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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