全球嵌入式技術(shù)與IoT產(chǎn)業(yè)回顧與展望

       Review and outlook of embedded technology & IoT industry

　　作者/何小慶 嵌入式系統專(zhuān)家摘要：半導體公司的并購、IoT和AI熱潮驅動(dòng)嵌入式技術(shù)向安全、低功耗和互聯(lián)的方向發(fā)展，AI和IoT 將越來(lái)越多呈現“一體化”趨勢，“人工智能”逐漸向“應用智能”發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也將會(huì )向“智聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；嵌入式視覺(jué)；MCU*本文來(lái)源于“嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )主題討論會(huì )（總第23次）——物聯(lián)網(wǎng)與人工智能時(shí)代的嵌入式系統”上何小慶老師的報告，已經(jīng)過(guò)作者確認。該會(huì )議主辦方：嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )，時(shí)間：2018年11月24日，地點(diǎn)：北京航空航天大學(xué)

       1 半導體行業(yè)的并購

       全球半導體行業(yè)的并購是從2015年開(kāi)始提速，到了2016年發(fā)展到頂峰，之后逐漸回落 ^[1] 。我們看到過(guò)去幾年發(fā)生了不少并購，一個(gè)就是高通（Qualcomm）收購恩智浦（NXP），因為中國商務(wù)部沒(méi)有批準，最后這件事情沒(méi)發(fā)生，恩智浦現在又開(kāi)始獨立運作了。
　　其實(shí)之前恩智浦已經(jīng)把飛思卡爾（Freescale）給收購了。飛思卡爾是我們嵌入式行業(yè)一家著(zhù)名半導體公司，加上原來(lái)恩智浦就已經(jīng)是歐洲著(zhù)名的嵌入式芯片公司，恩智浦是中國金融信息系統中的重要供應商。
　　還有一些小規模的嵌入式芯片公司的收購，或許我們沒(méi)有在意，例如微芯（Microchip）收購了愛(ài)特梅爾（Atmel），這兩家都是做單片機（MCU）出身的。
　　還有瑞薩（Renesas）公司，在MCU業(yè)一直名列前茅（注：在中國市場(chǎng)，日本公司通用MCU的市場(chǎng)占有率一直很低，名氣也沒(méi)有歐美企業(yè)大。），2016年收購了Intersil公司。Intersil是做模擬器件方面的。最近美滿(mǎn)（Marvell）把做網(wǎng)絡(luò )通信的芯片公司Cavium公司收購，我們知道Marvell一直要收購其他芯片公司，曾經(jīng)也開(kāi)出了很高的價(jià)格收購高通。最近把做網(wǎng)絡(luò )處理器的公司收購。
　　那么，驅動(dòng)并購最重要的原因是什么？就是成本不斷的增加，包括人工的成本上升和由于工藝提升引起的制造成本的上升，但是芯片的價(jià)格卻是越來(lái)越便宜。因為股東對于盈利的需求，給半導體企業(yè)的運營(yíng)者帶來(lái)很大的壓力。股東和運營(yíng)者希望通過(guò)并購，能夠實(shí)現芯片公司更好的盈利。
　　收購一般將會(huì )花費兩三年的時(shí)間才可以整合好。多數收購是積極和正面的。長(cháng)遠來(lái)看，并購可以幫助芯片企業(yè)在IoT和人工智能（AI）方面發(fā)展。
　　半導體公司的并購將會(huì )驅動(dòng)嵌入式芯片企業(yè)向更高的性能、更安全以及更低成本的方向發(fā)展。從2018年開(kāi)始，我們看到 IoT市場(chǎng)已經(jīng)有一些性能更強、安全性和連接性更好的芯片出來(lái)，比如NXP RT系列高能MCU和 Microchip 的IoT 芯片整體解決方案。
　　半導體公司的并購還將幫助嵌入式芯片公司進(jìn)入人工智能和IoT的一些垂直應用市場(chǎng)，例如無(wú)人駕駛，這個(gè)市場(chǎng)非常熱；還有計算機視覺(jué)(CV)，也有人稱(chēng)之為嵌入式計算機視覺(jué)（Embedded Vision），這是一個(gè)更廣義的人工智能應用領(lǐng)域，或者說(shuō)人工智能讓這個(gè)傳統的技術(shù)再放異彩。2019年2月德國紐倫堡嵌入式世界展覽和大會(huì )上有專(zhuān)門(mén)的Embedded Vision 專(zhuān)題和論壇談?wù)?，每?月在美國硅谷有Embedded Vision 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟組織大型的技術(shù)峰會(huì )。
　　我們可以看到像三星收購HARMan，HARMan是做汽車(chē)電子的；Intel收購Mobileye進(jìn)入計算機視覺(jué)。
　　也把中國一家叫深鑒科技的初創(chuàng )公司收購了，后者有清華大學(xué)的技術(shù)背景，專(zhuān)注于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )研究、深度壓縮技術(shù)及系統級優(yōu)化。ARM在大約2018年投資了一家數據分析公司，該公司支持邊緣計算。目前垂直市場(chǎng)的容量還比較小，大家看好的是未來(lái)的發(fā)展。大的IT公司，包括谷歌、亞馬遜和微軟，也是在人工智能和IoT相關(guān)的領(lǐng)域里投資。
　　半導體公司的并購還將影響處理器架構市場(chǎng)，現在的情況是ARM依然獨領(lǐng)風(fēng)騷。但是RISC-V現在聲名大振，中國第一代的集成電路的專(zhuān)家——許居衍院士，對于RISC-V非?？春?sup> [2] 。IoT的需求會(huì )推動(dòng)處理器架構技術(shù)的轉型發(fā)展，因為 IoT系統是一種隱形的計算，即看不見(jiàn)的計算。這種設備不像我們的電腦和終端，你會(huì )拿在手上或者會(huì )放在桌面。在這種看不見(jiàn)的計算當中，不一定要使用ARM架構的處理器，可以是其他架構的處理器。雖然這些架構處理器的生態(tài)系統沒(méi)有ARM 這么好，但是因為計算模式比較簡(jiǎn)單，生態(tài)環(huán)境就不是主要的問(wèn)題了。而且由于這些處理器有開(kāi)放的架構，他們的優(yōu)勢可能會(huì )呈現出來(lái)。RISC-V基金會(huì )也有300多家成員，市場(chǎng)非?；钴S，高校拿RISC-V做教學(xué)，科技巨頭紛紛宣布支持RISC-V，并且涌現出一批初創(chuàng )的科技公司，臺灣的Andes（晶心科技）和杭州中天微（注：現在已經(jīng)被阿里收購，叫平頭哥）等已經(jīng)支持基于RISC-V 架構芯片設計，已經(jīng)有相應的IP可以授權給半導體公司。
　　2 物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算

       IoT后面的發(fā)展就是人們非?？春眠吘売嬎?。什么是邊緣計算呢？美國韋恩州立大學(xué)施巍崧教授在《Edge Computing: Vision and Challenges》論文當中給出邊緣計算的定義：邊緣計算是一種可以在網(wǎng)絡(luò )的邊緣完成的計算技術(shù)，這種技術(shù)和平臺在云和IoT設備之間上傳和下載數據，以平衡系統的計算、實(shí)時(shí)性、功耗和安全方面的需求 ^[3] 。
　　為什么要使用邊緣計算？這里有三大要素：能耗、帶寬和隱私。最早去踐行邊緣計算的企業(yè)是美國的通用電氣（GE）。GE是一家工業(yè)設備的巨頭，它對邊緣技術(shù)的定義是這樣的：靠近數據源存在的計算基礎設備，例如工業(yè)控制器和來(lái)自各種設備傳感器的數據集合，這些設備通常遠離云計算中心。
　　邊緣計算的三大要素，第一是安全和隱私，因為有時(shí)候設備廠(chǎng)商不太希望把產(chǎn)生的設計數據放到云端。第二是能耗，如果我們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（CNN）的深度學(xué)習(Deep Learning)的AI方法，如果將數據訓練和模型推理都在云端服務(wù)器上完成，無(wú)論算得如何快，都將導致在云端和設備端直接、大量和反復地傳遞數據，這樣消費的能耗和帶寬都將是巨大的，而且傳輸中的數據延遲可能會(huì )造成系統實(shí)時(shí)性降低。如果我們將數據訓練和模型推理放在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，實(shí)時(shí)性或許可以解決，但是在設備端，無(wú)論算力和能耗都是無(wú)法承受的。要想滿(mǎn)足這三大要素，邊緣計算將是比較好的解決方案，即將數據訓練繼續放在云端，模型推理放在邊緣計算端，這樣可以平衡實(shí)時(shí)性、安全隱私和能耗的需求。
　　傳統的嵌入式企業(yè)，像恩智浦（NXP）是邊緣計算的積極倡導者，研華公司也是早期就做邊緣計算設備的企業(yè)。需要指出的是，邊緣計算設備一般會(huì )安裝在系統傳感和執行端，多數邊緣計算設備是嵌入式系統。從物聯(lián)網(wǎng)系統角度看，邊緣計算設備是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統的一個(gè)組成部分，不能單獨存在，需要云計算和人工智能技術(shù)的支撐和服務(wù)。邊緣計算技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目前處在初期階段，云計算、通信設備和嵌入式企業(yè)非常關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展是邊緣計算興起的最大推手。
　　物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大致分成兩個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期是從互聯(lián)走向智能，第二個(gè)時(shí)期從智能走向自治。目前大多數物聯(lián)網(wǎng)項目還是處于第一個(gè)時(shí)期，正進(jìn)入第二個(gè)時(shí)期，邊緣計算將發(fā)揮重要作用，邊緣計算也將迎來(lái)快速發(fā)展的時(shí)期，人工智能正向邊緣和終端側延展，嵌入式人工智能時(shí)代將要來(lái)到。
　　3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

       IoT云平臺就是物聯(lián)網(wǎng)的云端，我們稱(chēng)之為IoT云。過(guò)去幾年，IoT的云平臺發(fā)展得比較順利，趨于成熟。云計算可分為軟件即服務(wù)（SaaS），平臺即服務(wù)（PaaS）和基礎架構即服務(wù)（IaaS）。IoT云平臺符合PaaS的定義。IoT借助云計算的快速發(fā)展。目前來(lái)看，IoT的云平臺方面，各個(gè)IT大佬在跑馬圈地，我們可以看到國內和國際的IT企業(yè)都在做這件事情，以前我們會(huì )看到一些在美國和中國的創(chuàng )業(yè)公司專(zhuān)門(mén)做IoT云，像廣州機智云，但現在還繼續在做IoT云的創(chuàng )業(yè)公司已經(jīng)很少了。
　　現在IT大佬已經(jīng)把觸角往下探了，他們甚至去投資一些IoT芯片和模組的公司，還有物聯(lián)網(wǎng)操作系統（IoTOS），例如阿里已經(jīng)投資到IoT OS，產(chǎn)品是，阿里希望阿里云能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通到模組和傳感器，能夠把客戶(hù)的數據拿到?？蛻?hù)可以注冊一下，諸如百度云、阿里云或者亞馬遜云，剛開(kāi)始可能半年或者一年，或者用戶(hù)的節點(diǎn)很少的時(shí)候，全部是免費。只有當這位用戶(hù)的數據量上來(lái)之后，才有收費的模式。所以這個(gè)領(lǐng)域在跑馬圈地，真正大數據的經(jīng)濟效益還在后面。
　　4 物聯(lián)網(wǎng)操作系統

       嵌入式操作系統未來(lái)趨勢就是向IoT OS發(fā)展。
　　2017年，筆者在《嵌入式操作系統風(fēng)云錄：歷史的演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)》一書(shū)中，把這段歷史作了比較詳盡的描述，其中嵌入式操作系統和IoT OS銜接最緊密的是實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統（RTOS）和開(kāi)源的Linux ^[4] 。
　　過(guò)去幾年 IoT 成為重要風(fēng)口，眾多國內外科技巨頭以及中小企業(yè)開(kāi)展了在 IoT 方面的布局，阿里云稱(chēng)IoT 是其第五賽道，以阿里云為支撐，在端側有，在其上阿里有物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)和一站式開(kāi)發(fā)平臺，再上面就是包括消費和行業(yè)應用。華為布局AIoT, 推出標準協(xié)議。在端側，華為有Huawei LiteOS，端云結合是通過(guò)OceanConnect，它是華為云推出的IoT聯(lián)接管理平臺。行業(yè)應用上，華為重點(diǎn)推廣NB-IoT。
　　亞馬遜推出Amazon FreeRTOS ，借助嵌入式系統最具影響力的RTOS- FreeRTOS，亞馬遜擴展其在物聯(lián)網(wǎng)系統中的市場(chǎng)地位，借助AWS IoT云和邊緣計算技術(shù)，為開(kāi)發(fā)者提供一站式解決方案 ^[5] 。
　　微軟在物聯(lián)網(wǎng)設備端布置Azure Sphere OS，可以運行在MCU上，邊緣側微軟有Azure IoT Edge，可以運行在Linux 和Windows 系統，在云端微軟有，負責對IoT設備進(jìn)行安全管理和維護。
　　是最早推出的IoT OS，在行業(yè)具有標桿作用。2018年ARM 推出ARM Pelion IoT Platform，提供端-端IoT 安全解決方案。據悉Pelion計劃在2019年在中國落地 ^[6] 。

       5 物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)

       我們看一下物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)，這幾年有許多新的發(fā)展。
　　第一個(gè)就是藍牙5.0。藍牙是一個(gè)古老的點(diǎn)到點(diǎn)近場(chǎng)通訊技術(shù)，到了藍牙5.0之后，藍牙技術(shù)真正進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，許多智能家居應用可以使用藍牙5.0技術(shù)了。
　　第二就是NB-loT，是4G網(wǎng)絡(luò )到5G發(fā)展之后出現的一個(gè)分支——一個(gè)分支走向高速高帶寬、另一個(gè)分支走向低速低功耗。NB-IoT技術(shù)目前發(fā)展得也非?？?，特別是在中國，中國電信、中國移動(dòng)和中國聯(lián)通目前在主要的城市都有網(wǎng)絡(luò )的布置，包括水、電和氣在內的公共服務(wù)和其他應用正在實(shí)施之中。5G應該能夠推動(dòng)兩大應用領(lǐng)域的發(fā)展，第一個(gè)是無(wú)人駕駛。如果沒(méi)有5G，無(wú)人駕駛基本上不太可能。例如一輛無(wú)人駕駛車(chē)在道路上高速行駛，突然遇到行人沖到主路，這時(shí)系統需要在很短時(shí)間內做出識別并剎車(chē)動(dòng)作，如果沒(méi)有5G的網(wǎng)絡(luò )，無(wú)人駕駛就連基本安全保障也很難做到，一直會(huì )屬于實(shí)驗室，或者某個(gè)園區里面實(shí)驗產(chǎn)品。
　　另外一個(gè)5G的重要應用場(chǎng)景就是AR（增強現實(shí)）
　　和VR（虛擬現實(shí)）。AR在設備維護等行業(yè)應用中，現在4G的帶寬對智能AR眼鏡功耗和延遲都是太大，智能眼鏡因為尺寸限制，只能放一個(gè)很小的電池，延遲大造成專(zhuān)家遠程指導效果失真，直接造成重大經(jīng)濟損失。
　　6 物聯(lián)網(wǎng)安全

       2016年10月21日，北美地區若干重要網(wǎng)站無(wú)法正常訪(fǎng)問(wèn)，包括twitter、paypal、github等。本次安全事件是由于美國知名網(wǎng)絡(luò )域名服務(wù)提供商Dyn遭受到強力的DDoS攻擊所致。Flashpoint公司已經(jīng)確認Mirai僵尸網(wǎng)絡(luò )參與了該DDoS攻擊。Mirai是一種主要感染IoT設備的僵尸程序，該僵尸程序在源碼公開(kāi)后，被黑客快速利用并擴散形成了大量的僵尸網(wǎng)絡(luò )。
　　全球已有130萬(wàn)臺以上的監控探頭和攝像機等物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備感染了Mirai病毒。Mirai之后，大家才開(kāi)始認為物聯(lián)網(wǎng)安全確實(shí)已經(jīng)刻不容緩。IoT安全漏洞的案例很多，小到玩具，大到工業(yè)設備都面臨了IoT安全隱患。
　　從2015年開(kāi)始，筆者一直主持上海一個(gè)嵌入式系統安全論壇。筆者有一個(gè)感受，就是IoT安全不好做，如果只是一家公司則做不了安全，IoT安全需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，需要從芯片到云端的整體解決方案，即大家一起來(lái)打造安全，甚至包括開(kāi)發(fā)者和維護人員都要有這種安全的意識，才能使整個(gè)設備和系統安全。
　　另外一個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)是未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)只有設備本身的功能安全（Safety）還不夠，信息安全（Security）講得也不夠。這兩個(gè)安全現在目前的看法就是要融合在一起。最近有一個(gè)新的工業(yè)信息安全的標準(IEC62443)，西門(mén)子已經(jīng)剛剛通過(guò)了TUV組織的認證。IEC62443把兩個(gè)安全標準融合在一起，作為一個(gè)實(shí)施準則來(lái)做，現在看 IoT的安全任重道遠，甚至可能是一個(gè)最后要攻下的堡壘，最難做的一件事情。
　　7 結論

       未來(lái)嵌入式技術(shù)三大方向，第一個(gè)是萬(wàn)物互聯(lián)；第二個(gè)是綠色環(huán)保，即低功耗；最后一個(gè)就是嵌入式系統安全，安全一定是功能安全和信息安全的融合。未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，AI和IoT 將越來(lái)越多呈現“一體化”
　　趨勢，“人工智能”逐漸向“應用智能”發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也將會(huì )向“智聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展。

　　參考文獻

       [1]劉慶.2018年中期的MCU市場(chǎng)狀況和展望.電子產(chǎn)品世界

       [2]何小慶,胡曉柏.嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )十周年會(huì )刊

       [3]施巍松.邊緣計算[M].北京：科學(xué)出版社

       [4]何小慶.嵌入式操作系統風(fēng)云錄[M].北京：機械工業(yè)出版社

       [5]何小慶.談?wù)凢 reeRTOS及其授權方式[J].單片機與嵌入式系統應用

       [6]何小慶.物聯(lián)網(wǎng)操作系統研究與思考[J].電子產(chǎn)品世界

       作者簡(jiǎn)介：

       何小慶，著(zhù)名的嵌入式系統專(zhuān)家，麥克泰軟件公司創(chuàng )始人，《單片機與嵌入式系統應用》編委會(huì )副主任。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第7頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處