下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代的新網(wǎng)宇實(shí)體系統影響

工業(yè)發(fā)展的驅動(dòng)力為何？決策者應該注意些什么？當許多人開(kāi)始揣測時(shí)，意法半導體（ST）以創(chuàng )新的網(wǎng)宇實(shí)體系統如何開(kāi)啟下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代為依據推導結論。在2022年國際固態(tài)電路會(huì )議（ISSCC 2022）上，意法半導體模擬、MEMS和傳感器產(chǎn)品部總裁Marco Cassis發(fā)表ST在傳感器、人工智能、通訊等領(lǐng)域取得的技術(shù)突破。同時(shí)，ST正思考以「下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代」為背景探討的新趨勢。

何謂下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代？
第一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代
自動(dòng)化時(shí)代的概念非常廣泛，并涉及許多基礎性的問(wèn)題。作為信息時(shí)代的產(chǎn)物，自動(dòng)化時(shí)代指的是機器開(kāi)始執行復雜任務(wù)、幾乎沒(méi)有人機互動(dòng)的時(shí)代。全球信息系統和生產(chǎn)數字化引發(fā)了第一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代。在那個(gè)時(shí)代，自動(dòng)化為經(jīng)濟社會(huì )帶來(lái)巨大的變化。制造業(yè)生產(chǎn)效率明顯提升，就業(yè)市場(chǎng)為新人才敞開(kāi)大門(mén)。簡(jiǎn)言之，自動(dòng)化是第三次工業(yè)革命的核心，根據世界經(jīng)濟論壇的數據，未來(lái)幾年自動(dòng)化發(fā)展將明顯持續加速。


圖1 : 機械自動(dòng)化制造

下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代
由于「網(wǎng)宇實(shí)體系統（Cyber-Physical Systems；CPS）」的概念帶來(lái)了技術(shù)融合，如今確實(shí)正在經(jīng)歷一個(gè)新的自動(dòng)化時(shí)代。CPS是2017年正式提出的「智能系統概念，包含由物理組件和計算機建構成的互動(dòng)網(wǎng)絡(luò )?！购?jiǎn)言之，CPS網(wǎng)宇實(shí)體系統具有傳感器和致動(dòng)器，透過(guò)其連網(wǎng)的智能運算系統與世界互動(dòng)。

前文引用了網(wǎng)宇實(shí)體系統的官方定義，許多人可能疑惑，網(wǎng)宇實(shí)體系統與物聯(lián)網(wǎng)系統有何不同?美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）意識到此問(wèn)題，并給出了多種方法解釋兩者間的差異。在眾多解釋中，ST采納了網(wǎng)宇實(shí)體系統代表一個(gè)包含物聯(lián)網(wǎng)在內的超級集合概念。

確實(shí)，網(wǎng)宇實(shí)體系統還提供了控制系統和機器學(xué)習應用，而傳統物聯(lián)網(wǎng)平臺中大多不具有這類(lèi)配置。雖然物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)宇實(shí)體系統有許多共同之處，但網(wǎng)宇實(shí)體系統超越了傳統物聯(lián)網(wǎng)的范疇。事實(shí)上，網(wǎng)宇實(shí)體系統的控制和人工智能等兩大功能是引發(fā)下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代的部分誘因。

 
圖2 : 慣性傳感器LSM6DSOX具有機器學(xué)習的核心。

嵌入式AI是下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代的核心技術(shù)
提前數年入場(chǎng)的先發(fā)優(yōu)勢
時(shí)至今日的邊緣人工智能大眾化源自于市面提供了成熟的開(kāi)發(fā)工具。微控制器機器學(xué)習開(kāi)發(fā)工具NanoEdge AI Studio和STM32Cube.AI或LSM6DSOX MEMS的機器學(xué)習核心開(kāi)發(fā)軟件Unico GUI，多年來(lái)持續更新迭代。ST也提供FP-AI-FACEREC1等開(kāi)源樣本，讓開(kāi)發(fā)人員在幾分鐘后就能創(chuàng )建一個(gè)機器學(xué)習應用程序。同樣地，ST的狀態(tài)監測解決方案可滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境的可靠性要求。甚至還免費提供由 UCLA大學(xué)William Kaiser教授所設計的嵌入式機器學(xué)習課程，并透過(guò) GitHub和ST機器學(xué)習核心庫與開(kāi)源社群的開(kāi)發(fā)者密切互動(dòng)。

性能可靠、功能豐富的開(kāi)發(fā)工具的出現對工作流程和業(yè)界造成了顛覆性變化。2018年，欲開(kāi)發(fā)嵌入式機器學(xué)習應用的學(xué)生使用ST的開(kāi)發(fā)工具并在學(xué)術(shù)環(huán)境下，經(jīng)大學(xué)教授協(xié)助，終于開(kāi)發(fā)出嵌入機器學(xué)習應用。今日，相似的項目?jì)H需要點(diǎn)擊幾下鼠標即可完成。2018年，鮮少人知曉如何于嵌入式系統上使用機器學(xué)習技術(shù)。2020年，根據ST合作伙伴Siana設計公司介紹，越來(lái)越多客戶(hù)在尋求機器學(xué)習的應用，并實(shí)際應用。最近市面上可見(jiàn)販賣(mài)的智能手表或手機使用ST機器學(xué)習解決方案，以決定何時(shí)開(kāi)啟屏幕或進(jìn)行運動(dòng)紀錄，而其功耗卻僅有一般的一小部分。


 
圖3 : 嵌入式人工智能是下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代的核心技術(shù)。

在整個(gè)業(yè)界下的 ST
由前文可得知，ST的合作伙伴已自邊緣人工智能中受益，因為他們幾年前就有了開(kāi)發(fā)邊緣AI所需的工具、文件和運算能力。分析師估計邊緣人工智能很快將經(jīng)歷幻想破滅的低谷。大多數競爭工具皆是近期才出現的，因此開(kāi)發(fā)人員仍在學(xué)習使用工具，并弄清楚用它們能做些什么。另一方面，ST工具已經(jīng)存在許多年，所以ST的客戶(hù)已提前幾年預測到人工智能趨勢，正在有效地利用這項技術(shù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

異質(zhì)整合是下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代的驅動(dòng)力
異質(zhì)整合為CPS賦能
網(wǎng)宇實(shí)體系統并不是新概念，NIST在2017年正式定義了這個(gè)概念，且事實(shí)上，早在2014年就有一個(gè)工作小組在進(jìn)行此方面的研究，ST在2018年發(fā)表了首個(gè)關(guān)于此專(zhuān)題的論文，此后便不斷在探索網(wǎng)宇實(shí)體系統。而時(shí)至今日為何又開(kāi)始關(guān)注此話(huà)題呢？因為創(chuàng )新正在使有影響力的異質(zhì)整合技術(shù)成為CPS的核心技術(shù)。許多人熟悉傳統上涉及使用不同處理內核的異質(zhì)計算。因為代工廠(chǎng)很難突破更小制程節點(diǎn)的物理限制，異質(zhì)運算有助于摩爾定律持續下去。

Marco Cassis強調，因為從異質(zhì)計算走向了異質(zhì)整合，所以業(yè)界正在經(jīng)歷一個(gè)新的自動(dòng)化時(shí)代。事實(shí)上，ST不僅在同一顆芯片上整合不同的 Cortex-M 內核，而且還在做更大的事情。ST整合機器學(xué)習核心與環(huán)境傳感器，開(kāi)創(chuàng )新的機器學(xué)習應用，也在利用GaN或SiC等新材料研制更多的功率組件，進(jìn)而創(chuàng )建新型蜂巢式網(wǎng)絡(luò )。我們的相變化內存研發(fā)活動(dòng)正在優(yōu)化汽車(chē)處理器的性能，而B(niǎo)CD（BIPOLAR-CMOS-DMOS）技術(shù)繼續讓芯片具有更復雜和多樣化的功能。


 
圖4 : 異質(zhì)整合為新產(chǎn)品賦能

下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代需要業(yè)界攜手合作
簡(jiǎn)而言之，ST在見(jiàn)證下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代，但也試圖提醒業(yè)界合作的重要性。隨著(zhù)網(wǎng)宇實(shí)體設備變得越來(lái)越智慧，妥善保護設備的安全問(wèn)題更需要被解決。此外，人工智能的出現意味著(zhù)安全防御措施必須能夠抵御更強的攻擊。同樣地，業(yè)界必須為永續發(fā)展團結一致，下一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代必須應對氣候危機，并提出鼓舞人心的解決方案，以提振全體社群的信心。