無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)對元器件帶來(lái)哪些挑戰

1 物聯(lián)網(wǎng)存在廣泛的無(wú)線(xiàn)連接方案

Silicon Labs（ 亦稱(chēng)“ 芯科科技”）作為一家專(zhuān)注于物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)，擁有業(yè)界全面的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品組合，支持多樣化的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，包括藍牙、Matter、專(zhuān)有協(xié)議、Thread、Wi-SUN、Wi-Fi、Zigbee 和Z-Wave 等。

Daniel Cooley(芯科科技 首席技術(shù)官兼技術(shù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)高級副總裁)

不同的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)有著(zhù)各自的特性，可應用于不同的垂直領(lǐng)域。智能家居、智慧城市、互聯(lián)健康、工業(yè)和商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等都是芯科科技重點(diǎn)關(guān)注的應用領(lǐng)域，芯科科技也針對這些領(lǐng)域推出了多種全新的產(chǎn)品和解決方案，以滿(mǎn)足不同的應用需求。

在智能家居領(lǐng)域，Matter 作為應用層協(xié)議出現，為智能家居設備提供了一種通用語(yǔ)言。芯科科技以2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)MG24 SoC 為核心的Matter 開(kāi)發(fā)平臺可支持低功耗藍牙（BLE）、Wi-Fi 和Thread。同時(shí)，面向Matter 的Unify SDK 軟件開(kāi)發(fā)平臺則為開(kāi)發(fā)人員提供了將Matter 橋接到其他物聯(lián)網(wǎng)平臺（包括Zigbee和Z-Wave）所需的環(huán)境和工具。這些硬軟件開(kāi)發(fā)平臺將推動(dòng)智能家居技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)而徹底改變智能家居體驗。除了智能家居，MG24 及其一同推出的BG24 也可用于互聯(lián)健康領(lǐng)域。此外，2023 年3 月，芯科科技還推出了專(zhuān)為極小尺寸物聯(lián)網(wǎng)設備而設計的BG27 和MG27SoC，這對極小的電池優(yōu)化型互聯(lián)醫療設備、可穿戴醫療設備而言，是非常理想的選擇。

面向智慧城市、智慧農業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等距離覆蓋應用場(chǎng)景，Sub-GHz 無(wú)線(xiàn)技術(shù)非常重要且應用廣泛，這包括Wi-SUN 等行業(yè)標準，Amazon Sidewalk 這樣的服務(wù)商協(xié)議，以及專(zhuān)有協(xié)議。芯科科技在這方面可以提供完整的解決方案，包括專(zhuān)為Wi-SUN 和專(zhuān)有協(xié)議設計的旗艦版FG25 SoC，以及同時(shí)支持Amazon Sidewalk、Wi-SUN 和專(zhuān)有協(xié)議的全新雙頻FG28 SoC。

2 無(wú)線(xiàn)元器件的挑戰

看看今天的物聯(lián)網(wǎng)，我們已經(jīng)安裝了350~400 億臺設備，而且這個(gè)數字還在快速增長(cháng)中。據估計，當前物聯(lián)網(wǎng)設備在我們的工廠(chǎng)、工作場(chǎng)所、家庭、辦公室、城市、醫療設施等場(chǎng)景中產(chǎn)生了（5.5~12.6）萬(wàn)億美元的影響。在這些終端產(chǎn)品上傳輸的數據將帶來(lái)更高的安全性、效率和生產(chǎn)力，而推動(dòng)這一增長(cháng)的芯片將需要更多的無(wú)線(xiàn)、安全、計算/ 機器學(xué)習和軟件能力。

在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的持續演進(jìn)與創(chuàng )新無(wú)疑是最為重要的。當前，存在著(zhù)種類(lèi)繁多的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和協(xié)議，沒(méi)有哪種技術(shù)是可以滿(mǎn)足所有應用的。所以，一方面要通過(guò)Matter 這樣跨多種底層技術(shù)的應用層協(xié)議去實(shí)現生態(tài)的融合；另一方面，也要通過(guò)分析各種應用場(chǎng)景的需求，掌握各種無(wú)線(xiàn)協(xié)議的優(yōu)勢，來(lái)定義不同的芯片功能，進(jìn)而滿(mǎn)足不同應用、不同無(wú)線(xiàn)連接的差異化需求。

此外，在物聯(lián)網(wǎng)對無(wú)線(xiàn)性能的要求方面還存在很多具體的挑戰，例如，如何兼顧高性能和低成本，如何滿(mǎn)足市場(chǎng)對更低功耗和高吞吐量的需求，以及更長(cháng)傳輸距離和更大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍的挑戰，等等。

安全性是嵌入式設備面臨的一項重要挑戰，其中的芯片自然也是如此。芯片必須是安全的，能夠防止物理攻擊，這樣攻擊者就無(wú)法讀取芯片內的數據，或者篡改它。此外，我們還需要一種芯片安全連接到云的方法，使用經(jīng)過(guò)審查的協(xié)議，使用密鑰交換認證和加密等技術(shù)。

邊緣的預測性人工智能（AI）和機器學(xué)習（ML）也是當前需要著(zhù)重關(guān)注的。邊緣設備是成就AI 的無(wú)名英雄（如收集大量數據的傳感器）。ML 則拓展了智能機器在能源、農業(yè)、醫療保健、工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)的應用可能性。隨著(zhù)ML 應用理念的發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)邊緣實(shí)現ML 的芯片技術(shù)和工具也在不斷發(fā)展。

未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)面臨的許多挑戰都是關(guān)于軟件的，而不僅是硬件。軟件涉及很多方面，包括帶有多種開(kāi)發(fā)工具的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）、軟件開(kāi)發(fā)套件（SDK）、實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）、軟件堆棧和代碼示例等等。在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)中，軟件與硬件同樣重要，只有形成良好的硬軟件協(xié)同，才能打造出功能強大的物聯(lián)網(wǎng)設備。

3 芯科科技的解決方案

芯科科技作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導廠(chǎng)商，在面臨上述挑戰時(shí)，無(wú)論是發(fā)展理念、技術(shù)創(chuàng )新、產(chǎn)品演進(jìn)，都始終走在時(shí)代前沿，開(kāi)發(fā)并推出了引領(lǐng)行業(yè)的解決方案。

●   無(wú)線(xiàn)技術(shù)能力

在無(wú)線(xiàn)技術(shù)方面，芯科科技很早就開(kāi)始走平臺化路從第一代無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)平臺，到目前的第二代平臺，再到2023 年Works With 大會(huì )上發(fā)布的第三代平臺，芯科科技在同一個(gè)平臺上實(shí)現了對藍牙、Wi-Fi、Thread、Zigbee、Z-Wave、專(zhuān)有協(xié)議等多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議的廣泛支持；同時(shí)，針對一些應用場(chǎng)景的需求，在芯片上實(shí)現了多協(xié)議功能或雙頻功能，具備了廣泛的無(wú)線(xiàn)協(xié)議覆蓋能力。在無(wú)線(xiàn)生態(tài)方面，芯科科技也與亞馬遜、谷歌、蘋(píng)果、三星等伙伴展開(kāi)持久、深入的合作，可以針對Matter、Wi-SUN、Amazon Sidewalk 等行業(yè)標準或服務(wù)商協(xié)議提供全面的支持。

例如，面向智能家居、智慧零售、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)健康等多種應用的芯科科技MG24 SoC 支持多協(xié)議操作，可作為單芯片解決方案實(shí)現Matter over Thread，在室內提供長(cháng)達200 米的遠距離傳輸，并支持使用同一芯片的新設備進(jìn)行低功耗藍牙調試。再比如，芯科科技在2023 年6 月推出的包括Sub-GHz 和2.4 GHz 低功耗藍牙射頻的全新雙頻FG28 SoC，專(zhuān)為Amazon Sidewalk、Wi-SUN 和其他專(zhuān)有協(xié)議等遠距離廣覆蓋網(wǎng)絡(luò )和協(xié)議而設計，支持在智慧農業(yè)、智慧城市和社區網(wǎng)絡(luò )中使用全新的邊緣應用。

針對前面提到的無(wú)線(xiàn)性能方面的很多具體挑戰，芯科科技也通過(guò)前瞻性的布局和產(chǎn)品的持續創(chuàng )新實(shí)現了有效應對。

就兼顧高性能和低成本而言，在最近舉行的芯科科技第四屆Works With 開(kāi)發(fā)者大會(huì )上，芯科科技介紹了自己的下一代暨第三代無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)平臺，第三代平臺的設備將向22 納米工藝節點(diǎn)遷移，從而在進(jìn)一步控制成本的基礎上，提供業(yè)界領(lǐng)先的計算能力、無(wú)線(xiàn)性能和能源效率。

在滿(mǎn)足市場(chǎng)對更低功耗和高吞吐量的需求上，芯科科技也推出了SiWx917 Wi-Fi 6 和低功耗藍牙SoC，可從根本上降低Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的功耗，同時(shí)可在擁擠的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中實(shí)現更高的帶寬和更高的網(wǎng)絡(luò )效率，從而實(shí)現更快、更穩定的網(wǎng)絡(luò )覆蓋。

針對低功耗和小尺寸需求，芯科科技于2023 年3月發(fā)布了用于藍牙連接的BG27 和支持Zigbee 及其他專(zhuān)有協(xié)議的MG27，它們是專(zhuān)為極小型物聯(lián)網(wǎng)設備設計的產(chǎn)品，可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)流程，同時(shí)確保極小型設備的低功耗和小尺寸要求，目前已經(jīng)有廠(chǎng)商利用BG27 開(kāi)發(fā)了比牙齒還小的、可置入口腔的連續唾液健康監測儀，用以改善口腔和全身健康。

面對更長(cháng)傳輸距離、更大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍方面的挑戰，除了上述的FG28 雙頻SoC，芯科科技還在WorksWith 大會(huì )期間發(fā)布了專(zhuān)為Amazon Sidewalk 優(yōu)化的全新SG23 和SG28 SoC，其中SG28 雙頻器件支持Sub-GHzFSK 和低功耗藍牙射頻，可以幫助設備制造商簡(jiǎn)化設備并降低成本，而SG23 則可為長(cháng)距離終端節點(diǎn)設備提供安全性和強大的sub-GHz 鏈路預算。

●   安全能力

物聯(lián)網(wǎng)安全一直是芯科科技高度關(guān)注并持續發(fā)力的重要方向。我們?yōu)榇颂峁┝烁晟频陌踩侄?，同時(shí)也支持用戶(hù)采用更加多元化手段來(lái)保護其信息和網(wǎng)絡(luò )，如Matter 和其他先進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議中的信息安全措施。在2021 年，芯科科技Secure Vault 物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案率先獲得全球PSA 3 級認證，其可以提供經(jīng)過(guò)驗證的PSA 信任根，以及針對各種復雜軟硬件攻擊的強大防護方案。Secure Vault 符合PSA 3 級認證所定義的嚴格的安全軟件和物理不可克隆功能（PUF）硬件要求，從而大幅降低物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統安全漏洞所帶來(lái)的風(fēng)險，并減輕了知識產(chǎn)權方面的損害或者假冒產(chǎn)品造成的收入損失。

●   計算/ 機器學(xué)習能力

在計算/ 機器學(xué)習方面， 芯科科技的BG24 和MG24 SoC 作為率先擁有內置專(zhuān)用人工智能/ 機器學(xué)習（AI/ML）加速器的超低功耗器件，能夠快速高效地處理復雜計算，內部測試顯示其性能提升最高達4 倍，能效提升最多達6 倍。同時(shí)，機器學(xué)習計算是在本地設備上而不是在云端進(jìn)行，因此消除了網(wǎng)絡(luò )延遲，加快了決策和行動(dòng)。

此外，最新的FG28 SoC 也內置了可用于ML 推理的內置AI/ML 加速器，支持通過(guò)ML 推理在邊緣設備上實(shí)現預測性維護警告，監測濕度和pH 值等土壤狀況關(guān)鍵條件。

●   軟件能力

在軟件方面，芯科科技持續創(chuàng )新自己的Simplicity Studio 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），它可以提供對特定目標設備的Web 和SDK 資源的訪(fǎng)問(wèn)，軟件和硬件配置工具，以及行業(yè)標準的代碼編輯器、編譯器和調試器。無(wú)論開(kāi)發(fā)人員的經(jīng)驗如何，Simplicity Studio 都能幫助他們優(yōu)化工作流程、加快項目進(jìn)度、實(shí)現設備配置和應用程序優(yōu)化。

當前版本的Simplicity Studio 5 基于Eclipse 和C/C++ 開(kāi)發(fā)工具（CDT）構建，增強了穩健性，提高了性能，同時(shí)支持芯科科技的Secure Vault 先進(jìn)安全套件。在Works With 大會(huì )上介紹的Simplicity Studio 6 則是芯科科技的下一代IDE，該新版本最大且最具影響力的變化就是實(shí)現了IDE 的解耦，開(kāi)發(fā)人員可以直接利用芯科科技所提供版本中的優(yōu)化能力、開(kāi)發(fā)工具和各項功能，也可以通過(guò)集成和擴展功能將他們喜歡的工具帶入Simplicity Studio。

芯科科技在軟件方面的另一項優(yōu)勢是可以提供一套完整的針對各種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)協(xié)議的SDK。2023 年6 月，芯科科技推出了其Gecko 軟件開(kāi)發(fā)套件（GSDK）的最新版本v4.3，面向藍牙、Matter、OpenThread、專(zhuān)有協(xié)議、Wi-SUN、Zigbee、Z-Wave 和無(wú)線(xiàn)多協(xié)議的開(kāi)發(fā)需求新增了多項功能與特性。此外，芯科科技還針對物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)提供多種實(shí)用的開(kāi)發(fā)工具，例如Works With大會(huì )上推出的為Amazon Sidewalk 開(kāi)發(fā)提供逐步指導和專(zhuān)家建議的一站式開(kāi)發(fā)人員之旅（Developer Journey）工具等等。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年9月期）