2024年嵌入式系統的三大重要趨勢

2024年嵌入式系統將如何發(fā)展才能讓制造商保持領(lǐng)先地位？十年前，很少有人會(huì )問(wèn)這些問(wèn)題。如今，這個(gè)答案可能將決定整個(gè)公司的成敗。事實(shí)上，嵌入式系統曾一度被局限于一些小眾應用，但現在已無(wú)處不在。從工廠(chǎng)到家用電器，從醫院里昂貴的醫療設備，甚至到無(wú)處不在的穿戴式裝置，每當我們變得更加互聯(lián)或永續時(shí)，嵌入式系統通常都是創(chuàng )新的核心。讓我們來(lái)了解2024年將如何發(fā)展。

運算效率或事半功倍
一直以來(lái)，提升效率往往是創(chuàng )新的主要驅動(dòng)力。不過(guò)，可能需要拓展對「效率 」的理解。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，效率是完成工作與所耗之能量的比率。在微控制器領(lǐng)域中，指的是電力的效率。因此，提升效率意味著(zhù)降低功耗，同時(shí)提供相同或更高的運算吞吐量。然而，隨著(zhù)嵌入式系統應用不斷優(yōu)化，一種新的效率比決定了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向：在給定運算傳輸量下的應用復雜性。
想象一下，若將今天的高性能MCU帶回至五年前，它根本無(wú)法運行現在的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )或豐富的用戶(hù)接口，因為那時(shí)的框架和機器學(xué)習算法遠不如現在精細。而現在的嵌入式系統不僅性能更加強大，而且經(jīng)過(guò)了新的應用優(yōu)化。因此，同樣的運算力在今天可以運行更強大的應用。

 
圖一 : 使用TAO工具包訓練與修正并量化的比較

例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的量化能打造出更強大的邊緣AI系統。ST最近與施耐德電氣共同展示一個(gè)深度量化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，即在STM32H7上運行人數統計應用。而NVIDIA在運行一個(gè)用其TAO工具包優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò )時(shí)，亦采用同款微控制器和STM32Cube.AI。同樣的，新的馬達控制算法，如ZeST，讓MCU可以更準確、更高效地驅動(dòng)馬達，而新的UI框架優(yōu)化也能讓MCU運行更豐富的圖形用戶(hù)界面，同時(shí)還能降低對內存的需求。例如，ST新版TouchGFX支持向量字體，ST推出的STM32U5也具備了IP加速的向量圖形處理功能，在圖形接口開(kāi)發(fā)框架的加持下，STM32U5的圖顯效果將會(huì )更加出色。

 
圖二 : 無(wú)線(xiàn)水表、氣表和電表系統

工程師必須確保自己的嵌入式處理解決方案不僅能夠降低功耗，而且其所運行的應用也是經(jīng)過(guò)優(yōu)化改良的。在許多情況下，實(shí)時(shí)應用不再是while循環(huán)中運行的基本程序代碼。開(kāi)發(fā)人員必須充分利用云端運算、機器學(xué)習、傳感器融合或圖形接口。因此，找到合適并配備完善生態(tài)系統的MCU至關(guān)重要，因為完善的生態(tài)系統可以提供新的解決方案，并且幫助開(kāi)發(fā)者優(yōu)化應用。工程師必須考慮設備的運行速度，以及因應復雜、功能豐富應用的支持能力。

支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，與世界無(wú)縫溝通
目前，嵌入式應用與網(wǎng)絡(luò )聯(lián)機已經(jīng)不再是新鮮事，物聯(lián)網(wǎng)已問(wèn)世多年，因為有許多應用都仰賴(lài)著(zhù)網(wǎng)絡(luò )。不過(guò)，到目前為止，眾多應用主要還是選擇某一種通訊模式，采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的通訊。如果是后者，通常會(huì )選擇一種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，例如蜂巢、Wi-Fi或藍牙。過(guò)去幾年，嵌入式產(chǎn)業(yè)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議激增，從6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT，新協(xié)議層出不窮，但卻沒(méi)有統一標準，而是各種協(xié)議的混戰。
以2.4GHz頻譜為例，雖然藍牙仍然是這個(gè)市場(chǎng)的主角，但Zigbee和Thread的熱度不斷上升。出于競爭或監管原因，許多公司還開(kāi)發(fā)IEEE 802.15.4客制化協(xié)議。為結束無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議數量激增而造成混亂的局面，家庭自動(dòng)化統一標準Matter也因而誕生，該標準運行在Wi-Fi、Thread、藍牙等多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)之上，并支持許多2.4GHz橋接技術(shù)，包括Zigbee和Z-Wave，而不僅采用一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)。
因此，工程師面臨著(zhù)一個(gè)全新的挑戰：為保持競爭力，必須打造一個(gè)支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議的系統。如果采用一個(gè)支持多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的MCU，企業(yè)就可以用一個(gè)硬件平臺滿(mǎn)足多元市場(chǎng)的需求。例如，開(kāi)發(fā)人員可以在一個(gè)區域使用專(zhuān)有的IEEE 802.15.4協(xié)議，在另一個(gè)區域則采用Thread，而無(wú)需更換硬件平臺，只需修改程序代碼數據庫，如此一來(lái)就可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并取得更大的設計彈性。
總之，到 2024 年，嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員在設計應用時(shí)必須考慮到多協(xié)議，并選擇出能夠滿(mǎn)足當前和未來(lái)需求的產(chǎn)品。

未來(lái)投資的安全性或保護

 
圖三 : 智能家庭產(chǎn)品的首要考慮因素是「安全」

物聯(lián)網(wǎng)會(huì )帶來(lái)很多安全上的威脅。人們已經(jīng)深刻認知到，嵌入式系統安全性是至關(guān)重要的。必須能夠保護服務(wù)器、程序代碼、終端用戶(hù)數據，甚至實(shí)體設備，以便于防止網(wǎng)絡(luò )攻擊。否則就可能會(huì )對產(chǎn)品及其品牌產(chǎn)生嚴重影響。而監管部門(mén)的干涉也為嵌入式安全帶來(lái)新的挑戰。歐盟、美國和許多其他國家和標準化機構已經(jīng)推出新的信息安全法規。這些新規范尚不明確或不是最終版本，有些內容仍在制定中。
業(yè)界一直在采用更正式的安全標準來(lái)因應這一新挑戰。例如，平臺安全架構（PSA）和物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標準（SESIP）兩大認證機構提供一整套完善的安全設計方式，幫助工程師保護嵌入式系統的信息安全。這些認證有助于工程師開(kāi)發(fā)針對未來(lái)的設計，并確保滿(mǎn)足各種嚴格的網(wǎng)絡(luò )安全要求。但這也意味著(zhù)開(kāi)發(fā)者不能事后增加安全功能，也不能在完成系統設計之后再進(jìn)行認證。反之，需要在首次概念驗證時(shí)就要考慮其安全性，并采用能夠滿(mǎn)足對應認證等級的微控制器。
以智能家庭應用為例，這些應用需要與云端服務(wù)共享個(gè)人資料和敏感數據。越來(lái)越多的政府要求智慧家庭設必須具備加密通訊、物理攻擊防御、軟件入侵防護、安全無(wú)線(xiàn)更新系統、數據泄露偵測等功能。
一般情況下，SESIP三級認證能確保系統滿(mǎn)足這些安全要求。但如果工程師未能選擇能夠獲得此類(lèi)認證的MCU，就可能讓整個(gè)項目的安全性大打折扣。為確保產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足特定的安全認證要求，硬件和平臺都是需要考慮的因素，因此，開(kāi)發(fā)人員在選擇 MCU 時(shí)必須采用新的思維方式。
最后，在分析影響2024年及以后的產(chǎn)業(yè)趨勢時(shí)，不難發(fā)現，生態(tài)系統的建立者至關(guān)重要。運算效能取決于MCU，以及其運行的應用框架、中間件和算法。支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議則需要新的開(kāi)發(fā)工具，而保護嵌入式系統也需要基于硬件 IP 的實(shí)用軟件解決方案。意法半導體多元而且完整的MCU選擇以及豐富的生態(tài)系統，將能滿(mǎn)足各種不同的應用安全需求，因應未來(lái)符合潮流的應用發(fā)展。