2025年需要考慮的6大實(shí)時(shí)嵌入式技術(shù)

在高級計算能力、人工智能和互聯(lián)系統日益增長(cháng)的需求的融合的推動(dòng)下，嵌入式系統領(lǐng)域正在經(jīng)歷前所未有的變革。隨著(zhù)我們邁向 2025 年，傳統嵌入式系統和復雜計算平臺之間的區別繼續模糊，為開(kāi)發(fā)人員和系統架構師創(chuàng )造了新的機遇和挑戰。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和工業(yè) 4.0 不再是新興趨勢，而是技術(shù)創(chuàng )新的基本驅動(dòng)力，推動(dòng)了實(shí)時(shí)嵌入式系統的可能性。

在這個(gè)快速發(fā)展的生態(tài)系統中，我們見(jiàn)證了從孤立的嵌入式系統到能夠實(shí)時(shí)決策和自主作的互連智能平臺的根本轉變。半導體技術(shù)的進(jìn)步、人工智能的民主化以及對邊緣計算解決方案不斷增長(cháng)的需求推動(dòng)了這種轉變。各行各業(yè)的組織越來(lái)越認識到，要保持競爭力，需要采用這些先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)保持傳統嵌入式系統所期望的可靠性和確定性行為。

展望不久的將來(lái)，幾個(gè)關(guān)鍵趨勢正在塑造嵌入式技術(shù)的發(fā)展。隨著(zhù)量子計算的威脅越來(lái)越大，抗量子安全實(shí)施正成為當務(wù)之急。在可持續性要求和自主運行需求的推動(dòng)下，能量收集和超低功耗計算越來(lái)越受到重視。此外，將通用人工智能 （AGI） 原理集成到嵌入式系統中開(kāi)始出現，有望在邊緣實(shí)現更復雜的決策能力。伴隨著(zhù)這些發(fā)展，人們越來(lái)越關(guān)注軟件定義的硬件架構，從而在系統設計和部署方面實(shí)現了前所未有的靈活性。

RISC-V 架構

RISC-V 架構已成為嵌入式系統領(lǐng)域的游戲規則改變者，在 Western Digital、SiFive 和阿里巴巴等主要行業(yè)參與者中獲得了巨大的吸引力。最顯著(zhù)的發(fā)展是出現了與傳統 ARM 解決方案直接競爭的強大商用處理器。例如，SiFive 的 Performance P670 系列提供與 Cortex A-75 相當的性能，同時(shí)保持較低的功耗。

支持的生態(tài)系統已經(jīng)大大擴展，具有先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具，例如 IAR Embedded Workbench for RISC-V 和 Eclipse IDE for RISC-V。Microchip 和 NXP 等行業(yè)領(lǐng)導者正在大力投資嵌入式系統的 RISC-V 解決方案，從而拓寬了開(kāi)發(fā)人員可用的選擇。

一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢是能夠實(shí)現自定義擴展。汽車(chē)公司正在開(kāi)發(fā)用于圖像處理和發(fā)動(dòng)機控制的專(zhuān)用擴展，以便針對特定應用要求進(jìn)行精確優(yōu)化。這種靈活性，加上較低的許可成本和更高的設計自由度，使 RISC-V 成為未來(lái)嵌入式項目越來(lái)越有吸引力的選擇。 

實(shí)時(shí)作系統 （RTOS）

RTOS 環(huán)境正在不斷發(fā)展，更加注重云集成和高級安全功能。FreeRTOS 整合了 OTA 更新和安全啟動(dòng)功能，這是現代 IoT 系統的基本功能。Zephyr OS 現在提供對低功耗藍牙 5.3 和 Thread 網(wǎng)絡(luò )的改進(jìn)支持，從而支持開(kāi)發(fā)節能應用程序。

一個(gè)值得注意的創(chuàng )新是支持硬件虛擬化，允許多個(gè)作系統在同一硬件上同時(shí)運行。這種能力在汽車(chē)和工業(yè)系統中尤為重要，因為在這些系統中，安全關(guān)鍵型和非關(guān)鍵型系統必須分開(kāi)。

DevSecOps 工具在 RTOS 環(huán)境中的集成代表了另一項重大進(jìn)步。Azure RTOS（以前稱(chēng)為 ThreadX）等系統現在提供與云服務(wù)和高級監視工具的內置集成，從而實(shí)現實(shí)時(shí)隊列管理和監視功能。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ) （TSN）

TSN 技術(shù)已成為高級工業(yè)通信的基礎，在汽車(chē)和自動(dòng)化行業(yè)中取得了令人印象深刻的實(shí)施。Siemens 、 Rockwell Automation 和 Cisco 等公司提供全面的 TSN 解決方案，包括交換機、控制器和管理軟件。

一項重大創(chuàng )新是將 TSN 與 OPC UA 集成，實(shí)現從傳感器層到云的統一通信。BMW 和 Volkswagen 等汽車(chē)制造商正在將 TSN 集成到其車(chē)輛系統中，以便在 ADAS 和車(chē)輛控制系統之間進(jìn)行通信。

IEEE 802.1AS-2020 標準在同步精度方面帶來(lái)了顯著(zhù)的改進(jìn)，實(shí)現了亞微秒級的精度。這種精度對于機器人應用和精確的運動(dòng)控制至關(guān)重要，為工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)了新的可能性。

邊緣 AI 和機器學(xué)習

借助 Google 的 Edge TPU 和 NVIDIA Jetson 等處理器，智能邊緣計算已成為現實(shí)，在嵌入式系統中實(shí)現了令人印象深刻的 AI 處理能力。適用于微控制器的 TensorFlow Lite 現在支持在內存小于 100KB 的微控制器上執行機器學(xué)習模型。

一個(gè)重要的發(fā)展是創(chuàng )建針對嵌入式系統優(yōu)化的輕量級模型。量化和修剪等技術(shù)可以在保持高精度的同時(shí)顯著(zhù)減小模型大小。這一進(jìn)步使資源受限的設備能夠使用 AI 功能。

實(shí)際應用包括用于工業(yè)質(zhì)量控制的計算機視覺(jué)系統、預測性維護系統和實(shí)時(shí)異常檢測。博世和西門(mén)子等公司正在將邊緣 AI 集成到他們的自動(dòng)化產(chǎn)品中，展示了該技術(shù)的工業(yè)可行性。

安全關(guān)鍵系統開(kāi)發(fā)

隨著(zhù)采用適應性 DevOps 方法，安全關(guān)鍵型系統開(kāi)發(fā)正在經(jīng)歷轉型。LDRA 和 Vector 的 PREEvision 等工具提供完全自動(dòng)化的驗證和確認流程，同時(shí)保持對嚴格安全標準的合規性。

用于復雜系統驗證的高級形式驗證方法是一項重大創(chuàng )新。ANSYS SCADE 和 AdaCore SPARK 等工具支持軟件正確性的數學(xué)證明，這對于關(guān)鍵應用至關(guān)重要。

在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，ISO 21448 （SOTIF） 標準對 AI 系統安全提出了新的要求。新的開(kāi)發(fā)工具專(zhuān)注于 AI 系統驗證和邊緣案例測試，解決了自治系統的獨特挑戰。 

面向 IoT 的無(wú)線(xiàn)技術(shù)

嵌入式系統的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境繼續快速發(fā)展。最新版本的 Matter 協(xié)議支持 Thread 和 WiFi 6，強調安全性和能源效率。

5G-URLLC 技術(shù)可實(shí)現低于 1ms 延遲的通信，這對于機器人和自動(dòng)駕駛汽車(chē)應用至關(guān)重要。Qualcomm 和 MediaTek 等制造商現在提供支持 5G RedCap 的集成調制解調器，專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)系統設計。

通過(guò)支持后量子加密和零信任機制，通信安全性得到了顯著(zhù)增強。Azure Sphere 等解決方案將硬件和軟件安全性與安全的云連接相結合，為 IoT 安全設定了新標準。

展望未來(lái)

隨著(zhù)我們邁向 2025 年及以后，嵌入式實(shí)時(shí)系統領(lǐng)域將繼續快速發(fā)展。集成這些技術(shù)需要仔細考慮特定的應用程序要求、預算限制和最終用戶(hù)需求。成功在于能夠以最佳方式組合這些技術(shù)，同時(shí)保持安全性、可靠性和性能標準。

從長(cháng)遠來(lái)看，對理解和采用這些技術(shù)的投資將被證明是有價(jià)值的，在性能、可靠性和市場(chǎng)競爭優(yōu)勢方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。隨著(zhù)行業(yè)的不斷發(fā)展，隨時(shí)了解這些技術(shù)進(jìn)步對于在嵌入式系統領(lǐng)域的成功變得越來(lái)越重要。

新興重點(diǎn)領(lǐng)域

嵌入式系統行業(yè)已經(jīng)專(zhuān)注于幾項有望在未來(lái)幾年內成熟的突破性發(fā)展。一個(gè)重要領(lǐng)域是嵌入式系統中神經(jīng)形態(tài)計算的演變，這有望徹底改變我們在邊緣處理人工智能的方式。主要半導體制造商投入巨資開(kāi)發(fā)更接近人腦功能的神經(jīng)形態(tài)處理器，這可能會(huì )使 AI 應用的能效提高幾個(gè)數量級。

另一個(gè)新興的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)包含高級容錯和恢復機制的自我修復系統。這些系統將利用機器學(xué)習算法來(lái)預測潛在故障并自動(dòng)實(shí)施糾正措施，從而顯著(zhù)提高系統可靠性并降低維護成本。此外，該行業(yè)對可生物降解電子產(chǎn)品和可持續計算解決方案的興趣日益濃厚，在滿(mǎn)足現代嵌入式應用需求的同時(shí)解決了日益增長(cháng)的環(huán)境問(wèn)題。

6G 研究與嵌入式系統的融合也越來(lái)越受到關(guān)注，早期工作重點(diǎn)是將 sub-THz 通信功能集成到嵌入式設備中。這一發(fā)展有望在全息通信和高精度工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域實(shí)現新的應用。此外，人們越來(lái)越重視為邊緣-云混合架構開(kāi)發(fā)標準化框架，旨在優(yōu)化實(shí)時(shí)應用程序中本地處理和云功能之間的平衡。