物聯(lián)網(wǎng)引爆大量需求，芯片商攻嵌入式處理/安全方案

　　嵌入式處理與安全晶片炙手可熱。智慧家庭/城市、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、穿戴電子等物聯(lián)網(wǎng)應用火熱發(fā)展，帶動(dòng)嵌入式處理器和安全晶片龐大需求，因而吸引半導體廠(chǎng)商加緊研發(fā)新一代方案，以滿(mǎn)足系統廠(chǎng)提升處理效率、安全性，并降低整體功耗的多重需求。

　　嵌入式處理/安全技術(shù)導入需求急速增溫。近年整個(gè)電子科技產(chǎn)業(yè)圍繞著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設計氛圍，從前不須涉獵聯(lián)網(wǎng)、感測和嵌入式安全應用，對功耗要求也沒(méi)那么嚴格的汽車(chē)、家電或工業(yè)設備等系統開(kāi)發(fā)商，亦受到這股風(fēng)潮的感染，開(kāi)始擴大尋求低功耗嵌入式處理、系統級資訊安全技術(shù)，并將其視為進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的必備要素，因而吸引半導體供應商競相布局相關(guān)解決方案。

　　安謀國際(ARM)投資人關(guān)系副總裁Ian Thornton表示，今年初國際消費性電子展(CES)、全球行動(dòng)通訊大會(huì )(MWC)兩大展會(huì )皆聚焦物聯(lián)網(wǎng)，導引電子科技產(chǎn)業(yè)及相關(guān)半導體供應商技術(shù)發(fā)展風(fēng)向;根據品牌業(yè)者和晶片商的發(fā)展腳步，預估2015年智慧家庭、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化和穿戴式電子(圖1)等物聯(lián)網(wǎng)設計將全面起飛，并將于未來(lái)幾年維持高速成長(cháng)。

　　圖1 穿戴電子以腕帶式裝置成長(cháng)最為亮眼，2015～2019年出貨量可望翻倍。 資料來(lái)源：Gartner

　　Thornton進(jìn)一步指出，ARM處理器核心在2014年的總出貨量達到六十四億顆，其中運用在家庭，以及工業(yè)、車(chē)用等嵌入式系統領(lǐng)域的比重高達39%，已相當接近行動(dòng)裝置市場(chǎng)的45%水準，足見(jiàn)物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展已帶動(dòng)龐大的嵌入式處理器導入需求(圖2)，因此ARM也持續拓展Cortex-M/R系列的微控制器(MCU)及數位訊號處理器(DSP)核心陣容，以提供業(yè)界更完整的設計支援。

　　圖2 智慧嵌入式系統設計無(wú)所不在，至2020年將帶動(dòng)250億美元產(chǎn)值。

　　全面鎖定物聯(lián)網(wǎng)　高效/省電MCU競出籠

　　事實(shí)上，意法半導體(ST)、恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)、飛思卡爾(Freescale)、瑞薩電子(Renesas Electronics)和芯科實(shí)驗室(Silicon Labs)等MCU大廠(chǎng)皆嗅到物聯(lián)網(wǎng)商機，持續增加32位元低功耗Cortex-M0/M0+，或較高效能但仍兼顧電源效率的Cortex-M3、M4和M7核心的MCU產(chǎn)品線(xiàn)，積極圈地市場(chǎng)。

　　其中，意法半導體針對效能、安全性和記憶體容量需求較高的高端物聯(lián)網(wǎng)應用，已率先發(fā)布Cortex-M7 MCU;另一方面，恩智浦則祭出MCU混搭核心設計，透過(guò)整合高效能Cortex-M4F和低功耗Cortex-M0+方案，打造適用于行動(dòng)裝置、穿戴式電子的感測器中樞(Sensor Hub)，以大幅提高系統電源效率。

　　無(wú)獨有偶，德州儀器也主打功耗及效能均衡設計，近期推出新一代結合Cortex-M4F、DSP引擎的高性能32位元MCU，并在晶片內導入直接記憶體存取(DMA)、唯讀記憶體編碼(ROM Code)，以及將驅動(dòng)程式內建在ROM的DriverLib in ROM等省電機制，以減輕CPU搬移資料的功耗負擔。

　　圖3　TI臺灣業(yè)務(wù)與應用事業(yè)現場(chǎng)應用工程師總監詹勛琪認為，工業(yè)、醫療MCU亦逐漸興起高可靠度FRAM導入需求。

　　德州儀器臺灣業(yè)務(wù)與應用事業(yè)現場(chǎng)應用工程師總監詹勛琪(圖3)表示，大部分物聯(lián)網(wǎng)系統皆須兼顧效能與功耗，包括大量感測器鏈結、人機介面、嵌入式安全管理及影像相關(guān)應用，因此該公司近年集中火力發(fā)展32位元高效能MCU，并運用自身在類(lèi)比制程、訊號鏈設計方面的深厚經(jīng)驗，大幅降低晶片整體耗電量。

　　詹勛琪進(jìn)一步指出，以該公司最新Cortex-M4F MCU為例，其啟動(dòng)功耗和待機功耗分別只有95微安培(μA)/MHz和850奈安培，每瓦效能甚至超越以低功耗著(zhù)稱(chēng)的Cortex-M0+方案;個(gè)中設計關(guān)鍵在于整合高速14位元1MSPS類(lèi)比數位轉換器(ADC)、線(xiàn)性穩壓器(LDO)等類(lèi)比元件(圖4)，同時(shí)可運作于1.6-3.7伏特(V)的寬電壓范圍，進(jìn)一步優(yōu)化功效和效能，有助系統設計人員改善工業(yè)/建筑自動(dòng)化、工業(yè)感測、安防控制臺、資產(chǎn)追蹤和智慧手表等設計的效能與電源效率。

　　圖4 德州儀器最新Cortex-M4F MCU架構圖 資料來(lái)源：TI官方網(wǎng)站

　　此外，詹勛琪提到，對MCU和物聯(lián)網(wǎng)系統開(kāi)發(fā)商而言，嵌入式安全解決方案的重要性正與日俱增，因此德州儀器也在新款MCU中引入IP保護功能、進(jìn)階加密標準(AES)256硬體加密加速器，可確保資料和程式碼安全性讓開(kāi)發(fā)人員能妥善保護晶片和系統內部資料。

　　破除物聯(lián)網(wǎng)資安疑慮　嵌入式安全設計需求紅

　　圖5 ARM應用工程經(jīng)理徐達勇提到，未來(lái)ARM將針對多系列處器核心發(fā)布安全文件集。

　　ARM應用工程經(jīng)理徐達勇(圖5)表示，隨著(zhù)智慧汽車(chē)內部電子零組件數量不斷翻升，車(chē)廠(chǎng)和一級(Tier 1)供應商對系統功能性安全和可靠度要求更是滴水不漏;尤其高階車(chē)款內建聯(lián)網(wǎng)、感測器、控制器和電源管理晶片數量平均已達近兩百顆(圖6)，如何達成冗余設計、保障資料安全且不影響既有機械式系統的運作，已成為相關(guān)業(yè)者最重要的課題。

　　不僅汽車(chē)對嵌入式功能安全趨之若鶩，醫療、工業(yè)設備等與個(gè)人或商業(yè)機密資料相關(guān)的應用亦然，因此ARM已在今年初針對Cortex-R5處理器核心發(fā)布一套全方位安全文件集，以推動(dòng)各領(lǐng)域的嵌入式安全設計加速成形，讓晶片商和系統廠(chǎng)得以最具成本效益的方式部署先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)系統。徐達勇指出，由Cortex-R5打頭陣后，ARM將持續為其他Cortex系列處理器核心量身打造安全文件，幫助半導體廠(chǎng)商開(kāi)拓汽車(chē)、醫療和工業(yè)市場(chǎng)版圖。

　　圖6 汽車(chē)電子控制單元分布及控制元件需求

　　事實(shí)上，在IEC 61508、ISO 26262的嚴密規范下，功能性安全已是晶片業(yè)者進(jìn)軍汽車(chē)、工業(yè)市場(chǎng)必備的入場(chǎng)券。對此，ARM提供Cortex-R5處理器，并新增通用安全文件，工程師將可取得更多功能安全必要資訊，以加速開(kāi)發(fā)安全系數較高的汽車(chē)動(dòng)力總成(Powertrain)控制系統、先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)或工業(yè)自動(dòng)化解決方案。

　　圖7 飛思卡爾亞太區行銷(xiāo)總監曹躍瀧指出，Thread聯(lián)盟全方位研擬系統、無(wú)線(xiàn)傳輸和嵌入式安全設計，有助推動(dòng)智慧家庭。

　　現階段，ARM處理器核心內建編譯器亦已通過(guò)TUV SUD認證，有助軟體開(kāi)發(fā)商更快達到IEC 61508 SIL 3、ISO 26262 ASIL D的最高規格要求。

　　徐達勇更透露，下一階段，該公司也計畫(huà)將Cortex-A高階處理器核心中的記憶體管理單元(MMU)，引進(jìn)Cortex-R系列核心設計架構，進(jìn)而實(shí)現更多元行動(dòng)和嵌入式作業(yè)系統支援能力。

　　飛思卡爾亞太區行銷(xiāo)總監曹躍瀧(圖7)強調，物聯(lián)網(wǎng)持續發(fā)展，各種電子裝置未來(lái)都將具備專(zhuān)屬的IP位址，這看似美好的愿景卻暗藏許多隱密資料外泄或駭客入侵等問(wèn)題。過(guò)去聯(lián)網(wǎng)裝置應用領(lǐng)域集中，系統廠(chǎng)僅以軟體負責網(wǎng)路安全的概念，在萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代將愈來(lái)愈行不通。

　　物聯(lián)網(wǎng)嵌入式安全邁向系統級設計

　　以阿里巴巴、百度等網(wǎng)路公司為例，其近期皆設立硬體部門(mén)，目的就是在聯(lián)網(wǎng)裝置類(lèi)型更加發(fā)散、數量遽增之際，掌握關(guān)鍵嵌入式安全硬體技術(shù)，以確保每一個(gè)可連上后端網(wǎng)路的路徑，不會(huì )成為駭客能輕易發(fā)動(dòng)攻擊的盲點(diǎn)。

　　據國際市場(chǎng)研究機構顧能(Gartner)報告，2015年連上網(wǎng)路的裝置將達到四十九億部，比2014年大幅增加三成，而這個(gè)數字到2020年時(shí)更將增加到兩百五十億。該分析機構同時(shí)預測，到2017年時(shí)，有五成的物聯(lián)網(wǎng)解決方案將來(lái)自創(chuàng )辦時(shí)間少于3年的初創(chuàng )企業(yè)，這些新興系統也形成資安隱憂(yōu)?；萜?HP)報告即指出，目前多達七成的物聯(lián)網(wǎng)裝置都是以未經(jīng)加密的網(wǎng)路服務(wù)來(lái)傳輸資料。

　　曹躍瀧分析，大部分物聯(lián)網(wǎng)裝置新創(chuàng )公司都是從消費性電子領(lǐng)域切入，不容易在短時(shí)間內掌握汽車(chē)、工業(yè)和醫療等高層級的功能安全設計知識，這在未來(lái)機器對機器(M2M)、裝置對裝置(D2D)的全面互連環(huán)境中，無(wú)疑埋下了許多資安未爆彈，因此，業(yè)界亟須發(fā)展出涵蓋軟硬體元件的系統級嵌入式安全方案，以便補強各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)接取點(diǎn)的安全性。

　　為此，飛思卡爾近期宣布多項重大計畫(huà)，積極推動(dòng)系統級嵌入式安全標準及產(chǎn)品。曹躍瀧提到，該公司已與嵌入式微控制器評估協(xié)會(huì )(EEMBC)合作，將探索嵌入式系統的重大安全缺失，以建立基本指引，協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)裝置設計者及代工廠(chǎng)商在制造階段就能有效防堵許多資安漏洞。該協(xié)會(huì )將在5月召開(kāi)開(kāi)發(fā)人員大會(huì )，提出更進(jìn)一步的安全規范。

　　此外，飛思卡爾也搶先業(yè)界建立安全實(shí)驗室，發(fā)展從云端、網(wǎng)路傳輸到端點(diǎn)的整體性安全技術(shù)，同時(shí)針對Start-up合作夥伴開(kāi)設專(zhuān)門(mén)的IoT安全實(shí)務(wù)設計課程。曹躍瀧表示，該公司針對智慧汽車(chē)應用產(chǎn)品，已支援硬體安全模組(HSM)、安全硬體擴展(SHE)等車(chē)用標準;在工業(yè)、智慧家庭領(lǐng)域則分別加入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)和Thread聯(lián)盟，成為業(yè)界唯一跨足多重安全標準設計的半導體廠(chǎng)商，將能加速實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)系統級嵌入式安全方案。