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物聯(lián)網(wǎng)引爆大量需求,芯片商攻嵌入式處理/安全方案

2015-05-15

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

  嵌入式處理/安全技術導入需求急速增溫。近年整個電子科技產(chǎn)業(yè)圍繞著物聯(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,對功耗要求也沒那么嚴格的汽車、家電或工業(yè)設備等系統(tǒng)開發(fā)商,亦受到這股風潮的感染,開始擴大尋求低功耗嵌入式處理、系統(tǒng)級資訊安全技術,并將其視為進軍物聯(lián)網(wǎng)領域的必備要素,因而吸引半導體供應商競相布局相關解決方案。

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

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  圖1 穿戴電子以腕帶式裝置成長最為亮眼,2015?2019年出貨量可望翻倍。 資料來源:Gartner

  Thornton進一步指出,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)、車用等嵌入式系統(tǒng)領域的比重高達39%,已相當接近行動裝置市場的45%水準,足見物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展已帶動龐大的嵌入式處理器導入需求(圖2),因此ARM也持續(xù)拓展Cortex-M/R系列的微控制器(MCU)及數(shù)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。

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  圖2 智慧嵌入式系統(tǒng)設計無所不在,至2020年將帶動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)和芯科實驗室(Silicon Labs)等MCU大廠皆嗅到物聯(lián)網(wǎng)商機,持續(xù)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,積極圈地市場。

  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,透過整合高效能Cortex-M4F和低功耗Cortex-M0+方案,打造適用于行動裝置、穿戴式電子的感測器中樞(Sensor Hub),以大幅提高系統(tǒng)電源效率。

  無獨有偶,德州儀器也主打功耗及效能均衡設計,近期推出新一代結(jié)合Cortex-M4F、DSP引擎的高性能32位元MCU,并在晶片內(nèi)導入直接記憶體存取(DMA)、唯讀記憶體編碼(ROM Code),以及將驅(qū)動程式內(nèi)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。

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  圖3 TI臺灣業(yè)務與應用事業(yè)現(xiàn)場應用工程師總監(jiān)詹勛琪認為,工業(yè)、醫(yī)療MCU亦逐漸興起高可靠度FRAM導入需求。

  德州儀器臺灣業(yè)務與應用事業(yè)現(xiàn)場應用工程師總監(jiān)詹勛琪(圖3)表示,大部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)皆須兼顧效能與功耗,包括大量感測器鏈結(jié)、人機介面、嵌入式安全管理及影像相關應用,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。

  詹勛琪進一步指出,以該公司最新Cortex-M4F MCU為例,其啟動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稱的Cortex-M0+方案;個中設計關鍵在于整合高速14位元1MSPS類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)、線性穩(wěn)壓器(LDO)等類比元件(圖4),同時可運作于1.6-3.7伏特(V)的寬電壓范圍,進一步優(yōu)化功效和效能,有助系統(tǒng)設計人員改善工業(yè)/建筑自動化、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。

  此外,詹勛琪提到,對MCU和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(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發(fā)人員能妥善保護晶片和系統(tǒng)內(nèi)部資料。

  破除物聯(lián)網(wǎng)資安疑慮 嵌入式安全設計需求紅

  ARM應用工程經(jīng)理徐達勇(圖5)表示,隨著智慧汽車內(nèi)部電子零組件數(shù)量不斷翻升,車廠和一級(Tier 1)供應商對系統(tǒng)功能性安全和可靠度要求更是滴水不漏;尤其高階車款內(nèi)建聯(lián)網(wǎng)、感測器、控制器和電源管理晶片數(shù)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(tǒng)的運作,已成為相關業(yè)者最重要的課題。

  不僅汽車對嵌入式功能安全趨之若鶩,醫(yī)療、工業(yè)設備等與個人或商業(yè)機密資料相關的應用亦然,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,以推動各領域的嵌入式安全設計加速成形,讓晶片商和系統(tǒng)廠得以最具成本效益的方式部署先進的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。徐達勇指出,由Cortex-R5打頭陣后,ARM將持續(xù)為其他Cortex系列處理器核心量身打造安全文件,幫助半導體廠商開拓汽車、醫(yī)療和工業(yè)市場版圖。

  事實上,在IEC 61508、ISO 26262的嚴密規(guī)范下,功能性安全已是晶片業(yè)者進軍汽車、工業(yè)市場必備的入場券。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,以加速開發(fā)安全系數(shù)較高的汽車動力總成(Powertrain)控制系統(tǒng)、先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)或工業(yè)自動化解決方案。

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

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

  飛思卡爾亞太區(qū)行銷總監(jiān)曹躍瀧(圖7)強調(diào),物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)展,各種電子裝置未來都將具備專屬的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題。過去聯(lián)網(wǎng)裝置應用領域集中,系統(tǒng)廠僅以軟體負責網(wǎng)路安全的概念,在萬物聯(lián)網(wǎng)的時代將愈來愈行不通。

  物聯(lián)網(wǎng)嵌入式安全邁向系統(tǒng)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,目的就是在聯(lián)網(wǎng)裝置類型更加發(fā)散、數(shù)量遽增之際,掌握關鍵嵌入式安全硬體技術,以確保每一個可連上后端網(wǎng)路的路徑,不會成為駭客能輕易發(fā)動攻擊的盲點。

  據(jù)國際市場研究機構顧能(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,而這個數(shù)字到2020年時更將增加到兩百五十億。該分析機構同時預測,到2017年時,有五成的物聯(lián)網(wǎng)解決方案將來自創(chuàng)辦時間少于3年的初創(chuàng)企業(yè),這些新興系統(tǒng)也形成資安隱憂?;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)路服務來傳輸資料。

  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域切入,不容易在短時間內(nèi)掌握汽車、工業(yè)和醫(yī)療等高層級的功能安全設計知識,這在未來機器對機器(M2M)、裝置對裝置(D2D)的全面互連環(huán)境中,無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(tǒng)級嵌入式安全方案,以便補強各個物聯(lián)網(wǎng)接取點的安全性。

  為此,飛思卡爾近期宣布多項重大計畫,積極推動系統(tǒng)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(EEMBC)合作,將探索嵌入式系統(tǒng)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商在制造階段就能有效防堵許多資安漏洞。該協(xié)會將在5月召開開發(fā)人員大會,提出更進一步的安全規(guī)范。

  此外,飛思卡爾也搶先業(yè)界建立安全實驗室,發(fā)展從云端、網(wǎng)路傳輸?shù)蕉它c的整體性安全技術,同時針對Start-up合作夥伴開設專門的IoT安全實務設計課程。曹躍瀧表示,該公司針對智慧汽車應用產(chǎn)品,已支援硬體安全模組(HSM)、安全硬體擴展(SHE)等車用標準;在工業(yè)、智慧家庭領域則分別加入工業(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商,將能加速實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級嵌入式安全方案。


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