隨著互聯(lián)網(wǎng)紅利逐漸消失，物聯(lián)網(wǎng)在整體科技發(fā)展潮流中順勢而行，成為被普遍看好的新一代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則是物聯(lián)網(wǎng)目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，各種終端傳感器、即時通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，可以大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)提升到智能制造的階段。

　　GSMA智庫預(yù)計，到2025年，全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將增長至100.75億。GSMA智庫的一份調(diào)查顯示，69％的企業(yè)家認(rèn)為一旦5G到來，企業(yè)服務(wù)會是最重要的營收來源。

　　工業(yè) 4.0來襲？

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是“工業(yè)4.0”實現(xiàn)的具體形式，要想實現(xiàn)智能制造，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的個性化與定制化，需借助于萬物互聯(lián)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

　　根據(jù)維基百科的定義，“第四次工業(yè)革命（或者叫工業(yè) 4.0）是采用現(xiàn)代智能技術(shù)對傳統(tǒng)制造和工業(yè)實踐進(jìn)行持續(xù)的自動化。大規(guī)模機(jī)器對機(jī)器通信 （M2M） 和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 集成在一起，從而實現(xiàn)更高自動化程度，更好的通信和自我監(jiān)控，以及生產(chǎn)能夠在無需人工干預(yù)的情況下分析和診斷問題的智能機(jī)器 ?！?/p>

　　目前，多家全球市場領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)都在推動工業(yè) 4.0 的實施。國土安全研究公司提供的名單中有多個半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者和系統(tǒng)集成商，包括霍尼韋爾、高通等。

                 圖1顯示了幫助推動工業(yè) 4.0 的半導(dǎo)體技術(shù)  來源：新思科技

　　如圖 1 所示，據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會 （SIA）3 的數(shù)據(jù)表明，工業(yè)半導(dǎo)體約占全球半導(dǎo)體市場總量的 12%。一些公開報道顯示，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) / 自動化市場增長勢頭強(qiáng)勁，特別是在中國。

　　根據(jù)法蘭克福國際機(jī)器人聯(lián)合會的數(shù)據(jù)，中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是增長最快的市場，增速高達(dá)21%。報道顯示，到 2021 年，中國當(dāng)前800多家機(jī)器人制造商將使中國工業(yè)機(jī)器人出貨量占到全部市場的45%。根據(jù) Axa Insurance5的數(shù)據(jù)，2020年，中國的新基建計劃將通過物聯(lián)網(wǎng)連接超過 2000億硬件設(shè)備，其中 95% 以上由中國制造。

　　圖 2：按最終用途劃分的半導(dǎo)體需求百分比（圖片由 SIA 提供） 來源：新思科技

　　半導(dǎo)體行業(yè)中的工業(yè)元素

　　目前，針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的半導(dǎo)體設(shè)計的增長受到 AI 集成、安全性和可靠性、連接能力、吞吐量和防護(hù)能力等多種趨勢的推動。

　　AI 集成

　　毫無疑問，AI推動著自動化和運(yùn)營效率的顯著提高。這方面的例子包括缺陷識別、庫存管理、預(yù)測性維護(hù)和可視計數(shù)能力。這些 AI 能力需要嵌入到工業(yè)半導(dǎo)體和系統(tǒng)中的專用處理器，提供大量的乘積累加運(yùn)算，以確保處理時間和能源消耗不高于設(shè)計目標(biāo)。

　　安全性與可靠性

　　工業(yè)制造控制要求采取嚴(yán)格的可靠性和安全預(yù)防措施。IEC 61508 規(guī)定了不同的安全完整性等級 （SIL）。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的半導(dǎo)體通 常需要在多個不同用例中遵守安全標(biāo)準(zhǔn)，包括工藝自動化、機(jī)械、鐵路、核能等，如圖 3 所示。半導(dǎo)體廠商、半導(dǎo)體供應(yīng)商甚至 IP 供應(yīng)商都可能要遵守許多文檔記錄、可靠性和設(shè)計活動，使系統(tǒng)集成商通過 IEC 61508 子類別認(rèn)證。這些活動對于確保安全和 可靠性措施的制定和不斷改進(jìn)至關(guān)重要。

　　圖 3：多個不同用例中的安全標(biāo)準(zhǔn)

　　連接能力

　　工業(yè)4.0要求工廠車間和公司 IT 部門形成一個整體。這需要聚合多種不同的通信協(xié)議。多年來，工廠一直面臨著為提高效率而投入高昂成本升級專有和舊版本通信協(xié)議的困擾，而 IT 部門在管理不斷變化的消費(fèi)者技術(shù)方面疲于應(yīng)對。許多通信協(xié)議增加了軟件抽象層，旨在更好地向互連程度最高的工廠轉(zhuǎn)型，包括 CoAP、MQTT、XML、HTTP、AMQP 等?；A(chǔ)硬件技術(shù)也在迅速演變，以提供低延遲、帶時間戳且功能豐富的兼容性連接能力。

　　吞吐量

　　許多工業(yè)系統(tǒng)需要通過更高的帶寬而提高工廠效率。數(shù)十年來，工業(yè)系統(tǒng)一直通過從串行協(xié)議轉(zhuǎn)變到以太網(wǎng)協(xié)議而實現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。無線技術(shù)也正在工業(yè)系統(tǒng)中得到快速采用。然而，底層的半導(dǎo)體 IP 協(xié)議在系統(tǒng)改進(jìn)方面也發(fā)揮了重要作用。這包括更高內(nèi)存吞吐 量、在工業(yè)系統(tǒng)增加更多 SoC，以及具有高可靠性的長距離以太網(wǎng)能力。

　　防護(hù)能力

　　全球互連帶來了新的風(fēng)險，互聯(lián)網(wǎng)連接相關(guān)的勒索軟件、IP盜竊和其他惡意活動對安全防護(hù)提出了明確的需求。保護(hù)制造和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中的寶貴資源已成為工業(yè)設(shè)計的重要考量因素。有些領(lǐng)域還有其他標(biāo)準(zhǔn)和最低安全要求。半導(dǎo)體和支持系統(tǒng)越來越接受通過硬件安全方法正確實施和維護(hù)這些升級。

　　工業(yè)半導(dǎo)體的難題

　　當(dāng)前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地存在諸多難點，包括物聯(lián)網(wǎng)方案的交付場景多樣化，在多場景交付中適配工作量大、交付效率低甚至無法交付等問題。與之相應(yīng)，工業(yè)SoC也需要考慮諸多難點。

　　工業(yè) SoC 的可靠性和安全性考量一直是整體系統(tǒng)要求中的重要組成部分。然而，許多工業(yè)應(yīng)用都很難找到合適的半導(dǎo)體解決方案，因為大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的體量不能保證定制硅片的合理性，鑒于此，系統(tǒng)集成商不得不自己構(gòu)建，或者依靠傳統(tǒng)半導(dǎo)體供應(yīng)商修改或升級那些無法滿足嚴(yán)格可靠性和安全性需求的現(xiàn)成解決方案。

　　但當(dāng)前，新思科技提供的IP擁有滿足行業(yè)應(yīng)用所需要的許多安全性和可靠性文檔、流程與特性，使系統(tǒng)集成商或半導(dǎo)體提供商更容易采用滿足安全性和可靠性需求的關(guān)鍵 IP 模塊構(gòu)建 SoC。

　　DesignWare ARC 處理器和接口IP解決方案（如 PCI Express （PCIe）、DDR、MIPI、USB 和其他許多 IP 解決方案）提供了必要的流程、文檔以及可靠性和安全性方面的特性，可滿足非常嚴(yán)格的工業(yè)安全要求。這包括存儲器中的錯誤檢查校正 （ECC） 能力、文檔以及 為保障安全性和可靠性而提供的固有流程。另外，用于啟動時進(jìn)行冗余檢查的雙鎖步處理和安全管理器、定期測試管理以及用于安全機(jī)制測試的錯誤注入等IP特性滿足了功能安全方面的全部需求。

　　強(qiáng)大的連接能力要求工業(yè)半導(dǎo)體同時使用有線和無線IP。近年來，業(yè)內(nèi)對以太網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 功能的支持需求一直提高。新思科技推出了支持 TSN 的以太網(wǎng)控制器，已在工業(yè)應(yīng)用中被廣泛采用。

　　基于802.15.4的解決方案為計量、工廠自動化和樓宇控制提供了連接能力，但最近，隨著 Google、Amazon和Apple 等大型提供商為利用基于802.15.4并整合低功耗藍(lán)牙、Thread 和 Zigbee 確保無縫互連的解決方案實現(xiàn)家庭自動化提供了路線圖，互操作性不斷成熟。新思科技的 DesignWare 藍(lán)牙、Thread 和 Zigbee IP 憑借優(yōu)化的功耗、性能和面積 （PPA） 為此類硬件實施提供了基本的構(gòu)件。

　　更高的系統(tǒng)吞吐量還使工業(yè)系統(tǒng)能夠以低延遲能力實現(xiàn)實時控制。幾十年來，許多工業(yè)系統(tǒng)的響應(yīng)時間都無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時響應(yīng)，而實施的項目僅限于批處理或遠(yuǎn)程監(jiān)視。

　　隨著 5G 的出現(xiàn)及其將響應(yīng)時間降低到1ms以下的目標(biāo)，工業(yè)市場中的新應(yīng)用成為了探索的目標(biāo)。隨著半導(dǎo)體 IP 的發(fā)展，例如支持高達(dá)400G和800G以太網(wǎng)的高速 SerDes PHY，實時工廠控制和其他應(yīng)用成為可能。DDR5 和 LPDDR5 等存儲器接口增加了系統(tǒng)的內(nèi)存帶寬和容量。

　　目前，PCIe 5.0 也被迅速采用，用于連接工業(yè)服務(wù)器以及芯片到芯片的高速接口。特別需要指出的是，Compute Express Link （CXL） 協(xié)議專注于提供低延遲和緩存一致性能力，可為系統(tǒng)設(shè)計提供更大的靈活性，并縮短工業(yè)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）的響應(yīng)時間。新思科技是接口 IP 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，為工業(yè) SoC 設(shè)計提供 了最全面的經(jīng)過硅驗證的 IP 解決方案。

　　安全破壞事件越來越多，而且我們需要實施硬件來保護(hù)系統(tǒng)免受這些威脅的侵害。為了防御這些攻擊，硬件的信任IP根至關(guān)重要，包括在引導(dǎo)和SoC運(yùn)行期間的保護(hù)。現(xiàn)在，為加密數(shù)據(jù)的傳輸而加速實施協(xié)議安全的舉措越來越多。保護(hù)工業(yè) SoC 所需的 IP 包 括真實隨機(jī)數(shù)生成器 （TRNG）、安全引導(dǎo)、安全區(qū)域 （Secure Enclaves） 和受信任的執(zhí)行環(huán)境、安全協(xié)議加速器等。新思科技推出了全面的安全 IP 和軟件解決方案。最近，接口 IP 協(xié)議的發(fā)展正加速安全硬件的采用。

　　人工智能（例如機(jī)器視覺）需要采用專門的處理器減少功耗，縮短計算時間，同時需要可靠、強(qiáng)大的傳感器連接能力。這需要多個關(guān)鍵 IP 組件。這些系統(tǒng)的傳感器接口采用最新的CMOS 圖像傳感器，而這些傳感器變得越來越復(fù)雜，包括多種圖像數(shù)據(jù)格式、高級顏色、高分辨率、SNR 等。

　　MIPI CSI-2 IP解決方案滿足了機(jī)器視覺的基本連接需求，包括每通道最高 4.5Gbps 的速度和24位精度。最近，這些解決方案新增了智能關(guān)注區(qū)域能力，可以僅在需要時才傳輸數(shù)據(jù)，這一能力非常適合機(jī)器視覺。新思科技推出了全面的 DesignWare MIPI IP 產(chǎn)品組合，包括 CSI-2、DSI/DSI-2、D-PHY、C-PHY 和 I3C，可確保設(shè)計人員采用可靠的連接解決方案進(jìn)行工業(yè)實施。

　　視覺處理器也是針對AI算法的高效處理能力而優(yōu)化的關(guān)鍵組件，包括標(biāo)量、矢量和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)的異構(gòu)計算能力，以及在可實現(xiàn) 的芯片面積內(nèi)支持此類復(fù)雜系統(tǒng)的基本軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。用于嵌入式視覺解決方案的新思科技 DesignWare ARC EV 處理器從一開始 就是專為采用優(yōu)化型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）引擎的機(jī)器視覺應(yīng)用而設(shè)計。DesignWare EV7x 視覺處理器 的性能高達(dá) 35 TOPS，可為機(jī)器視覺提供最先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)處理能力。

　　領(lǐng)先的工業(yè)企業(yè)都已在其工業(yè)SoC中采用了新思科技的DesignWare IP。通常，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) / 自動化 SoC 設(shè)計正在取代傳統(tǒng)的 FPGA 和現(xiàn)成的解決方案，因為這些解決方案無法滿足快速增長且差異化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需求。

　　新思科技 DesignWare Security IP 已經(jīng)滿足安全引導(dǎo)、密鑰管理、安全調(diào)試和安全固件更新等工業(yè)需求。公司在 IP 和實施方面的專業(yè)知識已經(jīng)滿足工業(yè) SoC 的嚴(yán)格要求，并且其表現(xiàn)優(yōu)于內(nèi)部、現(xiàn)成和FPGA 解決方案。

　　總結(jié)

　　全球范圍內(nèi)的千行百業(yè)正尋求數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這顯然已是不可逆轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)升級趨勢。5G、IoT、AI等前沿技術(shù)的進(jìn)步勢必會加速這一步伐。

　　未來工業(yè)半導(dǎo)體市場提供的機(jī)遇會持續(xù)增加。相關(guān)企業(yè)需要通過遷移而采用更多定制解決方案，以滿足快速變化的虛擬世界中對 AI 能力、安全性和可靠性、連接能力、吞吐量和防護(hù)能力等方面的需求。工業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體 SoC 需要借助 IP 解決快速變化的環(huán)境所面臨的關(guān)鍵問題。這些問題包括高效的計算、可靠的通信以及安全的數(shù)據(jù)交換。要實施下一代解決方案，像新思科技這樣擁有經(jīng)過硅驗證的 IP 解決方案組合的合作伙伴非常重要。