2024年嵌入式系統(tǒng)的三大重要趨勢

2024年嵌入式系統(tǒng)將如何發(fā)展才能讓制造商保持領(lǐng)先地位？十年前，很少有人會問這些問題。如今，這個答案可能將決定整個公司的成敗。事實上，嵌入式系統(tǒng)曾一度被局限于一些小眾應(yīng)用，但現(xiàn)在已無處不在。從工廠到家用電器，從醫(yī)院里昂貴的醫(yī)療設(shè)備，甚至到無處不在的穿戴式裝置，每當(dāng)我們變得更加互聯(lián)或永續(xù)時，嵌入式系統(tǒng)通常都是創(chuàng)新的核心。讓我們來了解2024年將如何發(fā)展。

運(yùn)算效率或事半功倍
一直以來，提升效率往往是創(chuàng)新的主要驅(qū)動力。不過，可能需要拓展對「效率 」的理解。從本質(zhì)上來說，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，提升效率意味著降低功耗，同時提供相同或更高的運(yùn)算吞吐量。然而，隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷優(yōu)化，一種新的效率比決定了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向：在給定運(yùn)算傳輸量下的應(yīng)用復(fù)雜性。
想象一下，若將今天的高性能MCU帶回至五年前，它根本無法運(yùn)行現(xiàn)在的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或豐富的用戶接口，因為那時的框架和機(jī)器學(xué)習(xí)算法遠(yuǎn)不如現(xiàn)在精細(xì)。而現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)不僅性能更加強(qiáng)大，而且經(jīng)過了新的應(yīng)用優(yōu)化。因此，同樣的運(yùn)算力在今天可以運(yùn)行更強(qiáng)大的應(yīng)用。

 
圖一 : 使用TAO工具包訓(xùn)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(qiáng)大的邊緣AI系統(tǒng)。ST最近與施耐德電氣共同展示一個深度量化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即在STM32H7上運(yùn)行人數(shù)統(tǒng)計應(yīng)用。而NVIDIA在運(yùn)行一個用其TAO工具包優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)時，亦采用同款微控制器和STM32Cube.AI。同樣的，新的馬達(dá)控制算法，如ZeST，讓MCU可以更準(zhǔn)確、更高效地驅(qū)動馬達(dá)，而新的UI框架優(yōu)化也能讓MCU運(yùn)行更豐富的圖形用戶界面，同時還能降低對內(nèi)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，在圖形接口開發(fā)框架的加持下，STM32U5的圖顯效果將會更加出色。

 
圖二 : 無線水表、氣表和電表系統(tǒng)

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(yùn)行的應(yīng)用也是經(jīng)過優(yōu)化改良的。在許多情況下，實時應(yīng)用不再是while循環(huán)中運(yùn)行的基本程序代碼。開發(fā)人員必須充分利用云端運(yùn)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、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(tǒng)的MCU至關(guān)重要，因為完善的生態(tài)系統(tǒng)可以提供新的解決方案，并且?guī)椭_發(fā)者優(yōu)化應(yīng)用。工程師必須考慮設(shè)備的運(yùn)行速度，以及因應(yīng)復(fù)雜、功能豐富應(yīng)用的支持能力。

支持多種無線協(xié)議，與世界無縫溝通
目前，嵌入式應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)已經(jīng)不再是新鮮事，物聯(lián)網(wǎng)已問世多年，因為有許多應(yīng)用都仰賴著網(wǎng)絡(luò)。不過，到目前為止，眾多應(yīng)用主要還是選擇某一種通訊模式，采用有線或無線的通訊。如果是后者，通常會選擇一種無線協(xié)議，例如蜂巢、Wi-Fi或藍(lán)牙。過去幾年，嵌入式產(chǎn)業(yè)的無線通信協(xié)議激增，從6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT，新協(xié)議層出不窮，但卻沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是各種協(xié)議的混戰(zhàn)。
以2.4GHz頻譜為例，雖然藍(lán)牙仍然是這個市場的主角，但Zigbee和Thread的熱度不斷上升。出于競爭或監(jiān)管原因，許多公司還開發(fā)IEEE 802.15.4客制化協(xié)議。為結(jié)束無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)量激增而造成混亂的局面，家庭自動化統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)Matter也因而誕生，該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行在Wi-Fi、Thread、藍(lán)牙等多種無線技術(shù)之上，并支持許多2.4GHz橋接技術(shù)，包括Zigbee和Z-Wave，而不僅采用一種無線技術(shù)。
因此，工程師面臨著一個全新的挑戰(zhàn)：為保持競爭力，必須打造一個支持多種無線協(xié)議的系統(tǒng)。如果采用一個支持多種無線技術(shù)的MCU，企業(yè)就可以用一個硬件平臺滿足多元市場的需求。例如，開發(fā)人員可以在一個區(qū)域使用專有的IEEE 802.15.4協(xié)議，在另一個區(qū)域則采用Thread，而無需更換硬件平臺，只需修改程序代碼數(shù)據(jù)庫，如此一來就可以縮短產(chǎn)品上市時間，并取得更大的設(shè)計彈性。
總之，到 2024 年，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在設(shè)計應(yīng)用時必須考慮到多協(xié)議，并選擇出能夠滿足當(dāng)前和未來需求的產(chǎn)品。

未來投資的安全性或保護(hù)

 
圖三 : 智能家庭產(chǎn)品的首要考慮因素是「安全」

物聯(lián)網(wǎng)會帶來很多安全上的威脅。人們已經(jīng)深刻認(rèn)知到，嵌入式系統(tǒng)安全性是至關(guān)重要的。必須能夠保護(hù)服務(wù)器、程序代碼、終端用戶數(shù)據(jù)，甚至實體設(shè)備，以便于防止網(wǎng)絡(luò)攻擊。否則就可能會對產(chǎn)品及其品牌產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而監(jiān)管部門的干涉也為嵌入式安全帶來新的挑戰(zhàn)。歐盟、美國和許多其他國家和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)已經(jīng)推出新的信息安全法規(guī)。這些新規(guī)范尚不明確或不是最終版本，有些內(nèi)容仍在制定中。
業(yè)界一直在采用更正式的安全標(biāo)準(zhǔn)來因應(yīng)這一新挑戰(zhàn)。例如，平臺安全架構(gòu)（PSA）和物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標(biāo)準(zhǔn)（SESIP）兩大認(rèn)證機(jī)構(gòu)提供一整套完善的安全設(shè)計方式，幫助工程師保護(hù)嵌入式系統(tǒng)的信息安全。這些認(rèn)證有助于工程師開發(fā)針對未來的設(shè)計，并確保滿足各種嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全要求。但這也意味著開發(fā)者不能事后增加安全功能，也不能在完成系統(tǒng)設(shè)計之后再進(jìn)行認(rèn)證。反之，需要在首次概念驗證時就要考慮其安全性，并采用能夠滿足對應(yīng)認(rèn)證等級的微控制器。
以智能家庭應(yīng)用為例，這些應(yīng)用需要與云端服務(wù)共享個人資料和敏感數(shù)據(jù)。越來越多的政府要求智慧家庭設(shè)必須具備加密通訊、物理攻擊防御、軟件入侵防護(hù)、安全無線更新系統(tǒng)、數(shù)據(jù)泄露偵測等功能。
一般情況下，SESIP三級認(rèn)證能確保系統(tǒng)滿足這些安全要求。但如果工程師未能選擇能夠獲得此類認(rèn)證的MCU，就可能讓整個項目的安全性大打折扣。為確保產(chǎn)品能夠滿足特定的安全認(rèn)證要求，硬件和平臺都是需要考慮的因素，因此，開發(fā)人員在選擇 MCU 時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，不難發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的建立者至關(guān)重要。運(yùn)算效能取決于MCU，以及其運(yùn)行的應(yīng)用框架、中間件和算法。支持多種無線協(xié)議則需要新的開發(fā)工具，而保護(hù)嵌入式系統(tǒng)也需要基于硬件 IP 的實用軟件解決方案。意法半導(dǎo)體多元而且完整的MCU選擇以及豐富的生態(tài)系統(tǒng)，將能滿足各種不同的應(yīng)用安全需求，因應(yīng)未來符合潮流的應(yīng)用發(fā)展。