什么樣的MCU才能登上物聯(lián)網(wǎng)市場高速增長的列車？

本刊編輯部

什么樣的MCU才能登上物聯(lián)網(wǎng)市場高速增長的列車？

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引 言

物聯(lián)網(wǎng)市場呈現(xiàn)飛速增長的發(fā)展，在這些領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的背后，MCU作為物聯(lián)網(wǎng)的核心器件，要滿足怎樣的條件才能符合用戶產(chǎn)品的需要？更多聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的出現(xiàn)，使得MCU的功耗是否要越來越低？MCU是否要同F(xiàn)PGA和無線模塊高度整合在一起，更加集成化地服務(wù)于上述技術(shù)領(lǐng)域？究竟什么樣的MCU才能抓住機遇，登上物聯(lián)網(wǎng)市場高速增長的列車？

業(yè)界聲音

連接能力、能量模式和集成功能是MCU必備的素質(zhì)Silicon Labs32位微控制器產(chǎn)品高級營銷經(jīng)理 φ ivind Loe

(1) 連接能力是物聯(lián)網(wǎng)的必備條件

無論現(xiàn)在還是未來，連接能力都是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連接設(shè)備中的微控制器的關(guān)鍵特性之一。強大的無線連接能力不僅對許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言是必需的，而且這些應(yīng)用也需要更先進的特性，例如對多協(xié)議無線的支持，可用來處理諸如多種網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試和共存這樣的問題。能夠使通信信道安全對于保護物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)免受入侵也是至關(guān)重要的。安全性應(yīng)該通過硬件加速來最大化效率、響應(yīng)時間和電池續(xù)航能力，因為數(shù)量眾多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是由電池供電的，或者擁有有限的能源。

此外，高效的傳感器接口、靈活計時外設(shè)和高集成度通信外設(shè)也是關(guān)鍵的構(gòu)件，這些外設(shè)必須都能夠在深能級模式中自主工作，以最小化能量損耗。

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員需要能幫助自己去實現(xiàn)能效最大化、調(diào)試問題和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)工具。強大的軟件構(gòu)件也是非常關(guān)鍵的，它可以使開發(fā)人員致力于實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，同時無須為每個設(shè)計項目進行重復(fù)性的工作。

(2) MCU必須要有精心設(shè)計的能量模式

一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表和智能信用卡，可能會有極低功耗的要求；而諸如智能手表等其他應(yīng)用，可能對MCU本身的低功耗要求并沒有那么嚴格，因為手表中其他的元器件可能占據(jù)了電流消耗的主要部分。

為了適合各種不同的應(yīng)用，MCU必須擁有精心設(shè)計的能量模式，支持MCU去實現(xiàn)電流消耗與響應(yīng)時間和功能之間的平衡。舉例來說，諸如智能信用卡這種需要睡眠模式下電流消耗低于50 nA的應(yīng)用，可以使用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU和Wireless Gecko SoC的EM4模式。EM4模式擁有最低的電流消耗，但同時只提供少量的外設(shè)且喚醒時間更長。而智能水表應(yīng)用則寧愿使用Gecko MCU和無線MCU的EM2模式，因為EM2模式允許低于1 μA的電流消耗，同時允許復(fù)雜的傳感器接口自主運行，以便水表處于休眠模式時仍可測量水流量。

(3) 集成功能對于MCU的眾多好處

將各種功能集成到MCU中有許多益處，包括更低的解決方案成本、更小的占板面積和更高的功能集成度，進而可產(chǎn)生更高的性能和更低的能耗。我們也看到了對于驗證無線模塊的高度需求，該無線模塊包含一個無線MCU，同時集成了包括天線在內(nèi)的所有外部無線元件，從而使產(chǎn)品開發(fā)人員可以極其容易地將無線功能集成到自己的產(chǎn)品中。

安全防護是MCU急需解決的問題

新唐科技股份有限公司 單片機應(yīng)用事業(yè)群技術(shù)經(jīng)理 凌立民

物聯(lián)網(wǎng)已開始席卷全球應(yīng)用領(lǐng)域，成為市場關(guān)注焦點，根據(jù)高德納 (Gartner) 物聯(lián)網(wǎng)預(yù)測報告顯示，2017年全球物聯(lián)網(wǎng)裝置數(shù)量將會達到84億個，市場份額可達到1 700億美元，而到2020年裝置將成長至204億個，份額達2 936億，可見物聯(lián)網(wǎng)市場為未來之新興成長動能，臺面上各家廠商亦已經(jīng)積極展開布局。

進一步分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包含智能醫(yī)療、智能家庭與城市、智能工廠、智能交通、環(huán)境監(jiān)控與安控等；其中物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備為能支持各類型平臺，串連網(wǎng)絡(luò)傳輸與應(yīng)用，因此必須具備高效能的運算能力，筆者相信高效能已經(jīng)成為廠商競逐的殺戮市場；但除了效能外，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備更重要的是設(shè)備必須時刻無線連結(jié)上網(wǎng)，無時無刻不存在安全隱患，設(shè)想一個家庭的電、水與瓦斯等設(shè)備裝設(shè)了可受遠端管理的連網(wǎng)裝置，如果能輕易被黑客竊取控制權(quán)，輕則導(dǎo)致能源供應(yīng)中斷，重則可能引起人身安全或重大公安意外。因此，作為物聯(lián)網(wǎng)核心器件的單片機，除了效能外，更該考慮的是如何順應(yīng)日益嚴峻的連網(wǎng)安全需求。

目前物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點，大部分只配備了基礎(chǔ)資源進行簡單的感測與資料傳輸工作，但伴隨著云計算與大數(shù)據(jù)的興起，許多關(guān)鍵性的資料存儲與運算都至云端進行，資料到達云端前會經(jīng)過連接層、路由器層、通信協(xié)定連線層及網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)層等，資料透過不同的裝置傳送，傳遞過程皆有可能出現(xiàn)安全風(fēng)險；參考OWASP (Open Web Application Security Project) 組織所整理的物聯(lián)網(wǎng)最可能引起信息安全與實體安全防護問題的疑慮之前十項為：不安全的網(wǎng)絡(luò)界面；認證/授權(quán)不足；不安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；傳輸加密機制的缺乏；隱私權(quán)防護不足；不安全的云接口；不安全的移動設(shè)備接口；安全配置不足；不安全的軟件/韌體；不安全的硬件設(shè)備。

不難發(fā)現(xiàn)，除信息安全外，實體安全防護仍是物聯(lián)網(wǎng)最需要解決的問題。ARM公司在2016年10月發(fā)布了過去僅在Cortex-A系列才配備的TrustZone技術(shù)的Cortex-M23和Cortex-M33處理器，這兩款處理器都是基于ARMv8-M架構(gòu)的新型CPU；TrustZone技術(shù)可視為將軟件運行在不同的處理器區(qū)域上，如安全區(qū) (Secure Zone) 和非安全區(qū) (Non-Secure Zone) ，彼此互動將受到嚴格管制，我們可以想象如同在安全區(qū)開了一份白名單，唯有符合白名單條件才能通行，兩種軟件方能進行互動，因此TrustZone讓通用型單片機借由白名單規(guī)則來防范惡意程序，滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所需的實體安全防護需求。

當(dāng)然安全防護有不同等級，以ARM 公司官方的分類來看，嵌入式系統(tǒng) (Embedded System) 安全等級的考慮分為四類，安全性從低至高為應(yīng)用級防護 (Application Level Security)、進階型防護 (Privilege Level Security)、TrustZone防護 (TrustZone防護)、防竄改防護 (Anti-tampering Security)。

應(yīng)用級防護本質(zhì)上為軟件所提供的安全機制，幾乎所有市場上的處理器 (CPU、MPU、MCU等) 皆可以支持此等級的安全需求；進階型防護在執(zhí)行時將系統(tǒng)程序分類成Privileged和Un-privileged 狀態(tài)，類似開了一份黑名單給管理單元來預(yù)防破壞的惡意程序，以警告或強制停止系統(tǒng)運行等方式進行保護，由特定等級的MCU才能做到；TrustZone防護僅少數(shù)MCU可以做到，如Cortex-A 系列或Cortex-M23和Cortex-M33系列；防竄改防護等級是針對特定用途所設(shè)計的芯片，考慮的是MCU本身對實體攻擊 (Physical Attack) 的防護，如MCU線路布局設(shè)計、引腳信號不可偵測性、整體軟件運行速度調(diào)整防止比對等進行防護。

上述四類的安全防護等級與投入的資源相關(guān)，設(shè)計者可思考自己的MCU應(yīng)用系統(tǒng)需要提供的安全防護等級；一般應(yīng)用級防護適用于所有處理器，故其出貨量成長最為快速；進階型防護可利用此類MCU內(nèi)建的MPU (Memory Protection Unit)來設(shè)定專屬記憶體保護區(qū)塊，以運用于進階資安需求的應(yīng)用，例如一些未連網(wǎng)的裝置或?qū)B網(wǎng)安全不是那么有迫切需求的電子產(chǎn)品，TrustZone防護可適用于更高安全層級軟件資產(chǎn)安全保障需求的生物辦識領(lǐng)域(如指紋辨識應(yīng)用、智慧連網(wǎng)裝置如電子鎖應(yīng)用與門禁系統(tǒng)等)，更可在MCU應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域里實現(xiàn)由TrustZone所支持的更加安全的二次開發(fā) (Collaborative Secure Software Development)，同時兼顧連網(wǎng)裝置在設(shè)計功能上多樣性需求的彈性，非常適合用于打造安全之物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，其成長力道不容小覷；至于防竄改防護MCU，例如金融行業(yè)的相關(guān)卡類應(yīng)用可以說是對芯片安全防護要求等級最高的，可采用防竄改防護等級，保護機密資料不易被入侵。

物聯(lián)網(wǎng)將持續(xù)發(fā)酵與帶動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新興應(yīng)用發(fā)展，IC Insights預(yù)估，IC市場從2015年至2020年成長動能除車用市場外，以物聯(lián)網(wǎng)市場成長最為快速，年復(fù)合增長率為12.8%。相信各家廠商要決戰(zhàn)全球物聯(lián)網(wǎng)市場，除了必須善用原有競爭優(yōu)勢，發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)以外，安全相關(guān)的技術(shù)亦扮演舉足輕重的角色，唯有確保了安全性，才能在此波商機中，搶得一席之地。

飛騰公司FT-2000/64芯片性能追平Intel

2016年8月，飛騰公司發(fā)布了FT-2000/64芯片，其通過集成高效處理器核心、基于數(shù)據(jù)的大規(guī)模一致性存儲架構(gòu)、層次式二維Mesh互連網(wǎng)絡(luò)以及自定義擴展接口，搭配獨立的存儲擴展芯片(CMC)，提供業(yè)界領(lǐng)先的計算性能、訪存帶寬和I/O擴展能力。

物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)離不開海量服務(wù)器的支持，雖然ARM叫囂著進服務(wù)器市場叫了不少年，但是到目前為止，產(chǎn)品并不多。所以，能有一款逼近了Intel的性能和性能功耗比的芯片，對整個ARM架構(gòu)占領(lǐng)服務(wù)器市場來說都是意義重大的。

編輯視角

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的復(fù)雜化，海量數(shù)據(jù)需要被物聯(lián)網(wǎng)硬件采集，大型的服務(wù)器同時要對海量數(shù)據(jù)進行處理、分析，對于64位MCU會有大規(guī)模的需求，將刺激64位MCU的大幅增長；而如何在低功耗的前提下又能實現(xiàn)較高的運算能力，成為擺在MCU廠商面前的一道難題，超低功耗MCU是物聯(lián)網(wǎng)時代的必備條件；物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，要通過傳感器感知外界信息，通過處理器進行數(shù)據(jù)運算，通過無線通信模塊發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，因此采用集成傳感器+MCU+無線模塊的方案才是MCU要抓住的機遇。

隨著MCU技術(shù)的成熟、芯片設(shè)計技術(shù)的普及，以及對市場的充分了解，物聯(lián)網(wǎng)時代不斷涌現(xiàn)的巨型企業(yè)，必然會走專用MCU的創(chuàng)新之路。近年來許多大用戶直接發(fā)展自己的專用MCU，如科大開發(fā)用于超級計算機、服務(wù)器的MCU、華為開發(fā)手機專用MCU，最近小米的松果芯片也面向市場，種種市場現(xiàn)象都表明，實現(xiàn)個性化的MCU創(chuàng)新定制才能抓住機遇，登上物聯(lián)網(wǎng)市場高速增長的列車。