作者：文靜 詹士
物聯網智庫 整理發布
“半導體市場開始回暖。”
這是最近不少研究機構及行研專家給出的看法，也是自2021年以來的首次增長，對物聯網芯片玩家來說，這當然是一抹曙光。且物聯網連接數還在增長，應用場景仍在拓展，對于底層硬件，也提出更新要求。
這兩天，IoT Analytics發布《2023 年物聯網芯片組和物聯網模組趨勢報告》，從54個觀察到的趨勢中提取了最關鍵的10 個，展示了物聯網采用者的前沿需求，以及半導體 OEM/ODM 正如何滿足。
上述信息對于供應商來說，可以在瞬息萬變的市場變化中，保持前瞻性及領先地位，實現更小、更高效、更強大的物聯網設備。對于設備廠商，芯片的革新也將帶來全新機遇(例如人工智能、新的連接性和更高的能效)。當然，新挑戰也隨之而來，亟待解決(例如散熱)。
誰能抓住下一波機遇?下面這些趨勢，都是關鍵信息，相信能為從業者乃至上下游提供參考。
復雜市場環境中，IoT半導體技術仍在進步
行業大勢上，盡管貿易緊張局勢持續、經濟增長緩慢、芯片短缺，但半導體市場從 2023 年第一季度到 2023 年第二季度出現了微妙的復蘇跡象。
23年第二季度是自21年第四季度以來的首次積極變化——市場環比增長4.2%。
冰冷數字背后，一些趨勢正在推動市場回升，包括：
AI芯片組的需求不斷增長。
更強大的、甚至是全球的物聯網連接，且連接模塊化、可擴展。
希望將數據的分析和存儲，移至更靠近邊緣的位置。
追求更微型芯片設計，且散熱要更高效。
在這個復雜市場中，近年來，主要半導體公司的物聯網收入份額普遍上升，對于許多大型芯片公司來說，目前已經超過其收入的10%，在某些情況下甚至超過了20%。
以下為具體趨勢：
十大趨勢說了什么?
1、基于chiplet的架構在物聯網(IoT)設備中的應用
半導體芯片原始設備制造商(OEM)/制造商(ODM)正在采用基于chiplet的架構。
Chiplet是一種設計概念，允許在單個封裝中使用具有不同工藝節點尺寸的多個芯片。這種設計可以實現快速原型制作，縮短上市時間，同時降低生產成本。
基于chiplet的架構非常適用于物聯網設備，這些設備復雜性各不相同，從一次性RFID標簽到集成傳感器、人工智能芯片、處理、存儲和連接性的高階駕駛輔助系統。
示例：
2022年11月，AMD發布了Radeon RX 7900 XTX和Radeon RX 7900 XT圖形卡。這些顯卡采用了AMD的下一代RDNA 3架構，采用了基于chiplet的設計，結合了5納米和6納米工藝節點，性能每瓦提高了54%，AI性能提高了2.7倍，比RDNA 2更高。
AMD 的下一代 RDNA 3 架構。圖片來源：Kitguru。
2、IoT芯片設計越來越多地采用RISC-V
許多物聯網設備公司在設計芯片時，紛紛轉向開放標準指令集架構 RISC-V。
RISC-V 具有高能效和可定制性，并且由于其透明、開源特性和 ISA 合規性而被認為是安全的。其模塊化設計可實現高效的資源利用，這對于不同的物聯網部署而言具有成本效益。
示例：
2023 年 8 月 4 日，包括 博世、英飛凌、Nordic Semiconductor、恩智浦和高通在內的一批半導體行業主要參與者聯手投資一家新公司，旨在促進 RISC 的采用 -V架構。其目的是加速RISC-V的產品開發和商業化，并將其作為RISC-V的產品、參考架構和解決方案的單一來源。
3、將冷卻技術引入芯片/PCB，以設計更小節點芯片
芯片尺寸縮小是大勢所趨，其制程將縮小至3nm和2nm，這一趨勢預計將推動物聯網和通用 AI 芯片的發展，并帶來了三個不同的問題：
更高的功率密度：更小、更先進的芯片具有更高的功率密度，并且，由于在更小區域中增加了電路而產生更多的熱量。
減少散熱表面積：較小外形尺寸通常意味著散熱表面積較少，從而，使有效散熱變得更具挑戰性。
熱阻：較小外形尺寸也會導致芯片本身的熱阻較高。隨著芯片縮小，熱量傳播和消散的空間就會減少，從而導致熱阻增加。
為了緩解這些挑戰，半導體公司正在開發和采用多種冷卻技術，以管理和幫助散發運行期間產生的熱量，包括：散熱器、風扇和鼓風機、液體冷卻、均溫板、相變冷卻和熱電冷卻。
示例：
在旗下iEP-5000G系列工業物聯網控制器中，Asrock采用銅熱管來解決散熱問題。熱管，是一種嵌入 PCB 下方的管狀裝置，環繞在溫度升高超過限制的PCB區域。此外，Asrock在iEP-5000G的外殼和內部熱管上都加了散熱片。
4、物聯網處理器重點關注未來節能方向的創新
隨著處理器在性能、連接性和緊湊性方面的不斷進步，對能效的要求也在增加。
由于這種需求，基于超低功耗MCU的SoC正在嶄露頭角，半導體公司正在利用創新的節能方法來延長電池壽命并優化性能。
示例：
2023年3月，意法半導體宣布推出STM32WBA52，將Bluetooth LE(BLE)5.3連接性與超低功耗模式、ARM PSA認證第3級和SESIP3安全性以及豐富的外設選擇性相結合，供開發人員使用。
它由一個運行在100 MHz的ARM Cortex-M33核心提供額外計算能力，該MCU具備ST的低功耗DMA，以及可快速喚醒的靈活省電狀態切換。根據意法半導體公告，這些特性可以將MCU的功耗降低高達90%。
同樣在2023年3月，Onsemi推出了NCV-RSL15，這是一款汽車級別的無線微控制器。該產品一個顯著成就是——其被EEMBC認證為：行業中最低功耗安全無線微控制器。
為了最小化功耗，NCV-RSL15采用了專有的智能感知電源模式，可以運行至低至36納安。這款微控制器因其針對各種應用而特別定制的BLE連接性而聞名，如智能車輛進入、胎壓監測系統(TPMS)和安全帶檢測。
5、增強的蜂窩和衛星連接以實現流程化操作和全球覆蓋
5G Reduced Capability(RedCap)，或稱為5G NR-Light，是3GPP R17中面向需要中層物聯網連接的物聯網用例的新規范。
5G RedCap是對當前5G技術的增強，而非5G的輕量級版本。它平衡了吞吐量、電池壽命、復雜性和物聯網設備密度。
目前，中端IoT設備依賴LTE Cat-4所提供的廣域無線連接和移動性。5G RedCap將直接與LTE Cat-4在這部分需求上競爭，兩者都在類似的20 MHz帶寬上運行，并在下行鏈路和上行鏈路分別提供150和50 Mbps的類似吞吐量。
由于LTE Cat-4是上一代技術，因此它在網絡支持方面具有相對較短的壽命，而5G RedCap作為下一代技術，將具有較長的壽命。
此外，物聯網設備市場正在出現更先進的連接解決方案，這些解決方案結合了衛星和蜂窩技術，為物聯網應用提供了全球覆蓋和連接。這些應用可以超越地面網絡的限制，擴大物聯網設備的全球覆蓋范圍。
示例：
2023年3月，廣和通宣布推出全新的RedCap模組系列FG132-NA。該模組可提高能效、擴大物聯網場景多樣性，并支持 5G SA 和向后兼容 LTE Cat-4 網絡。下行速度高達 220 Mbps，上行速度高達 100 Mbps，為制造工廠、IPC、智能電網等各種應用提供可靠的網絡性能。
此外，廣和通于2023年7月在MWC上海2023上發布了非地面網絡模組MA510-GL(NTN)。該模組采用高通9205S調制解調器，符合3GPP R17標準，旨在滿足全球物聯網市場所需，并支持使用高度彈性的GEO衛星通信和蜂窩連接。
2023年3月，廣通宣布在全球推出新的RedCap模塊系列FG132-NA。圖片來源：Fibocom。
6、AI芯片組邊緣集成度不斷提高
隨著企業不斷尋找更快、更安全地做出更好決策的方法，對實時數據分析和數據隱私的需求，正在迅速增長。
這種需求推動新型邊緣設備的開發，在設備上配有芯片組，使AI應用程序能夠在本地運行，而無需將數據發送到云端。本地化AI處理可減少延遲，實現快速決策，并保護數據，畢竟，數據不會傳輸到場所之外。
示例：
在 2023 年漢諾威工業博覽會上，研華展示了三個工業人工智能平臺，每個平臺都基于不同的 Nvidia GPU，具體如下：
MIC-733-AO，基于 Nvidia Jetson AGX Orin
MIC-711-OX，基于 Nvidia Jetson Orin NX
MIC-711-OA，基于 Nvidia Jetson Orin Nano
上述Nvidia GPU 具有不同性能級別，Jetson AGX Orin最強大，Jetson Orin Nano 屬入門級。Nvidia Jetson AGX Orin SoM 基于 Ampere 架構 GPU 和 ARM Cortex-A78AE CPU。
Jetson AGX Orin 64GB具有2048個CUDA核心和64個張量核心，支持最高170 Sparse TOPs的INT8張量計算和最高5.3 FP32 TFLOPs的CUDA計算。NVIDIA Jetson Orin模組每秒可提供高達 275 萬億次操作 (TOPS)，與上一代 GPU 相比，多個并發AI推理性能提高了8倍。
7、本地工業硬件解決方案處理能力提升
一些工業自動化供應商最近升級了其硬件，如IPC(工業個人計算機)，配備了更快的芯片組和功能。
這些升級使工業硬件能夠本地存儲和分析數據，而支持多核的IPC可以運行基于軟件的PLC(可編程邏輯控制器)，這當中，新芯片技術典型包括：英特爾的i9處理器(Raptor Lake)和英偉達的Jetson AGX。
推動上述情況的，共有四個客戶需求因素：
將一些軟件應用程序從云端遷移到邊緣需求;
更快的數據處理和分析需求;
當公司改造使用不同協議的舊資產時，需要處理多個連接并轉換多個協議;
需要更好地控制從傳感器網絡收集的數據，以及本地數據的存儲和檢索;
示例：
2022 年 11 月，Beckhoff 宣布推出 C60XX 系列 IPC 的新成員 C6040，該設備基于英特爾全新的 Raptor Lake 技術，可實現更好的緩存，從而實現更好的實時功能。
不久之后，即 在2023 年 3 月，Beckhoff 重點介紹了其進一步增強的 C6043 IPC，其中包括用于 AI 加速的 Nvidia RTX A4500 GPU。
8、在IoT網關中采用基于樹莓派和Arduino的芯片組
為了順應本地工業硬件解決方案中處理能力更強的趨勢，物聯網網關制造商正在其設備中采用樹莓派和基于 Arduino 的系統。
這些設備最初用于原型設計，由于其經濟性、可用性和大型社區支持(主要由開發人員和愛好者組成)，現已被加入市場工業物聯網網關解決方案。此外，這些系統還提供各種連接選項，例如 WiFi、以太網和藍牙，這對于IoT網關至關重要。
示例：
2023 年 1 月，Artila Electronic 發布了 Matrix-310。這是一款基于 Espressif ESP32 的工業物聯網網關，采用 Xtensa 雙核 32 位 LX6 處理器，提供高達 240 MHz 的頻率。
用戶可以通過 Arduino 面板管理器，安裝 ESP32 Arduino 內核，使用 Arduino IDE 為 Matric-310 編程和開發應用程序。Arduino IDE 支持 FreeRTOS，這是一種開源實時操作系統，可用于管理 ESP32 板上的多個任務。
9、RAN加速器的廣泛應用正在推動蜂窩通信基礎設施采用 Open RAN/vRAN 架構
隨著通信服務提供商繼續在全球范圍內推出 5G，并展望 2030 年左右 6G 技術，他們對開放、靈活、虛擬和可編程的無線接入網絡 (RAN) 基礎設施越來越感興趣，以實現更好的性能、可擴展性、 并節省成本。
推動RAN性能的因素之一，是RAN加速器。這些是定制硬件組件或軟件模組，旨在增強RAN的性能，可以基于FPGA、GPU或ASIC，并用于卸載系統中通用處理器的處理任務。
支持 RAN 加速的著名架構有 Open RAN 和虛擬化 RAN (vRAN)：
Open RAN 是一種促進開放接口和標準使用的架構，可實現更加模塊化和靈活的網絡基礎設施，在其中，來自不同供應商的組件可以無縫協作。
vRAN 是一種使用虛擬化技術實現網絡功能的架構，其中各種網絡功能作為在通用硬件平臺(如服務器)上運行的軟件來實現，而不是在專門的(通常是特有的)設備上執行。
電信運營商可以選擇 Open RAN 來促進網絡異構性、減少供應商鎖定，并通過開放接口和可互操作的網絡元件促進創新。
另一方面，選擇vRAN可以利用虛擬化技術，在通用硬件平臺上實現RAN功能，從而幫助實現更高的網絡可擴展性、靈活性和成本效率，從而使網絡升級和維護更加簡單和經濟。但值得一提的是，目前RAN相關技術仍不算成熟。
示例：
2022 年 2 月，戴爾展示了基于 Marvell OCTEON CNF10S 基帶處理器的 Open RAN 加速卡。一年后，戴爾還宣布與各行業領導者合作，增強其 RAN 環境的開放基礎設施。
2023 年 1 月，英特爾推出了最新的第四代英特爾至強可擴展處理器，采用英特爾 vRAN Boost，這是一款旨在將 5G 和 4G 的 vRAN 加速直接集成到英特爾至強 SoC 上的新芯片。該處理器經過優化，可提高數據包和信號處理、負載平衡、人工智能和機器學習以及電源管理實施的性能。因此，不再需要自定義的第 1 層加速卡。通過消除對外部加速卡的需求，CSP 可以降低其 vRAN 的組件要求。這反過來，又可以顯著節省計算能力、簡化解決方案設計并降低 CSP 的總擁有成本。
直接在英特爾 Xeon SoC 上實現 5G 和 4G 的 vRAN 加速。 圖片來源：hothardware。
10、芯片到云安全性的進步
隨著連接設備數量的不斷增加，網絡攻擊和未經授權的訪問的風險也隨之增加。物聯網芯片技術供應商正在積極地將安全功能融入其產品中，并遵守行業特定的法規和標準。
其中一組標準是 IEC 62443 OT 標準系列，獲得此認證的產品必須從設計的早期階段就遵守特定的產品開發要求。許多頭部業內廠商均獲得其認證。
示例：
2023 年 3 月，Eurotech 宣布，其 ReliaGATE 10-14 多服務物聯網邊緣網關符合 IEC 62443 標準，并根據以下法規進行了組件級安全性測試：
IEC 62443-4-1，定義了安全產品開發流程。
IEC 62443-4-2，定義了嵌入式設備網絡組件、主機組件和軟件應用程序的技術要求。
它也是PSA認證的1級，在PCB上嵌入了TPM 2.01C。
隨著eSIM 和 iSIM 技術正在興起，越來越多的供應商正集成這些技術，以保護使用蜂窩連接的物聯網設備。這些技術結合了嵌入式安全元件，與傳統 SIM 卡相比，提供了更先進的安全性。嵌入式安全元素充當了硬件的信任根，用于非對稱加密，確保了安全的端到端通信。
對物聯網半導體公司意味著什么
根據本報告中發現的趨勢，IoT半導體供應商應該問自己 5 個關鍵問題：
能源效率：我們是否專注于提高處理器的能源效率，可能借鑒意法半導體和 Onsemi 等公司的進步，并將超低功耗模式和創新的節能方法集成到我們的新芯片設計中?
人工智能：我們如何在人工智能芯片市場中定位自己，哪些合作或收購可以推動我們在這一領域的增長?
RISC-V：我們公司如何加快向 RISC-V 架構的過渡或將 RISC-V 架構納入我們的物聯網芯片設計中，以獲得競爭優勢?
散熱：隨著芯片技術轉向 3nm 和 2nm 節點，半導體公司計劃如何幫助客戶解決與更高功率密度和減少散熱表面積相關的挑戰?
Chiplet 架構：我們是否正在探索基于 Chiplet 的架構為客戶的物聯網產品帶來的潛在優勢?我們如何利用它來降低生產成本并縮短上市時間?
這對物聯網半導體器件/設備制造商意味著什么
根據本報告中發現的趨勢，物聯網半導體器件/設備制造商應該問自己的 5 個關鍵問題：
新連接：我們是否正在探索 LTE Cat 1 bis 和衛星連接方面的機會，以增強物聯網設備的全球覆蓋范圍和連接?
散熱：我們如何優化 PCB 設計以采用高效的散熱方法?
能源效率：如何利用新推出的芯片(例如STM32WBA52和NCV-RSL15)的節能特性來提高物聯網設備的性能和電池壽命?
邊緣計算：如何利用更快的芯片組來增強本地數據處理和分析能力，以及將軟件應用程序從云端轉移到邊緣的潛在好處是什么?
人工智能：我們需要在物聯網設備中添加哪些人工智能功能，以滿足未來與邊緣人工智能推理相關的客戶需求?
