全球嵌入式技術(shù)與IoT產(chǎn)業(yè)回顧與展望

       Review and outlook of embedded technology & IoT industry

　　作者/何小慶 嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)家摘要：半導(dǎo)體公司的并購(gòu)、IoT和AI熱潮驅(qū)動(dòng)嵌入式技術(shù)向安全、低功耗和互聯(lián)的方向發(fā)展，AI和IoT 將越來(lái)越多呈現(xiàn)“一體化”趨勢(shì)，“人工智能”逐漸向“應(yīng)用智能”發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也將會(huì)向“智聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；嵌入式視覺(jué)；MCU*本文來(lái)源于“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)主題討論會(huì)（總第23次）——物聯(lián)網(wǎng)與人工智能時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)”上何小慶老師的報(bào)告，已經(jīng)過(guò)作者確認(rèn)。該會(huì)議主辦方：嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)，時(shí)間：2018年11月24日，地點(diǎn)：北京航空航天大學(xué)

       1 半導(dǎo)體行業(yè)的并購(gòu)

       全球半導(dǎo)體行業(yè)的并購(gòu)是從2015年開(kāi)始提速，到了2016年發(fā)展到頂峰，之后逐漸回落 ^[1] 。我們看到過(guò)去幾年發(fā)生了不少并購(gòu)，一個(gè)就是高通（Qualcomm）收購(gòu)恩智浦（NXP），因?yàn)橹袊?guó)商務(wù)部沒(méi)有批準(zhǔn)，最后這件事情沒(méi)發(fā)生，恩智浦現(xiàn)在又開(kāi)始獨(dú)立運(yùn)作了。
　　其實(shí)之前恩智浦已經(jīng)把飛思卡爾（Freescale）給收購(gòu)了。飛思卡爾是我們嵌入式行業(yè)一家著名半導(dǎo)體公司，加上原來(lái)恩智浦就已經(jīng)是歐洲著名的嵌入式芯片公司，恩智浦是中國(guó)金融信息系統(tǒng)中的重要供應(yīng)商。
　　還有一些小規(guī)模的嵌入式芯片公司的收購(gòu)，或許我們沒(méi)有在意，例如微芯（Microchip）收購(gòu)了愛(ài)特梅爾（Atmel），這兩家都是做單片機(jī)（MCU）出身的。
　　還有瑞薩（Renesas）公司，在MCU業(yè)一直名列前茅（注：在中國(guó)市場(chǎng)，日本公司通用MCU的市場(chǎng)占有率一直很低，名氣也沒(méi)有歐美企業(yè)大。），2016年收購(gòu)了Intersil公司。Intersil是做模擬器件方面的。最近美滿(mǎn)（Marvell）把做網(wǎng)絡(luò)通信的芯片公司Cavium公司收購(gòu)，我們知道Marvell一直要收購(gòu)其他芯片公司，曾經(jīng)也開(kāi)出了很高的價(jià)格收購(gòu)高通。最近把做網(wǎng)絡(luò)處理器的公司收購(gòu)。
　　那么，驅(qū)動(dòng)并購(gòu)最重要的原因是什么？就是成本不斷的增加，包括人工的成本上升和由于工藝提升引起的制造成本的上升，但是芯片的價(jià)格卻是越來(lái)越便宜。因?yàn)楣蓶|對(duì)于盈利的需求，給半導(dǎo)體企業(yè)的運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)很大的壓力。股東和運(yùn)營(yíng)者希望通過(guò)并購(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片公司更好的盈利。
　　收購(gòu)一般將會(huì)花費(fèi)兩三年的時(shí)間才可以整合好。多數(shù)收購(gòu)是積極和正面的。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，并購(gòu)可以幫助芯片企業(yè)在IoT和人工智能（AI）方面發(fā)展。
　　半導(dǎo)體公司的并購(gòu)將會(huì)驅(qū)動(dòng)嵌入式芯片企業(yè)向更高的性能、更安全以及更低成本的方向發(fā)展。從2018年開(kāi)始，我們看到 IoT市場(chǎng)已經(jīng)有一些性能更強(qiáng)、安全性和連接性更好的芯片出來(lái)，比如NXP RT系列高能MCU和 Microchip 的IoT 芯片整體解決方案。
　　半導(dǎo)體公司的并購(gòu)還將幫助嵌入式芯片公司進(jìn)入人工智能和IoT的一些垂直應(yīng)用市場(chǎng)，例如無(wú)人駕駛，這個(gè)市場(chǎng)非常熱；還有計(jì)算機(jī)視覺(jué)(CV)，也有人稱(chēng)之為嵌入式計(jì)算機(jī)視覺(jué)（Embedded Vision），這是一個(gè)更廣義的人工智能應(yīng)用領(lǐng)域，或者說(shuō)人工智能讓這個(gè)傳統(tǒng)的技術(shù)再放異彩。2019年2月德國(guó)紐倫堡嵌入式世界展覽和大會(huì)上有專(zhuān)門(mén)的Embedded Vision 專(zhuān)題和論壇談?wù)摚磕?月在美國(guó)硅谷有Embedded Vision 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟組織大型的技術(shù)峰會(huì)。
　　我們可以看到像三星收購(gòu)HARMan，HARMan是做汽車(chē)電子的；Intel收購(gòu)Mobileye進(jìn)入計(jì)算機(jī)視覺(jué)。
　　也把中國(guó)一家叫深鑒科技的初創(chuàng)公司收購(gòu)了，后者有清華大學(xué)的技術(shù)背景，專(zhuān)注于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究、深度壓縮技術(shù)及系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。ARM在大約2018年投資了一家數(shù)據(jù)分析公司，該公司支持邊緣計(jì)算。目前垂直市場(chǎng)的容量還比較小，大家看好的是未來(lái)的發(fā)展。大的IT公司，包括谷歌、亞馬遜和微軟，也是在人工智能和IoT相關(guān)的領(lǐng)域里投資。
　　半導(dǎo)體公司的并購(gòu)還將影響處理器架構(gòu)市場(chǎng)，現(xiàn)在的情況是ARM依然獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但是RISC-V現(xiàn)在聲名大振，中國(guó)第一代的集成電路的專(zhuān)家——許居衍院士，對(duì)于RISC-V非常看好 ^[2] 。IoT的需求會(huì)推動(dòng)處理器架構(gòu)技術(shù)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，因?yàn)?IoT系統(tǒng)是一種隱形的計(jì)算，即看不見(jiàn)的計(jì)算。這種設(shè)備不像我們的電腦和終端，你會(huì)拿在手上或者會(huì)放在桌面。在這種看不見(jiàn)的計(jì)算當(dāng)中，不一定要使用ARM架構(gòu)的處理器，可以是其他架構(gòu)的處理器。雖然這些架構(gòu)處理器的生態(tài)系統(tǒng)沒(méi)有ARM 這么好，但是因?yàn)橛?jì)算模式比較簡(jiǎn)單，生態(tài)環(huán)境就不是主要的問(wèn)題了。而且由于這些處理器有開(kāi)放的架構(gòu)，他們的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)。RISC-V基金會(huì)也有300多家成員，市場(chǎng)非?；钴S，高校拿RISC-V做教學(xué)，科技巨頭紛紛宣布支持RISC-V，并且涌現(xiàn)出一批初創(chuàng)的科技公司，臺(tái)灣的Andes（晶心科技）和杭州中天微（注：現(xiàn)在已經(jīng)被阿里收購(gòu)，叫平頭哥）等已經(jīng)支持基于RISC-V 架構(gòu)芯片設(shè)計(jì)，已經(jīng)有相應(yīng)的IP可以授權(quán)給半導(dǎo)體公司。
　　2 物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算

       IoT后面的發(fā)展就是人們非?？春眠吘売?jì)算。什么是邊緣計(jì)算呢？美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍崧教授在《Edge Computing: Vision and Challenges》論文當(dāng)中給出邊緣計(jì)算的定義：邊緣計(jì)算是一種可以在網(wǎng)絡(luò)的邊緣完成的計(jì)算技術(shù)，這種技術(shù)和平臺(tái)在云和IoT設(shè)備之間上傳和下載數(shù)據(jù)，以平衡系統(tǒng)的計(jì)算、實(shí)時(shí)性、功耗和安全方面的需求 ^[3] 。
　　為什么要使用邊緣計(jì)算？這里有三大要素：能耗、帶寬和隱私。最早去踐行邊緣計(jì)算的企業(yè)是美國(guó)的通用電氣（GE）。GE是一家工業(yè)設(shè)備的巨頭，它對(duì)邊緣技術(shù)的定義是這樣的：靠近數(shù)據(jù)源存在的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)備，例如工業(yè)控制器和來(lái)自各種設(shè)備傳感器的數(shù)據(jù)集合，這些設(shè)備通常遠(yuǎn)離云計(jì)算中心。
　　邊緣計(jì)算的三大要素，第一是安全和隱私，因?yàn)橛袝r(shí)候設(shè)備廠商不太希望把產(chǎn)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)放到云端。第二是能耗，如果我們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的深度學(xué)習(xí)(Deep Learning)的AI方法，如果將數(shù)據(jù)訓(xùn)練和模型推理都在云端服務(wù)器上完成，無(wú)論算得如何快，都將導(dǎo)致在云端和設(shè)備端直接、大量和反復(fù)地傳遞數(shù)據(jù)，這樣消費(fèi)的能耗和帶寬都將是巨大的，而且傳輸中的數(shù)據(jù)延遲可能會(huì)造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性降低。如果我們將數(shù)據(jù)訓(xùn)練和模型推理放在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，實(shí)時(shí)性或許可以解決，但是在設(shè)備端，無(wú)論算力和能耗都是無(wú)法承受的。要想滿(mǎn)足這三大要素，邊緣計(jì)算將是比較好的解決方案，即將數(shù)據(jù)訓(xùn)練繼續(xù)放在云端，模型推理放在邊緣計(jì)算端，這樣可以平衡實(shí)時(shí)性、安全隱私和能耗的需求。
　　傳統(tǒng)的嵌入式企業(yè)，像恩智浦（NXP）是邊緣計(jì)算的積極倡導(dǎo)者，研華公司也是早期就做邊緣計(jì)算設(shè)備的企業(yè)。需要指出的是，邊緣計(jì)算設(shè)備一般會(huì)安裝在系統(tǒng)傳感和執(zhí)行端，多數(shù)邊緣計(jì)算設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)。從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)角度看，邊緣計(jì)算設(shè)備是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，不能單獨(dú)存在，需要云計(jì)算和人工智能技術(shù)的支撐和服務(wù)。邊緣計(jì)算技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目前處在初期階段，云計(jì)算、通信設(shè)備和嵌入式企業(yè)非常關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展是邊緣計(jì)算興起的最大推手。
　　物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大致分成兩個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期是從互聯(lián)走向智能，第二個(gè)時(shí)期從智能走向自治。目前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目還是處于第一個(gè)時(shí)期，正進(jìn)入第二個(gè)時(shí)期，邊緣計(jì)算將發(fā)揮重要作用，邊緣計(jì)算也將迎來(lái)快速發(fā)展的時(shí)期，人工智能正向邊緣和終端側(cè)延展，嵌入式人工智能時(shí)代將要來(lái)到。
　　3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

       IoT云平臺(tái)就是物聯(lián)網(wǎng)的云端，我們稱(chēng)之為IoT云。過(guò)去幾年，IoT的云平臺(tái)發(fā)展得比較順利，趨于成熟。云計(jì)算可分為軟件即服務(wù)（SaaS），平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）。IoT云平臺(tái)符合PaaS的定義。IoT借助云計(jì)算的快速發(fā)展。目前來(lái)看，IoT的云平臺(tái)方面，各個(gè)IT大佬在跑馬圈地，我們可以看到國(guó)內(nèi)和國(guó)際的IT企業(yè)都在做這件事情，以前我們會(huì)看到一些在美國(guó)和中國(guó)的創(chuàng)業(yè)公司專(zhuān)門(mén)做IoT云，像廣州機(jī)智云，但現(xiàn)在還繼續(xù)在做IoT云的創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)很少了。
　　現(xiàn)在IT大佬已經(jīng)把觸角往下探了，他們甚至去投資一些IoT芯片和模組的公司，還有物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（IoTOS），例如阿里已經(jīng)投資到IoT OS，產(chǎn)品是，阿里希望阿里云能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通到模組和傳感器，能夠把客戶(hù)的數(shù)據(jù)拿到?？蛻?hù)可以注冊(cè)一下，諸如百度云、阿里云或者亞馬遜云，剛開(kāi)始可能半年或者一年，或者用戶(hù)的節(jié)點(diǎn)很少的時(shí)候，全部是免費(fèi)。只有當(dāng)這位用戶(hù)的數(shù)據(jù)量上來(lái)之后，才有收費(fèi)的模式。所以這個(gè)領(lǐng)域在跑馬圈地，真正大數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)效益還在后面。
　　4 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

       嵌入式操作系統(tǒng)未來(lái)趨勢(shì)就是向IoT OS發(fā)展。
　　2017年，筆者在《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄：歷史的演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)》一書(shū)中，把這段歷史作了比較詳盡的描述，其中嵌入式操作系統(tǒng)和IoT OS銜接最緊密的是實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)（RTOS）和開(kāi)源的Linux ^[4] 。
　　過(guò)去幾年 IoT 成為重要風(fēng)口，眾多國(guó)內(nèi)外科技巨頭以及中小企業(yè)開(kāi)展了在 IoT 方面的布局，阿里云稱(chēng)IoT 是其第五賽道，以阿里云為支撐，在端側(cè)有，在其上阿里有物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)和一站式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，再上面就是包括消費(fèi)和行業(yè)應(yīng)用。華為布局AIoT, 推出標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在端側(cè)，華為有Huawei LiteOS，端云結(jié)合是通過(guò)OceanConnect，它是華為云推出的IoT聯(lián)接管理平臺(tái)。行業(yè)應(yīng)用上，華為重點(diǎn)推廣NB-IoT。
　　亞馬遜推出Amazon FreeRTOS ，借助嵌入式系統(tǒng)最具影響力的RTOS- FreeRTOS，亞馬遜擴(kuò)展其在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的市場(chǎng)地位，借助AWS IoT云和邊緣計(jì)算技術(shù)，為開(kāi)發(fā)者提供一站式解決方案 ^[5] 。
　　微軟在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端布置Azure Sphere OS，可以運(yùn)行在MCU上，邊緣側(cè)微軟有Azure IoT Edge，可以運(yùn)行在Linux 和Windows 系統(tǒng)，在云端微軟有，負(fù)責(zé)對(duì)IoT設(shè)備進(jìn)行安全管理和維護(hù)。
　　是最早推出的IoT OS，在行業(yè)具有標(biāo)桿作用。2018年ARM 推出ARM Pelion IoT Platform，提供端-端IoT 安全解決方案。據(jù)悉Pelion計(jì)劃在2019年在中國(guó)落地 ^[6] 。

       5 物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)

       我們看一下物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)，這幾年有許多新的發(fā)展。
　　第一個(gè)就是藍(lán)牙5.0。藍(lán)牙是一個(gè)古老的點(diǎn)到點(diǎn)近場(chǎng)通訊技術(shù)，到了藍(lán)牙5.0之后，藍(lán)牙技術(shù)真正進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，許多智能家居應(yīng)用可以使用藍(lán)牙5.0技術(shù)了。
　　第二就是NB-loT，是4G網(wǎng)絡(luò)到5G發(fā)展之后出現(xiàn)的一個(gè)分支——一個(gè)分支走向高速高帶寬、另一個(gè)分支走向低速低功耗。NB-IoT技術(shù)目前發(fā)展得也非常快，特別是在中國(guó)，中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通目前在主要的城市都有網(wǎng)絡(luò)的布置，包括水、電和氣在內(nèi)的公共服務(wù)和其他應(yīng)用正在實(shí)施之中。5G應(yīng)該能夠推動(dòng)兩大應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，第一個(gè)是無(wú)人駕駛。如果沒(méi)有5G，無(wú)人駕駛基本上不太可能。例如一輛無(wú)人駕駛車(chē)在道路上高速行駛，突然遇到行人沖到主路，這時(shí)系統(tǒng)需要在很短時(shí)間內(nèi)做出識(shí)別并剎車(chē)動(dòng)作，如果沒(méi)有5G的網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人駕駛就連基本安全保障也很難做到，一直會(huì)屬于實(shí)驗(yàn)室，或者某個(gè)園區(qū)里面實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。
　　另外一個(gè)5G的重要應(yīng)用場(chǎng)景就是AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）
　　和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）。AR在設(shè)備維護(hù)等行業(yè)應(yīng)用中，現(xiàn)在4G的帶寬對(duì)智能AR眼鏡功耗和延遲都是太大，智能眼鏡因?yàn)槌叽缦拗?，只能放一個(gè)很小的電池，延遲大造成專(zhuān)家遠(yuǎn)程指導(dǎo)效果失真，直接造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
　　6 物聯(lián)網(wǎng)安全

       2016年10月21日，北美地區(qū)若干重要網(wǎng)站無(wú)法正常訪問(wèn)，包括twitter、paypal、github等。本次安全事件是由于美國(guó)知名網(wǎng)絡(luò)域名服務(wù)提供商Dyn遭受到強(qiáng)力的DDoS攻擊所致。Flashpoint公司已經(jīng)確認(rèn)Mirai僵尸網(wǎng)絡(luò)參與了該DDoS攻擊。Mirai是一種主要感染IoT設(shè)備的僵尸程序，該僵尸程序在源碼公開(kāi)后，被黑客快速利用并擴(kuò)散形成了大量的僵尸網(wǎng)絡(luò)。
　　全球已有130萬(wàn)臺(tái)以上的監(jiān)控探頭和攝像機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備感染了Mirai病毒。Mirai之后，大家才開(kāi)始認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)安全確實(shí)已經(jīng)刻不容緩。IoT安全漏洞的案例很多，小到玩具，大到工業(yè)設(shè)備都面臨了IoT安全隱患。
　　從2015年開(kāi)始，筆者一直主持上海一個(gè)嵌入式系統(tǒng)安全論壇。筆者有一個(gè)感受，就是IoT安全不好做，如果只是一家公司則做不了安全，IoT安全需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，需要從芯片到云端的整體解決方案，即大家一起來(lái)打造安全，甚至包括開(kāi)發(fā)者和維護(hù)人員都要有這種安全的意識(shí)，才能使整個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)安全。
　　另外一個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)是未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)只有設(shè)備本身的功能安全（Safety）還不夠，信息安全（Security）講得也不夠。這兩個(gè)安全現(xiàn)在目前的看法就是要融合在一起。最近有一個(gè)新的工業(yè)信息安全的標(biāo)準(zhǔn)(IEC62443)，西門(mén)子已經(jīng)剛剛通過(guò)了TUV組織的認(rèn)證。IEC62443把兩個(gè)安全標(biāo)準(zhǔn)融合在一起，作為一個(gè)實(shí)施準(zhǔn)則來(lái)做，現(xiàn)在看 IoT的安全任重道遠(yuǎn)，甚至可能是一個(gè)最后要攻下的堡壘，最難做的一件事情。
　　7 結(jié)論

       未來(lái)嵌入式技術(shù)三大方向，第一個(gè)是萬(wàn)物互聯(lián)；第二個(gè)是綠色環(huán)保，即低功耗；最后一個(gè)就是嵌入式系統(tǒng)安全，安全一定是功能安全和信息安全的融合。未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，AI和IoT 將越來(lái)越多呈現(xiàn)“一體化”
　　趨勢(shì)，“人工智能”逐漸向“應(yīng)用智能”發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也將會(huì)向“智聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

       [1]劉慶.2018年中期的MCU市場(chǎng)狀況和展望.電子產(chǎn)品世界

       [2]何小慶,胡曉柏.嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)十周年會(huì)刊

       [3]施巍松.邊緣計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社

       [4]何小慶.嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社

       [5]何小慶.談?wù)凢 reeRTOS及其授權(quán)方式[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

       [6]何小慶.物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)研究與思考[J].電子產(chǎn)品世界

       作者簡(jiǎn)介：

       何小慶，著名的嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)家，麥克泰軟件公司創(chuàng)始人，《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》編委會(huì)副主任。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第7頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處