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)療設備，甚至到無處不在的穿戴式裝置，每當我們變得更加互聯(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)新的主要驅動力。不過，可能需要拓展對「效率 」的理解。從本質上來說，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算吞吐量。然而，隨著嵌入式系統(tǒng)應用不斷優(yōu)化，一種新的效率比決定了整個產業(yè)的發(fā)展方向：在給定運算傳輸量下的應用復雜性。
想象一下，若將今天的高性能MCU帶回至五年前，它根本無法運行現(xiàn)在的神經網絡或豐富的用戶接口，因為那時的框架和機器學習算法遠不如現(xiàn)在精細。而現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)不僅性能更加強大，而且經過了新的應用優(yōu)化。因此，同樣的運算力在今天可以運行更強大的應用。

 
圖一 : 使用TAO工具包訓練與修正并量化的比較

例如，神經網絡的量化能打造出更強大的邊緣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網絡，即在STM32H7上運行人數(shù)統(tǒng)計應用。而NVIDIA在運行一個用其TAO工具包優(yōu)化的網絡時，亦采用同款微控制器和STM32Cube.AI。同樣的，新的馬達控制算法，如ZeST，讓MCU可以更準確、更高效地驅動馬達，而新的UI框架優(yōu)化也能讓MCU運行更豐富的圖形用戶界面，同時還能降低對內存的需求。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，而且其所運行的應用也是經過優(yōu)化改良的。在許多情況下，實時應用不再是while循環(huán)中運行的基本程序代碼。開發(fā)人員必須充分利用云端運算、機器學習、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)化應用。工程師必須考慮設備的運行速度，以及因應復雜、功能豐富應用的支持能力。

支持多種無線協(xié)議，與世界無縫溝通
目前，嵌入式應用與網絡聯(lián)機已經不再是新鮮事，物聯(lián)網已問世多年，因為有許多應用都仰賴著網絡。不過，到目前為止，眾多應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或藍牙。過去幾年，嵌入式產業(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)一標準，而是各種協(xié)議的混戰(zhàn)。
以2.4GHz頻譜為例，雖然藍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。為結束無線網絡協(xié)議數(shù)量激增而造成混亂的局面，家庭自動化統(tǒng)一標準Matter也因而誕生，該標準運行在Wi-Fi、Thread、藍牙等多種無線技術之上，并支持許多2.4GHz橋接技術，包括Zigbee和Z-Wave，而不僅采用一種無線技術。
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品上市時間，并取得更大的設計彈性。
總之，到 2024 年，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在設計應用時必須考慮到多協(xié)議，并選擇出能夠滿足當前和未來需求的產品。

未來投資的安全性或保護

 
圖三 : 智能家庭產品的首要考慮因素是「安全」

物聯(lián)網會帶來很多安全上的威脅。人們已經深刻認知到，嵌入式系統(tǒng)安全性是至關重要的。必須能夠保護服務器、程序代碼、終端用戶數(shù)據(jù)，甚至實體設備，以便于防止網絡攻擊。否則就可能會對產品及其品牌產生嚴重影響。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準化機構已經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，有些內容仍在制定中。
業(yè)界一直在采用更正式的安全標準來因應這一新挑戰(zhàn)。例如，平臺安全架構（PSA）和物聯(lián)網平臺安全評估標準（SESIP）兩大認證機構提供一整套完善的安全設計方式，幫助工程師保護嵌入式系統(tǒng)的信息安全。這些認證有助于工程師開發(fā)針對未來的設計，并確保滿足各種嚴格的網絡安全要求。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)設計之后再進行認證。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認證等級的微控制器。
以智能家庭應用為例，這些應用需要與云端服務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必須具備加密通訊、物理攻擊防御、軟件入侵防護、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證的MCU，就可能讓整個項目的安全性大打折扣。為確保產品能夠滿足特定的安全認證要求，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年及以后的產業(yè)趨勢時，不難發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的建立者至關重要。運算效能取決于MCU，以及其運行的應用框架、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用安全需求，因應未來符合潮流的應用發(fā)展。