從無到有、軟硬兼施 競逐IoT「最強大腦」
2019-07-31
作者
Judith Cheng，EE Times Taiwan
從獨立的嵌入式系統，到結合了連網、甚至AI功能的IoT系統，在其中不可或缺、扮演「大腦」的處理器/微控制器是決定系統成敗的關鍵，因此選擇適合目標應用的處理器/微控制器，是工程師們著手進行一項設計案時的最需要優先謹慎考量的重點。
接續前文：多管齊下 從不同技術面向掌握IoT商機
無論是任何一種電子系統，扮演「大腦」角色的處理器/微控制器是決定系統成敗的關鍵，選擇適合目標應用的處理器/微控制器，是工程師們著手進行物聯網(IoT)設計案時最需要謹慎考量的元素。市面上鎖定IoT應用的處理器/微控制器產品百百款，供應廠商也多不勝數，除了從性能、價格與各種性能參數等條件考量各種方案選項，個別供應商的市場信譽、專長應用、服務品質、工具資源…等等，都是影響IoT設計成敗不可忽略的因素。
在台北舉行的TechTaipei系列2019嵌入式系統與物聯網研討會上，包括Arm、Imagination、Andes、NXP以及GigaDevice等重量級處理器IP供應商與微控制器專家，各自展現了在不同IoT應用領域的技術實力與特色；從他們的最新解決方案可以看到現今IoT設計的趨勢與裝置/服務開發業者正面臨的挑戰，他們在IoT市場上既彼此競爭又相互合作，儘管發展方向各不相同，卻也正共同推動一個精彩紛呈、更智慧化的萬物聯網世界不斷向前邁進。
處理器IP：將無形技術化為有形價值
Arm物聯網事業群業務總監粘靜芳
（來源：EE Times Taiwan）
提到IoT裝置使用的處理器IP，如今市場上的霸主非Arm架構莫屬；過去30年來，Arm發展出多元化的處理器IP選項催生了市場上無數嵌入式系統與智慧連網裝置，並成立了專門的事業群推動IoT產業進一步蓬勃發展，提供市場從打造IoT裝置晶片、系統，以及讓這些系統連結雲端、建置全套IoT服務的平台化方案。
Arm物聯網事業群業務總監粘靜芳表示，在Arm的IoT平台中，除了有專為採用Cortex-M系列處理器核心的智慧連網裝置所開發之Mbed開放性即時作業系統，還有Pelion物聯網平台，能支援大規模佈署之IoT裝置管理，讓這些裝置連結雲端服務取得有價值的數據，同時保障數據安全。她強調，物聯網最大的價值在於最頂層的應用，終端使用者看不到、也不在乎幕後的複雜軟硬體設計與佈署架構，Arm的平台方案旨在為IoT業者節省技術開發所需的時間與精力，讓他們能更專注於建立獨特的應用以及提升終端使用者體驗。
Pelion IoT平台特別專注於支援智慧建築、公用事業以及物流(倉儲)等三個對大規模佈署IoT裝置需求特別高的產業，能協助克服從裝置軟硬體開發、設備連網、管理維護，並能因應佈署環境與應用的不同需求，提供雲端服務的選擇彈性及最高標準的安全性。Pelion平台已經實現許多成功的案例，例如與Alphatronics合作為比利時廢棄物處理業者建置的「智慧垃圾桶」，與研華(Advantech)合作建置的電動車充電樁管理方案，以及與韓國KEPCO電力公司合作佈建建智慧電網以及能源服務等。
Pelion物聯網平台簡化了IoT大規模佈署的複雜性。
（資料來源：Arm）
另一家台灣本土的處理器IP供應商晶心科技(Andes)，則是以基礎架構為RISC-V、結合自家擴充指令集的AndeStar V5核心做為競爭IoT商機的利器，特別鎖定在越來越多結合人工智慧(AI)功能的所謂AIoT裝置。
Andes特製運算事業部處長王勝雯表示，當IoT演變為AIoT，在裝置設計上面臨的最大設計挑戰，首先就是功耗，特別是穿戴式/可攜式等電池供電裝置，需要讓處理器能支援具彈性的電源管理功能，以延長待機時間；其次，是需要針對包括語音控制、影像辨識等應用，提供高效率的通用多媒體處理，還有在某些需要處理較大量資料的特定領域加速處理性能。
在電源管理功能方面，Andes的處理器IP內建PowerBrake、QuickNap機制，能以不同於一般待機模式的較簡易、彈性方法降低CPU的峰值功耗，節省電池電力，並能將休眠CPU快速喚醒，提升系統運作效率。
Andes特製運算事業部處長王勝雯
（來源：EE Times Taiwan）
此外AndeStar V5在RISC-V基礎架構上，能藉由擴充指令集提供更豐富的功能，例如以DSP指令集強化語音與低速影像處理性能。王勝雯表示，Andes在V3核心就已發展出DSP/SIMD指令集架構(ISA)，並將之捐贈RISC-V基金會進行P-擴展(extension)規格標準的訂定；Andes的自有DSP指令集是已通過市場驗證的方案，有32位元與64位元兩種架構；在使用卷積神經網路的人臉辨識案例上，以CIFAR-10進行影像分類性能評比測試，其整體速度表現可提升數倍。
此外因應AIoT裝置在不同應用上的特定需求，AndeStar V5也能支援Andes專有的客製化指令功能ACE (Andes Custom Extension)設計環境，工程師只須建立一個簡單的描述檔，ACE環境中的COPILOT工具就能產生具擴充指令的CPU和相關軟體工具鏈，以及自動產生測試向量和交叉驗證環境，對熟悉Verilog和C語言設計的工程師來說相當容易使用。
ACE框架。
（資料來源：Andes）
同樣聚焦於人工智慧結合物聯網的AIoT市場，Imagination能提供支援嵌入式視覺、邊緣AI運算的繪圖處理(GPU)與神經網路加速器(NNA)，以及各種IoT裝置所需的無線連結技術IP；特別著重於智慧城市與智慧車輛兩大領域的應用。
Imagination業務開發資深總監Andrew Grant
（來源：EE Times Taiwan）
Imagination業務開發資深總監Andrew Grant表示，在智慧城市方面，其PowerVR方案能實現將具備邊緣運算與連網功能保全攝影機，結合雲端服務、大數據分析，達到更具效率的人員追蹤、公共治安維護以及交通路況監控等應用情境；同時因應市場對資料安全、隱私權保護越來越受重視的需求提供安全性設計。
在智慧車輛應用方面，Imagination的方案可提升數位儀表板、先進輔助駕駛(ADAS)系統與自動駕駛系統的性能，實現精準的交通號誌辨識、導航以及駕駛人分心預警等功能。Grant並介紹了Imagination的GPU虛擬化特性，這種虛擬化提供了支援多個OS同時運作、並可分別將工作負載提交給底層GPU硬體，這在車用領域十分重要，例如可將ADAS和數位化儀表板功能放在不同的區域，確保它們能安全獨立的運行。
PoweVR方案具備支援多元化應用的彈性。
（資料來源：Imagination）
對於處理器IP供應商來說，能針對不同應用市場提供具彈性、多樣化且具成本效益的選項，同時提供能簡化IoT晶片設計流程、與IoT系統建置的開發工具/平台，會是吸引客戶的一大要素；而建立自有生態系統，以提供客戶豐富技術資源做為支持，則成為各家業者的競爭重點。
MCU：軟硬兼施、化零為整
至於微控制器晶片業者的IoT市場發展策略又稍有不同，他們或者支持單一處理器架構、或者採用自家開發的處理器核心，又或者廣納各種運算架構方案為系統客戶提供多元技術選擇；這些MCU供應商不但得兼具硬體與軟體設計能力，還需要能對終端市場的風向變化有最敏銳的觀察，因應系統業者需求提供容易建置與維護的高整合度解決方案，讓客戶能「一站」採購所需技術，有時甚至直接以參考設計協助客戶一步到位。
NXP大中華區微處理器及微控制器產品行銷經理黃健洲
（來源：EE Times Taiwan）
如恩智浦半導體(NXP)看好AIoT市場前景，以及將AI功能與眾多運算任務從雲端移至邊緣的趨勢，以微控制器與應用處理器兩大產品線支援IoT終端節點裝置、邊緣閘道器等不同設計與性能需求的設計。NXP大中華區微處理器及微控制器產品行銷經理黃健洲表示，AI機器學習已經在家庭自動化、語音控制、手勢辨識、人臉辨識、擴增/虛擬實境等方面開啟了更多可能性，而邊緣運算的崛起就是為了實現更具效益與資料安全性的AIoT終端智慧裝置。
因應不同的IoT裝置特性與資料處理需求，NXP以Arm Cortex-M核心為基礎的龐大陣容MCU系列產品；針對需要支援影音處理的較高階消費性裝置，以及工業控制、汽車等Cortex-M核心MCU不足以應付的領域，則有i.MX系列應用處理器、Layerscape多核心處理器提供支援。針對邊緣運算應用，NXP先前也推出名為EdgeScale的軟體平台，為佈署大量連網設備與感測器節點的智慧工廠等應用的開發人員，在雲端與終端之間添加一套安全機制，可支援不限數量邊緣裝置的管理，以及在遠端自動更新與配置軟體，並採用了NXP的硬體可信任架構，能支援安全啟動、安全金鑰儲存、製造保護、硬體資源隔離與運轉時間防篡改偵測等重要功能。
GigaDevice產品市場總監金光一
（來源：EE Times Taiwan）
另一家來自中國大陸的MCU供應商兆易創新(GigaDevice)，在產品供應上則是以「百貨公司」的概念，提供單價最低不到1美元，型號選擇超過300種的Cortex-M系列核心MCU，訴求高性能，以及擁有能將產品開發週期大幅縮短的易用開發環境；該公司的32位元GD32系列MCU已出貨了超過2億顆，在中國本土廠商中排名第一。除了MCU產品線之外，GigaDevice還可提供SPI NOR與NAND快閃記憶體。
GigaDevice產品市場總監金光一表示，該公司MCU鎖定低功耗裝置、無線連結以及汽車等三大應用；在IoT市場，舉凡消費性領域的智慧照明燈具、個人醫療保健連網裝置、無人機…還有工業領域的嵌入式通訊模組、藍牙模組、智慧門禁、RFID標籤、安全監控攝影機等等，都可見到GD 32的足跡。GigaDevice也是華為LiteOS、阿里巴巴的阿里雲/AliOS Things、以及Arm Mbed等生態系統成員，能為IoT系統客戶提供與雲端連線的所需資源。
金光一也透露，該公司準備在8月中旬推出採用RISC-V架構的MCU系列產品，與Arm核心系列產品接腳相容，已提供客戶更方便隨時切換使用的另一種選擇。
GigaDevice的GD 32系列MCU品項繁多種類齊全，以「百貨公司」的概念提供客戶選擇彈性。
（資料來源：GigaDevice）
