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2024年嵌入式系統的三大重要趨勢

  • 范菩盈台北

使用TAO工具包訓練與修正並量化的比較。意法半導體
使用TAO工具包訓練與修正並量化的比較。意法半導體

2024年嵌入式系統將如何發展才能讓製造商保持領先地位?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,嵌入式系統曾一度被侷限於一些小眾應用,但現在已無處不在。從工廠到家用電器,從醫院裡昂貴的醫療設備,甚至到無處不在的穿戴式裝置,嵌入式系統通常都是創新的核心。

運算效率或事半功倍

一直以來,提升效率往往是創新的主要驅動力。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,隨著嵌入式系統應用不斷優化,一種新的效率比決定了整個產業的發展方向:在給定運算傳輸量下的應用複雜性。

想像一下,若將今天的高效能MCU帶回至五年前,它根本無法運行現在的神經網路或豐富的使用者介面,因為那時的架構和機器學習演算法遠不如現在精細。而現在的嵌入式系統不僅效能更加強大,而且經過了新的應用優化。因此,同樣的運算力在今天可以運行更強大的應用。

例如,神經網路的量化能打造出更強大的邊緣AI系統。ST最近與施耐德電氣共同展示一個深度量化的神經網路,即在STM32H7上運行人數統計應用。而NVIDIA在運行一個用其TAO工具包優化的網路時,亦採用同款微控制器和STM32Cube.AI。

同樣的,新的馬達控制演算法,如ZeST,讓MCU可以更準確、更高效地驅動馬達,而新的UI架構優化也能讓MCU運行更豐富的圖形化使用者介面,同時還能降低對記憶體的需求。例如,ST新版TouchGFX支援向量字體,ST推出的STM32U5也具備了IP加速的向量圖形處理功能,在圖形介面開發架構的加持下,STM32U5的圖顯效果將會更加出色。

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化改良的。在許多情況下,即時應用不再是while迴圈中運行的基本程式碼。開發人員必須充分利用雲端運算、機器學習、感測器融合或圖形介面。因此,找到合適並配備完善生態系統的MCU至關重要,因為完善的生態系統可以提供新的解決方案,並且幫助開發者優化應用。工程師必須考慮設備的運行速度,以及因應複雜、功能豐富應用的支援能力。

支援多種無線協定,與世界無縫溝通

目前,嵌入式應用與網路連線已經不再是新鮮事,物聯網已問世多年,因為有許多應用都仰賴著網路。不過,到目前為止,眾多應用主要還是選擇某一種通訊模式,採用有線或無線的通訊。如果是後者,通常會選擇一種無線協定,例如蜂巢、Wi-Fi或藍牙。過去幾年,嵌入式產業的無線通訊協定激增,從6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT,新協定層出不窮,但卻沒有統一標準,而是各種協定的混戰。

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。出於競爭或監管原因,許多公司還開發IEEE 802.15.4客製化協定。為結束無線網路通訊協定數量激增而造成混亂的局面,家庭自動化統一標準Matter也而誕生,該標準運行在Wi-Fi、Thread、藍牙等多種無線技術之上,並支援許多2.4GHz 橋接技術,包括Zigbee和Z-Wave,而不僅採用一種無線技術。

因此,工程師面臨著一個全新的挑戰:為保持競爭力,必須打造一個支援多種無線協定的系統。如果採用一個支援多種無線技術的MCU,企業就可以用一個硬體平台滿足多元市場的需求。例如,開發人員可以在一個區域使用專有的IEEE 802.15.4協定,在另一個區域則採用Thread,而無需更換硬體平台,只需修改程式碼資料庫,如此一來就可以縮短產品上市時間,並取得更大的設計彈性。總之,到 2024 年,嵌入式系統開發人員在設計應用時必須考量到多協定,並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

物聯網會帶來很多安全上的威脅。人們已經深刻認知到,嵌入式系統安全性是至關重要的。必須能夠保護伺服器、程式碼、終端使用者資料,甚至實體設備,以便於防止網路攻擊。否則就可能會對產品及其品牌產生嚴重影響。而監管部門的干涉也為嵌入式安全帶來新的挑戰。歐盟、美國和許多其他國家和標準化機構已經推出新的資訊安全法規。這些新規範尚不明確或不是最終版本,有些內容仍在制定中。

業界一直在採用更正式的安全標準來因應這一新挑戰。例如,平台安全架構(PSA)和物聯網平台安全評估標準(SESIP)兩大認證機構提供了一整套完善的安全設計方式,幫助工程師保護嵌入式系統的資訊安全。這些認證有助於工程師開發針對未來的設計,並確保滿足各種嚴格的網路安全要求。但這也意味著開發者不能事後增加安全功能,也不能在完成系統設計之後再進行認證。反之,需要在首次概念驗證時就要考量其安全性,並採用能夠滿足對應認證等級的微控制器。

以智慧家庭應用為例,這些應用需要與雲端服務共用個人資料和敏感性資料。愈來愈多的政府要求智慧家庭設必須具備加密通訊、物理攻擊防禦、軟體入侵防護、安全無線更新系統、資料洩露偵測等功能。一般情況下,SESIP三級認證能確保系統滿足這些安全要求。但如果工程師未能選擇能夠獲得此類認證的MCU,就可能讓整個專案的安全性大打折扣。為確保產品能夠滿足特定的安全認證要求,硬體和平台都是需要考量的因素,因此,開發人員在選擇MCU時必須採用新的思維方式。

最後,在分析影響2024年及以後的產業趨勢時,不難發現,生態系統的建立者至關重要。運算效能取決於MCU,以及其運行的應用架構、中介軟體和演算法。支援多種無線協定則需要新的開發工具,而保護嵌入式系統也需要基於硬體IP的實用軟體解決方案。意法半導體多元而且完整的MCU選擇以及豐富的生態系統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展。有關更多資訊,歡迎瀏覽意法半導體官方網站