物联网时代的五大硬件元素:感知、计算、执行、连接和安全

标签:物联网
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近两年半导体芯片行业的火爆,让人不禁想去探寻其中的秘密——究竟是什么在背后推动整个行业的增长?在日前举行的英飞凌(Infineon)【“英”领物联】线上媒体沟通会上,英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部市场与业务合作总监南铮认为主要有四大领域,分别是:

  • 能源增效,包括可再生能源发电,以及高效地能源传输、分配、储存和使用等等。
  • 移动出行,主要是指汽车,包括新能源汽车以及车周边的基础设施。
  • 数字世界的安全,从智能卡到嵌入各个设备中的安全芯片,再到最近大热的元宇宙,对于未来在虚拟数字环境中的社交和生活而言,身份识别、数据安全是最基础也是最核心的部分。
  • 物联网和大数据,物联网不止是智能家居,还包括智能楼宇、智能工厂、汽车的智能等等。

具体到物联网的定义,南铮认为物联网设备由五大硬件元素组成,包括“感知、计算、执行、连接和安全”。这五大硬件元素对于打造功能全面的物联网设备而言至关重要。英飞凌致力于以创新的半导体科技连接现实与数字世界,在感知、计算、执行、连接、安全领域,拥有完整的布局,能够提供软硬结合的一站式、端到端物联网系统级解决方案,助力客户高效地创建智能、安全且节能地物联网设备。

2020年4月,英飞凌正式完成了对赛普拉斯(Cypress)的收购,这使得公司的产品版图变得更加完整。在这次媒体会中,4位英飞凌专家重点介绍了公司在感知、计算、执行、连接、安全这5个方面的具体解决方案以及优势。

感知

作为物联网的起点,传感器无处不在,是数据收集的重要来源。当前传感器领域也面临着诸多挑战,包括亟需具备高可靠性、高精度的解决方案,来满足汽车、工业、消费电子等不同应用场景的需求。

英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部高级市场总监廖明颂表示,凭借自身对系统的深刻理解,英飞凌希望为客户提供广泛的即用型解决方案,加快产品上市时间。他从传感的角度,阐述了英飞凌是如何看待物联网应用的发展,又是怎样把传感器带到大家的应用环境里面的。

传感器诞生的初衷,是希望从模仿人的五官出发,让我们的生活更简便。英飞凌可以提供模拟人类五官功能的各种传感器。例如:高精度的毫米波雷达、3D TOF摄像头,就类似于人的眼睛;超高信噪比的麦克风,就相当于耳朵;英飞凌体积超小的二氧化碳传感器,则相当于人的耳朵;精准的压力传感器,则像人类的皮肤一样具备感知功能; 另外雷达技术也具有同样的功能,并可以做到手势控制。然而这些传感器并不能独立运作,需要通过不同的软件算法、代码,用MCU作控制,从而获得数据。

据介绍,上面提到的麦克风、二氧化碳检测器、3D ToF、压力传感器、毫米波雷达等,英飞凌都有成熟的产品,并以此为基础打造了从简单的报警系统(麦克风+气压传感器),到入口计数器和存在检测(毫米波雷达),再到现在很火的空气质量检测、环境控制(二氧化碳检测模块)在内的全面解决方案。

但随着应用功能多样化,单一传感器已不能满足市场需求,这就需要将传感器做融合。打个比方,雷达可以做人员的追踪和检测,也可以做呼吸、心跳、手势识别,英飞凌的硅麦克风可以做远程的声控,压力传感器可以做到空气流量的监控和水位的监控等等,将不同的传感器融合到一起设计出具有先进功能的产品,这也是英飞凌的优势。

具体到应用,以智能家居为例,廖明颂解释说:采用英飞凌的传感方案,可以精确检测到电视机前是否有人,进一步决定关闭和开启电视,从而节约能源。再比如说空调,一方面用雷达追踪人,另外也可以将二氧化碳传感器加入,用来检测室内环境,决定是否需要改变送风的角度或是否需要打开新风系统...这些功能都可以通过智慧的融合,带给用户更好的感受。 

廖明颂着重介绍了一下医疗方面的用例。现在国家特别提倡智慧健康养老行业,采用英飞凌的雷达传感器,不需要镜头,也不需要在手上戴侦测器,就可以观测到老年人的呼吸、心跳、睡姿,以及其它的生命特征,从而给一些专业的医疗建议。目前这一方案经过多年验证已经产品化,国内外已经有产品落地。

2021年3月在美国发布的某品牌智能音箱中就带有这样的睡眠追踪功能,它里面搭载的毫米波雷达可以感知到消费者的微动作,来判断其睡眠质量;同时带有麦克风,可以侦测到是否有咳嗽或打鼾;温度和光传感器则将睡眠质量与环境相关联。通过对收集到的数据进行计算,可以得出一个衡量睡眠质量的数值给用户参考,并给出建议。据悉这款音箱里用到的毫米波雷达就是英飞凌的产品。

病毒大流行期间,空气质量的监测也是非常重要的。人们需要精准度高、小型化的仪器来同时提供室内外的空气质量数据,以便同步调控空气净化器、空调、通风系统。廖明颂介绍了英飞凌一款体型最小的、基于光声光谱(PAS)原理的二氧化碳传感器,它的封装里包含传感器和MCU,相当于一个小型系统,客户拿到就可以应用,加快产品上市时间。

据介绍,PAS技术是新方向,比现在市场上现有的典型产品尺寸缩小了4倍,重量减轻了3倍,能够节省75%以上的空间,同时里面自带补偿算法。

执行

传感器收集到的数据经过分析处理后是需要执行的,比如启动洗衣机,就需要驱动电机的功率器件。当前,英飞凌的功率分立器件从传统的硅材料,发展到了现在的第三代半导体材料(碳化硅、氮化镓)。

氮化镓和碳化硅在不同的功率、开关速度上各有所长,能够提升产品功率密度,带来更紧凑的设计,对整体环境效益的提升和降低碳排放也有相当重要的帮助。

英飞凌同时拥有硅产品和基于第三代半导体材料的功率器件,在应用领域存在重叠部分,对此廖明颂表示,“目前来看,重叠的部分要根据最终客户的应用范畴来决定选用什么方案,从而实现更好的经济效益,英飞凌能给客户提供到更多的选择。”新一代的产品有它的优势,但是在可预见的将来基本上硅基半导体还是会占据大部分市场。

计算

计算是物联网的大脑。通常说的计算,在广义物联网中指的就是MCU和微处理器(MPU)。它们负责收集、协调、处理、分析和传输数据,使物联网设备实现智能化。

不过当前数据的处理和计算正在发生迁移。大数据处理正在从以云计算为中心的集中式处理时代跨越到以万物互联为核心的边缘计算时代。当数据计算走向边缘,此时只有少量的数据被发送到云端,不仅可以大幅降低网络带宽和云存储带来的成本,而且可以更好地保护隐私,这点上远远优于传统的集中式数据存储服务。

以上发展趋势在促进边缘计算的同时也带来了几大挑战,特别是在稳定的无线连接、多样的场景感知、安全的数据传输和实时的计算控制等方面。未来的边缘计算需要在这几大领域都做到卓越。而作为开发人员,他们更希望将物联网涉及的各个环节集成到一个平台上处理关键问题,从而降低开发的复杂性。

英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部市场经理彭涛表示,英飞凌MCU在物联网应用中的核心优势,可以主要从三方面进行概括:连接、计算和创建。在物联网应用中,一站式的完整解决方案可以加速产品上市时间、降低产品开发成本,因此,英飞凌始终致力于提供完整的一站式解决方案。例如在典型的智能手表解决方案中,英飞凌提供了微控制器、无线连接、存储和人机接口产品,同时提供安全、设备保护、传感和无线充电产品,组合所有这些产品和软件,通过一站式完整解决方案提供给用户。

智能家居是物联网的重要应用,据介绍,英飞凌的智能家居方案可谓是全屋智能,可提供多设备、多场景、多功能的解决方案,涵盖语音前端、家庭安防与门禁、家庭自动化、智能家电、家庭机器人,以及智能照明等各种应用。最新的智能家居Matter协议也解决了传统智能家居场景中智能设备互联互通的痛点问题,彭涛表示,“英飞凌将提供支持Matter协议的MCU和无线蓝牙产品,同时也提供支持Matter协议的整体解决方案。”

英飞凌的MCU应用领域涵盖消费类和工业领域两大物联网赛道,在整合了赛普拉斯的MCU产品之后,形成了更加广泛的产品阵容。其中,PSoC4、PSoC6和下一代的MCU是应用于消费类市场和物联网的主力产品。据悉,英飞凌正在开发集成了更多内核、拥有更低功耗和更高性能的下一代MCU,从而增强边缘计算的机器学习和人工智能功能。

具体来说,PSoC6是专为物联网设计的MCU。该系列产品具有双核架构、以及低功耗和高性能等特性。面向物联网边缘端的应用,其Cortex M4的内核可以处理传感信息提取、计算、数据传输、无线连接和图形显示等功能;Cortex M0+内核可以做到输入输出、控制电容触摸、蓝牙低功耗控制,安全和其它通讯控制功能等等。对物联网边缘计算应用来说,PsoC6是功能集中和成本优化的MCU。

英飞凌的下一代MCU产品系列已经在开发中,将会集成更多的内核,达到更低功耗、更高性能的行业需求,同时还具备增强边缘计算的机器学习和人工智能功能,集成NPU功能的Ethos-U55内核能够对神经元网络计算进行硬件加速。此外,集成的数字图形处理器,可以提供更先进的图形显示;集成的Cortex M33内核则增强了安全功能;同时也增强了数字外设,特别是能够实现语音、音频、机器视觉和单芯片无线连接等功能。彭涛介绍到,除了MCU产品,英飞凌同时也开发了ModusToolbox等软件平台,提供全栈式软件解决方案。

ModusToolBox是英飞凌针对物联网应用而开发的专用软件和工具,也是一款跨平台开发工具。除了和其它集成开发环境一样提供工程的创建、编辑、编译、调试、烧写等功能以外,还集成了实时操作系统、硬件外设驱动、无线连接的驱动库和众多的中间件。再加上丰富的嵌入式蓝牙和云连接方案,将计算、安全和连接能力整合到一个平台当中,ModusToolBox就可以让物联网开发人员能够更容易、更快速地将产品推向市场。

更方便的是,英飞凌提供了一系列基于MCU、Wi-Fi和蓝牙等预认证的解决方案组合,例如针对智能温控器、智能门锁、智能手表等解决方案,就可以通过提供预构件模块,实现连接、安全、控制、管理的整体解决方案。此外,英飞凌还提供了微控制器+无线连接+安全等开发评估套件,通过硬件和软件平台组合,将开发物联网应用所需的计算、连接、云端等能力无缝地集成在一起,大大地降低了设计的复杂性。

最后彭涛介绍了一个英飞凌MCU在物联网中的典型应用实例:智能门锁。以前要四颗MCU实现的功能,现在整合到一颗PSoC6中,实现了指纹识别匹配、实时时钟、电容触摸、蓝牙低功耗传输、语音等功能,同时在这套方案中英飞凌也提供智能门锁中低功耗的Wi-Fi连接和应用方案。   

互联是物联网的核心和基础,日益深入日常生活的物联网对连接的可靠性提出了更高要求。英飞凌和赛普拉斯完成整合之后,在“连接”方面的产品组合变得更加丰富,包括基于eSIM安全蜂窝连接、Wi-Fi、蓝牙、以及基于USB和USB-C的连接,可广泛应用于消费、商业、工业、汽车等多个领域的物联网应用。

回顾早期物联网的连接基本上是本地点对点的连接,以门锁、温控器为例,以往多数应用以ZigBee、Z-Wave或蓝牙做本地的点对点连接或者控制。随着通讯技术和物联网技术的发展,以及智能手机的快速普及,智能连接应运而生。比如人们可以通过访问互联网查询当前的天气,再通过早期的点对点本地连接去控制百叶窗、温控器,从而实现室内的温度调节,这是当前应用比较广泛的一种智能连接。

展望未来,英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部市场经理贾智勇认为物联网的发展方向是实现自主连接。举个例子,当汽车到达车库时,便会自动连接到家庭的网络,同时我们的车库也会通过云端推送给手机一个信息,整个系统会组成一个自主连接,进行自我的学习。

这其中无线技术起到了很大作用。为适应物联网的发展,无线连接技术特别是Wi-Fi、蓝牙等已经历了深刻的变革和长足的演进,注重智能化、多标准、多协议。如今Wi-Fi技术已经从早期的11b发展到现在的Wi-Fi 5、Wi-Fi 6,也就是俗称的11ax,在功耗、覆盖率、网络效率方面更具竞争优势。蓝牙则更注重易配置、互操作性,以及作为连接入口组网时的互联互通。

英飞凌还在今年推出了全新的无线连接产品系列AIROC,借用了空气(AIR)和岩石(ROCK)两个词,寓意提供坚如磐石的无线的连接。AIROC系列包括Wi-Fi+蓝牙的combo二合一芯片, AIROC单Wi-Fi芯片, BLE单蓝牙芯片,或者经典蓝牙和BLE蓝牙双模芯片,还有Wi-Fi MCU产品。此外,英飞凌还在AIROC产品的内部添加了Cortex R系列的MCU,组成一个Wi-Fi SOC,用来做专门的应用开发。

据介绍,AIROC系列包括从Wi-Fi 4、5、6到最新Wi-Fi 6E的产品,通过ModusToolbox在内部已经集成了驱动和开发环境。

贾智勇还展示了英飞凌的无线连接方案在网络效率上跟友商的对比结果,显示其吞吐率在近距离、中等距离和远距离的范围内吞吐率均接近友商的3倍。

从下图可以看到在办公室实际应用场景下的丢包率测试结果,英飞凌的无线设备、友商的无线设备分别和路由器进行连接。三角形代表英飞凌,方框代表友商,可以看到在同样位置,英飞凌Wi-Fi连接解决方案的可靠性优于友商。

在功耗方面,由于英飞凌的最新Wi-Fi芯片采用28nm工艺,而目前市面上主流的Wi-Fi芯片,包括11n的Wi-Fi 4、Wi-F i5基本都还是40nm,所以在接收性能、发射性能和休眠性能方面都有一定优势。根据英飞凌提供的数据,其方案在接收性能方面比现有的40nm Wi-Fi 4产品有50%的功耗降低,比Wi-Fi 5产品有70%的功耗降低;在相同的发射功率下,发射性能也比现有40nm Wi-Fi 4产品有25%的功耗降低;对于长待机的无线连接产品,则有80%的功耗降低。

除了Wi-Fi,英飞凌还提供蓝牙产品,在其combo芯片中从底层做了优化,令Wi-Fi和蓝牙共存并达到最高效率。下表显示,在Wi-Fi单独工作以及Wi-Fi和蓝牙同时工作时的丢包率和Wi-Fi吞吐量的变化并不明显。“我们建立了一个30毫秒BLE的连接,可以看到它对整个Wi-Fi的影响微乎其微。而针对友商产品测试下来,BLE、Wi-Fi同时连接的影响非常大,” 贾智勇说到。

在云端服务方面,英飞凌可提供基于IoT连接的Cirrent软件服务,主要解决客户的连接问题。基于这个软件服务打造的物联网设备也能够使我们的智能家居更加方便也更加可靠,贾智勇介绍说。Cirrent解决方案主要有两大组件,分别是客户端组件INI和手机移动端组件MAI。英飞凌可以通过INI Cirrent云端插件,给客户提供一些支持,深入洞悉客户的使用环境,锁定问题的关键所在,最终帮客户解决他们所遇到的连接问题,改善整个产品的使用体验。

当被问及英飞凌在Wi-Fi6上的布局时,贾智勇表示,英飞凌的CYW5557x系列,在芯片方面做了一些优化,能够很好地解决了以往使用Wi-Fi4、Wi-Fi5时遇到的各种问题,比如网络服务中断、无线覆盖范围有限、无线连接困难、连接密码的复杂程度、连接的安全设置等等。另外,基于最新的高速率Wi-Fi,英飞凌的解决方案可以实现比较高的性能和高吞吐量,进一步降低延时;在距离方面,英飞凌的Wi-Fi6解决方案采用OFDMA的技术,可以在Wi-Fi4、Wi-Fi5的基础上进一步扩展。更重要的是,英飞凌在Wi-Fi6产品的芯片内部做了多层的安全保护,能够提供更加安全的Wi-Fi连接。

Wi-Fi 6的产品特性让其更适合应用在一些高端无线产品上,如高端游戏手柄、VR/AR设备、高分辨率的安防、安全控制、实时工业控制,其较高的带宽也可以用在家庭影院等等吞吐量比较高的场景。

据介绍,英飞凌的AIROC系列产品可广泛应用于包括智能家居、多媒体、穿戴、办公和娱乐在内的多个领域,已经有了大量的成功应用案例。如在可穿戴设备方面,在Fitbit、华为、亚马逊的手表中成功商用;在智能家居领域,则应用到了电池供电的门铃、Wi-Fi连接的门锁、安全摄像头中;在多媒体产品层面,则应用到了大屏的智能音箱、喇叭模块、基于BLE组网的照明系统等。

安全

随着越来越多的设备接入云端,无论是通消费者还是行业从业者都愈发关心网络安全问题。根据英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部市场经理成皓分析,目前物联网的风险问题主要包括以下几个方面,首先,大部分物联网终端设备,从设计初期就缺乏相应的认证,对访问控制、安全机制的考量比较欠缺,因此从物联网设备这个节点开始,部署相应的安全方案是非常重要的。

其次,大部分物联网系统中,未经加密的通信数据和链路导致用户隐私数据和关键信息极易被非授权方截取和破译,数据传输的加密已经成为亟待解决的重要问题。

第三,固件更新的攻击方式比较突出,增强物联网设备抵御固件更新的安全等级,或是选择相应的安全算法加密方案正在成为普遍关注的问题。

第四,在目前所有的物联网设备中,路由器和摄像头受攻击最多,这类设备通常24小时在线,被攻击或控制后往往不易察觉,往往成为稳定的攻击源。

根据以上这些物联网设备所受的攻击类型,成皓总结了四大安全要素:身份认证、链路加密、数据加密以及固件更新,通过增强这些环节的安全性来降低设备互连的安全风险。成皓表示,只有基于硬件的安全,才能防御针对硬件的攻击以及高强度的软件攻击,这也凸显了英飞凌独立硬件安全芯片在物联网应用中的价值。

英飞凌提供基于纯硬件的安全芯片,能够抵御强大的物理形态的攻击,从而保证更长久的安全性,目前英飞凌提供的物联网安全芯片都已通过了国际权威的CC (Common Criteria)认证,相对于纯软件的方案优势比较明显。英飞凌的安全芯片家族OPTIGA至少通过了CC EAL 4+认证,目前针对物联网市场的OPTIGA Trust M芯片产品达到了CC EAL 6+认证。

同时,这些安全芯片还可以帮助用户快速进行物联网产品的落地,通常只需将其与物联网设备主控MCU进行简单集成,就可以驱动相关的安全功能,外围设计比较简单,软件方面只需要在主控MCU端集成一段简单代码,就可以快速实现安全功能。而从产品本身的可扩展性和创新角度来看,基于安全芯片的方案可以在不同平台架构间进行快速部署。

最后,从成本的角度来看,因为英飞凌提安全芯片已经集成了各类安全的功能,所以对终端客户来说,就无需再为实现安全功能而投入研发资源,而只是在工厂里面集成这个安全芯片即可。而且,英飞凌已经在晶圆前道把所有相关的安全功能软件已经预烧录在晶圆内部,这可进一步帮助客户节约成本。

成皓列举了几个英飞凌安全芯片在实际物联网设备方面的应用场景。

首先是近两年国内各大设备制造商都非常热衷的智能音箱,它具有非常特殊的属性,也就是语音交互。但是,很多终端用户担心在人机交互过程中,自己的个人隐私或者话记录会被泄露或者被非法监听,所以对使用智能音箱产生了一定的顾虑。使用搭载了英飞凌安全芯片的智能音箱,用户就无需再担心这个问题。这主要得益于,英飞凌利用先进的技术将关键信息用加密的方式存储在了安全芯片内部。另外借助这个安全芯片,用户还可以跟云端进行双向认证,保证智能音箱只会处理一些经过合法途径进行认证的信息。

第二个案例是针对智能化工厂部署的安全解决方案。之前,国内外已经发生过多起智能工厂遭受到黑客攻击而导致整个产线瘫痪的事件。产线停产给企业带来了直接的经济损失,更严重的是企业的核心数据或IP泄露会给企业造成毁灭性的打击。通过在智能化工厂的机械手臂等终端设备,或者在PLC产品中, 集成OPTIGA Trust安全芯片,英飞凌帮助客户实现了工业设备和工业边缘网关之间的通讯数据端到端加密功能,使得他们在云端和服务端都有办法验证上传的工业数据是否是经过合法设备的认证。

此外,在目前所有的物联网设备中,路由器和摄像头是被攻击次数最多的两类设备。从应用层面来说,除了大家比较熟悉的公共场所监控摄像头和家用摄像头之外,很多智能摄像头已经被广泛应用到了不同的产品当中。比如很多智能家居的设备制造商已经在冰箱内部安装了智能摄像头,可以对放入冰箱的物品进行智能识别,然后通过云服务或手机APP的形式来提醒用户有针对性地添置一些食材。这些智能摄像头上甚至还加入了语音交互功能,可以在冰箱里的食品快要过期时提醒用户。另外很多商场的货架上也安装了智能摄像头,帮助货架管理员来进行货物的管理,把货架上的信息与后台进行实时的连接。

但是这样的网络摄像头里存在着非常严重的安全隐患。目前大部分被入侵或被黑客攻击的摄像头,其初始密码或口令都在使用出厂时默认的初始密码。很多厂家为了生产方便,也会采用自己统一默认的弱口令密码,比如说admin。黑客通过网上扫描的方式,可以非常容易地发现存在弱口令漏洞的网络摄像头,从而获得它们的帐号和密码。而摄像头里面如果集成了安全芯片,就可以很好地保证摄像头进行通讯链路的数据加密,哪怕这些数据被黑客截取,也没办法破解成原始的数据。

具体的安全芯片产品《电子工程专辑》曾经详细报道过,可以点击参考:《为什么芯片级的安全解决方案,比软件更靠谱?》

总结

最后英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部市场与业务合作总监南铮总结了从感应、计算、连接、安全方面观察到的物联网行业新趋势。传感器将会更精准、可靠,应用场景也会不断扩大,例如医疗、健康监测就是全新的方向,将使得更多的应用场景涌现出来;计算方面,物联网与人工智能的结合成为突出趋势,设备本身需要低功耗、长待机,又需要很强的算力运行人工智能、机器学习算法,使设备本身能够自我学习,拥有边缘计算的处理能力;连接方面,连接需求将会持续增长,现有无线标准会持续升级,才能应对迅猛增长的连接数据要求;安全则会日益受到重视,越来越多的产品、方案将会把安全作为重要的基石。应对未来发展趋势,英飞凌在上述几大要素的产品侧、方案侧在提前进行布局。

综上所述,英飞凌在上述几大要素的产品侧、方案侧在提前进行布局。而物联网是一个庞大的市场,英飞凌不可能做所有的事情,生态圈的建设是非常重要的,据悉英飞凌在国内跟很多物联网领域的龙头企业及创业公司已经有密切的沟通和合作,目前合作伙伴的数量已有上百家。

谈及中国市场,南铮表示,中国已经成为了全球物联网产业创新的前沿基地,也正是由于中国市场的重要地位,英飞凌一直在持续增加投入。去年,英飞凌宣布新增在华投资,扩大无锡工厂规模。今年,在深圳成立英飞凌大中华区智能应用能力中心,聚焦工业级的智能设备、智能家居、智能汽车、物联网等领域,为整个大中华区用户提供定制化的应用解决方案,助力本土客户加速智能应用的创新和应用场景的落地。

“这些都体现了英飞凌不断加强本土应用创新,并且完善本地客户服务的承诺。未来英飞凌将持续以创新的半导体技术、产品和应用来助力中国市场的发展和建设,” 南铮说到。

 

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