物聯(lián)網(wǎng)半導體設計和技術(shù)十大趨勢

在貿(mào)易緊張局勢持續(xù)、經(jīng)濟增長緩慢和芯片短缺的情況下，半導體市場出現(xiàn)了自2021年以來的首次市場增長。物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)變得越來越重要。

《2023年物聯(lián)網(wǎng)芯片組和物聯(lián)網(wǎng)模塊趨勢報告》中的10個趨勢，展示了物聯(lián)網(wǎng)采用者的需求以及半導體OEM/ODM如何滿足這些需求。

為什么這很重要？

對于物聯(lián)網(wǎng)供應商而言：在高度動態(tài)的市場中，物聯(lián)網(wǎng)芯片企業(yè)必須保持領(lǐng)先地位，以繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，例如，實現(xiàn)更小、更高效、更強大的物聯(lián)網(wǎng)設備。

對于物聯(lián)網(wǎng)設備/設備制造商而言：物聯(lián)網(wǎng)芯片創(chuàng)新不僅會帶來新的市場機會，例如人工智能、新的連接性和更高的能效，還會帶來需要緩解的新挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)半導體技術(shù)在復雜的半導體市場環(huán)境中不斷發(fā)展

盡管貿(mào)易緊張局勢持續(xù)、經(jīng)濟增長緩慢和芯片短缺，但半導體市場從2023年第一季度到2023年第二季度出現(xiàn)了微妙的復蘇跡象。23年第二季度是自21年第四季度以來的首次積極變化，市場環(huán)比增長4.2%。

目前，許多總體趨勢正在推動市場回升，包括：

● 對人工智能芯片組的需求不斷增長

● 需要更強大的、甚至是全球性的模塊化和可擴展的物聯(lián)網(wǎng)連接

● 希望將數(shù)據(jù)分析和存儲移至更靠近邊緣的位置

● 推動更小芯片設計和高效冷卻

在這個復雜的市場中，近年來主要半導體企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)收入份額普遍上升，對于許多大型芯片企業(yè)來說，目前已經(jīng)超過其收入的10%，在某些情況下甚至超過了20%。

最新的《2023年物聯(lián)網(wǎng)芯片組和物聯(lián)網(wǎng)模塊趨勢報告》，提供了在當前市場環(huán)境中可以觀察到的各個物聯(lián)網(wǎng)趨勢的大量示例。雖然我們無法在一篇文章中涵蓋所有這些趨勢，但我們將在這里展示報告中的54個物聯(lián)網(wǎng)半導體趨勢中的10個，以及每個趨勢的示例。

1.基于芯片的物聯(lián)網(wǎng)設備架構(gòu)的使用

半導體芯片OEM/ODM正在采用基于小芯片的架構(gòu)。小芯片是一種設計概念，它允許在單個封裝中使用具有不同工藝節(jié)點尺寸的多個芯片。這種設計允許快速原型設計和更短的上市時間，所有這些都降低了生產(chǎn)成本。小芯片是具有不同復雜性的物聯(lián)網(wǎng)設備的理想選擇，從一次性RFID標簽到集成傳感器、人工智能芯片、處理、內(nèi)存和連接的高級駕駛輔助系統(tǒng)。

2022年11月，AMD推出了RadeonRX7900XTX和RadeonRX7900XT顯卡。這些尖端卡采用AMD的下一代RDNA3架構(gòu)，采用集成5nm和6nm工藝節(jié)點的芯片設計，每瓦性能比RDNA2提高54%，人工智能性能提高2.7倍。

2.物聯(lián)網(wǎng)芯片設計中越來越多地采用RISC-V

許多物聯(lián)網(wǎng)設備企業(yè)在設計芯片時，都轉(zhuǎn)向開放標準指令集架構(gòu)RISC-V。RISC-V具有高能效和可定制性，并且由于其透明、開源特性和ISA合規(guī)性而被認為是安全的。其模塊化設計可實現(xiàn)高效的資源利用，這對于不同的物聯(lián)網(wǎng)部署而言具有成本效益。

例子：

2023年8月4日，一批主要半導體行業(yè)參與者聯(lián)手投資一家新企業(yè)，旨在促進RISC-V架構(gòu)的采用。其目的是加快基于RISC-V的創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)和商業(yè)化，它將成為可用于半導體行業(yè)的基于RISC-V的產(chǎn)品、參考架構(gòu)和解決方案的單一來源。

3.將冷卻技術(shù)整合到芯片/PCB設計中，用于更小的節(jié)點芯片

縮小芯片尺寸是一個大趨勢，目標是尺寸小到3nm和2nm，預計這一趨勢將推動物聯(lián)網(wǎng)和通用人工智能芯片的發(fā)展。這一趨勢帶來了三個明顯的問題：

更高的功率密度：更小、更先進的芯片具有更高的功率密度，并且由于在更小的區(qū)域中增加了電路而產(chǎn)生更多的熱量。

減少散熱表面積：較小的外形尺寸通常意味著可用于散熱的表面積較少，從而使有效散熱變得更具挑戰(zhàn)性。

熱阻：較小的外形尺寸也會導致芯片本身的熱阻較高。隨著芯片縮小，熱量傳播和消散的空間就會減少，從而導致熱阻增加。

為了緩解這些挑戰(zhàn)，半導體企業(yè)正在開發(fā)和采用多種冷卻技術(shù)，來管理和幫助散發(fā)運行期間產(chǎn)生的熱量，包括：散熱器、風扇和鼓風機、液體冷卻、均溫板、相變冷卻和熱電冷卻。

例子：

在其iEP-5000G系列工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器中，Asrock采用銅熱管來解決散熱問題。熱管是嵌入在PCB下面的管狀裝置，在溫度超過要求極限的PCB區(qū)域周圍循環(huán)。Asrock包括iEP-5000G的外殼上的散熱片和內(nèi)部熱管。

4.物聯(lián)網(wǎng)處理器創(chuàng)新著眼于節(jié)能的未來

隨著處理器性能、連接性和緊湊性的進步，對能源效率的需求也在不斷提高。由于這種需求，基于mcu的超低功耗soc正在上升。企業(yè)正在利用創(chuàng)新的節(jié)能方法來延長電池壽命并優(yōu)化性能。

例子：

2023年3月，意法半導體發(fā)布了STM32WBA52，它將藍牙LE(BLE)5.3連接與超低功耗模式、ARMPSA認證的3級和SESIP3安全性，以及為開發(fā)人員提供的廣泛外設選擇相結(jié)合。它由一個運行在100兆赫的ARMCortex-M33內(nèi)核增強，以獲得額外的計算能力。STM32WBA52mcu具有意法半導體的低功耗DMA和靈活的省電狀態(tài)，具有快速喚醒時間。根據(jù)意法半導體的公告，這些功能可以將MCU功耗降低高達90%。

5.增強蜂窩和衛(wèi)星連接，簡化業(yè)務和全球覆蓋

5GRedCap或5GNR-Light是在3GPP第17版中引入的，作為需要中層物聯(lián)網(wǎng)連接的物聯(lián)網(wǎng)用例的新規(guī)范。5GRedCap是當前5G技術(shù)的增強版，而不是5G的輕型版本。它提供了吞吐量、電池壽命、復雜性和物聯(lián)網(wǎng)設備密度的平衡。

目前，中間層物聯(lián)網(wǎng)設備依靠LTECat-4實現(xiàn)廣域無線連接和移動性。對于此類中端案例，5GRedCap將與LTECat-4直接競爭，因為它在20MHz的相似帶寬上運行，并在下行和上行分別提供150mbps和50mbps的類似吞吐量。作為上一代技術(shù)，LTECat-4的網(wǎng)絡支持壽命將相對較短，而作為下一代技術(shù)的5GRedCap的壽命將更長。

此外，物聯(lián)網(wǎng)設備市場正在見證結(jié)合衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)的先進連接解決方案的出現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)應用的全球覆蓋和連接鋪平了道路。這些應用可以超越地面網(wǎng)絡的限制，擴大物聯(lián)網(wǎng)設備的全球覆蓋范圍。

例子：

2023年3月，廣和通宣布在全球推出新的RedCap模塊系列FG132-NA。這些模塊提供了更高的能源效率，擴展了物聯(lián)網(wǎng)場景的多樣性，支持5GSA并向后兼容LTECat4網(wǎng)絡。它們具有高達220Mbps的下行速度和100Mbps的上行速度，可確保制造工廠，IPC和智能電網(wǎng)等各種應用的可靠網(wǎng)絡性能。

此外，廣和通于2023年7月在MWC上海2023上發(fā)布了非地面網(wǎng)絡模塊MA510-GL（NTN）。該模塊采用高通9205S調(diào)制解調(diào)器，符合3GPPRelease17標準，旨在滿足全球物聯(lián)網(wǎng)市場的需求，并支持使用高度彈性的GEO衛(wèi)星通信和蜂窩連接。

6.人工智能芯片組在邊緣設備中的集成不斷提高

隨著企業(yè)不斷尋找更快、更安全地做出更好決策的方法，對實時數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)隱私的需求正在迅速增長。這種需求推動了新型邊緣設備的開發(fā)，這些設備具有強大的芯片組，使人工智能應用能夠在本地運行，而無需將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。本地化人工智能處理可減少延遲，實現(xiàn)快速決策，并保護數(shù)據(jù)，因為數(shù)據(jù)不會傳輸?shù)綀鏊狻?/p>

例子：

在2023年漢諾威工業(yè)博覽會上，研華展示了三個工業(yè)人工智能平臺，每個平臺都基于不同的NvidiaGPU：

● MIC-733-AO，基于NvidiaJetsonAGXOrin

● MIC-711-OX，基于NvidiaJetsonOrinNX

● MIC-711-OA，基于NvidiaJetsonOrinNano

GPU具有不同的性能級別，JetsonAGXOrin是最強大的，JetsonOrinNano是入門級。

7.提高本地工業(yè)硬件解決方案的處理能力

一些工業(yè)自動化供應商最近升級了他們的硬件，例如工業(yè)PC，具有更快的芯片組和功能。這些升級使工業(yè)硬件能夠在本地存儲和分析數(shù)據(jù)，并且具有多核支持的IPC可以基于軟件的PLC。2023年新芯片技術(shù)的例子，包括英特爾的i9處理器（RaptorLake）和Nvidia的JetsonAGX。

推動這一舉措的是四個客戶需求因素：

● 將一些軟件應用從云端遷移到邊緣

● 更快的數(shù)據(jù)處理和分析

● 當企業(yè)改造使用不同協(xié)議的舊資產(chǎn)時，處理多個連接并轉(zhuǎn)換多個協(xié)議

● 更好地控制從企業(yè)傳感器網(wǎng)絡收集的數(shù)據(jù)，以及本地數(shù)據(jù)的存儲和檢索

例子：

2022年11月，倍福宣布其C60XX系列ipc的新成員C6040，該產(chǎn)品具有幾個新功能。該設備基于英特爾的RaptorLake技術(shù)，該技術(shù)允許更好的緩存，因此，更好的實時功能。不久之后，在2023年3月，倍福重點介紹了其進一步增強的C6043IPC，其中包括用于人工智能加速的英偉達RTXA4500GPU。

8.在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中采用基于RaspberryPi和Arduino的芯片組

為了順應本地工業(yè)硬件解決方案中處理能力更強的趨勢，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)制造商正在其設備中采用RaspberryPi和基于Arduino的系統(tǒng)。這些設備最初用于原型設計，由于其經(jīng)濟性、可用性和大型社區(qū)支持（主要由開發(fā)人員和愛好者組成），現(xiàn)已進入市場工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決方案。此外，這些系統(tǒng)還提供各種連接選項，例如WiFi、以太網(wǎng)和藍牙，這對于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要。

例子：

2023年1月，Artila電子發(fā)布了Matrix-310，這是一款基于Espressifesp32的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，使用Xtensa雙核32位LX6處理器，提供高達240MHz的頻率。用戶可以通過Arduino的板管理器安裝ESP32Arduino核心，使用ArduinoIDE對matrix-310進行編程和開發(fā)應用。ArduinoIDE支持FreeRTOS，這是一個開源的實時操作系統(tǒng)，可以用來管理ESP32板上的多個任務。

9.越來越多地使用RAN加速器，正在推動蜂窩通信基礎設施采用OpenRAN/vRAN架構(gòu)

隨著通信服務提供商繼續(xù)在全球范圍內(nèi)推出5G，并展望2030年左右6G技術(shù)的未來推出，他們對開放、靈活、虛擬和可編程的無線接入網(wǎng)絡(RAN)基礎設施越來越感興趣，以實現(xiàn)更好的性能、可擴展性、并節(jié)省成本。RAN加速器有助于提高RAN性能，它們是旨在增強RAN性能的定制硬件組件或軟件模塊。它們可以基于FPGA、GPU或ASICS，用于卸載系統(tǒng)中通用處理器的處理任務。

支持RAN加速的著名架構(gòu)有OpenRAN和虛擬化RAN(vRAN)：

OpenRAN是一種促進開放接口和標準使用的架構(gòu)，可實現(xiàn)更加模塊化和靈活的網(wǎng)絡基礎設施，其中來自不同供應商的組件可以無縫協(xié)作。

vRAN是一種使用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的架構(gòu)，其中各種網(wǎng)絡功能作為在通用硬件平臺上運行的軟件來實現(xiàn)，而不是在專門的設備上執(zhí)行。

電信運營商可以選擇OpenRAN來促進網(wǎng)絡異構(gòu)性、減少供應商鎖定，并通過開放接口和可互操作的網(wǎng)絡元件促進創(chuàng)新。另一方面，通過利用虛擬化技術(shù)在通用硬件平臺上實現(xiàn)RAN功能，選擇vRAN可以幫助實現(xiàn)更大的網(wǎng)絡可伸縮性、靈活性和成本效益，從而使網(wǎng)絡升級和維護更加直接和經(jīng)濟。

例子：

2022年2月，戴爾展示了基于MarvellOCTEONCNF10S基帶處理器的OpenRAN加速卡。一年后，戴爾還宣布與各行業(yè)領(lǐng)導者合作，以增強其面向RAN環(huán)境的開放基礎設施。

2023年1月，英特爾推出了最新的第四代英特爾至強可擴展處理器，采用英特爾vRANBoost，這是一款旨在將5G和4G的vRAN加速直接集成到英特爾至強SoC上的新芯片。該處理器經(jīng)過優(yōu)化，可提高數(shù)據(jù)包和信號處理、負載平衡、人工智能和機器學習以及電源管理實施的性能。因此，不再需要自定義第1層加速卡。通過消除對外部加速卡的需求，csp可以減少其vran的組件需求。這反過來又可以顯著節(jié)省計算功率，簡化解決方案設計，并降低csp的總擁有成本。

10.芯片到云安全性的進步

隨著連接設備數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡攻擊和未經(jīng)授權(quán)的訪問的風險也隨之增加。物聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)供應商正在積極地將安全功能融入其產(chǎn)品中，并遵守行業(yè)特定的法規(guī)和標準。其中一組標準是IEC62443OT標準系列。獲得此認證的產(chǎn)品必須從設計的早期階段就遵守特定的產(chǎn)品開發(fā)要求。

例子:

2023年3月，Eurotech宣布其ReliaGATE10-14多業(yè)務物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)關(guān)符合IEC62443標準，并根據(jù)以下規(guī)定進行了組件級安全測試:

●IEC62443-4-1，它定義了安全的產(chǎn)品開發(fā)過程

● IEC62443-4-2定義了嵌入式設備、網(wǎng)絡組件、主機組件和軟件應用的技術(shù)要求

● psa認證的1級，在PCB上嵌入了TPM2.0IC。

隨著越來越多的供應商集成這些技術(shù)來保護使用蜂窩連接的物聯(lián)網(wǎng)設備，eSIM和iSIM技術(shù)正在興起。這些技術(shù)結(jié)合了嵌入式安全元件，與傳統(tǒng)SIM卡相比提供了先進的安全功能。嵌入式安全元件充當非對稱加密的硬件信任根，確保安全的端到端通信。

這對物聯(lián)網(wǎng)半導體企業(yè)意味著什么

根據(jù)本報告中發(fā)現(xiàn)的趨勢，物聯(lián)網(wǎng)半導體供應商應該問自己5個關(guān)鍵問題：

能源效率：我們是否專注于提高處理器的能源效率，并將超低功耗模式和創(chuàng)新的節(jié)能方法，集成到我們的新芯片設計中？

人工智能：我們?nèi)绾卧谌斯ぶ悄苄酒袌鲋卸ㄎ蛔约海男┖献骰锇榛蚴召徔梢酝苿游覀冊谶@一領(lǐng)域的增長？

RISC-V：我們企業(yè)如何加快向RISC-V架構(gòu)的過渡，或?qū)ISC-V架構(gòu)納入我們的物聯(lián)網(wǎng)芯片設計中，以獲得競爭優(yōu)勢？

散熱：隨著芯片技術(shù)向3nm和2nm節(jié)點發(fā)展，半導體公司計劃如何幫助客戶解決與更高功率密度、更小散熱表面積相關(guān)的熱挑戰(zhàn)？

芯片架構(gòu)：我們是否在為客戶的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，探索基于芯片架構(gòu)的潛在優(yōu)勢，以及我們?nèi)绾卫盟鼇斫档蜕a(chǎn)成本和上市時間？

這對物聯(lián)網(wǎng)半導體器件/設備制造商意味著什么

基于本報告中發(fā)現(xiàn)的趨勢，物聯(lián)網(wǎng)半導體設備制造商應該問自己的5個關(guān)鍵問題：

新連接：我們是否正在探索LTECat1bis和衛(wèi)星連接方面的機會，以增強物聯(lián)網(wǎng)設備的全球覆蓋范圍和連接？

散熱：我們?nèi)绾蝺?yōu)化PCB設計以采用高效的散熱方法？

能源效率：如何利用新推出的芯片的節(jié)能特性，來提高物聯(lián)網(wǎng)設備的性能和電池壽命？

邊緣計算：如何利用更快的芯片組來增強本地數(shù)據(jù)處理和分析能力，以及將軟件應用從云端轉(zhuǎn)移到邊緣的潛在好處是什么？

人工智能：我們需要在物聯(lián)網(wǎng)設備中添加哪些人工智能功能，以滿足未來客戶對邊緣人工智能推理的需求？

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