物联网半导体设计和技术趋势-三明工业网

对于物联网供应商而言：在高度动态的市场中，物联网芯片企业必须保持领先地位，以继续保持领先地位，例如，实现更小、更高效、更强大的物联网设备。
 
　　对于物联网设备/设备制造商而言：物联网芯片创新不仅会带来新的市场机会，例如人工智能、新的连接性和更高的能效，还会带来需要缓解的新挑战。
 
　　物联网半导体技术在复杂的半导体市场环境中不断发展
 
　　尽管贸易紧张局势持续、经济增长缓慢和芯片短缺，但半导体市场从2023年第一季度到2023年第二季度出现了微妙的复苏迹象。23年第二季度是自21年第四季度以来的首次积极变化，市场环比增长4.2%。
 
　　目前，许多总体趋势正在推动市场回升，包括：
 
　　● 对人工智能芯片组的需求不断增长
 
　　● 需要更强大的、甚至是全球性的模块化和可扩展的物联网连接
 
　　● 希望将数据分析和存储移至更靠近边缘的位置
 
　　● 推动更小芯片设计和高效冷却
 
　　在这个复杂的市场中，近年来主要半导体企业的物联网收入份额普遍上升，对于许多大型芯片企业来说，目前已经超过其收入的10%，在某些情况下甚至超过了20%。
 
　　最新的《2023年物联网芯片组和物联网模块趋势报告》，提供了在当前市场环境中可以观察到的各个物联网趋势的大量示例。虽然我们无法在一篇文章中涵盖所有这些趋势，但我们将在这里展示报告中的54个物联网半导体趋势中的10个，以及每个趋势的示例。
 
　　1.基于芯片的物联网设备架构的使用
 
　　半导体芯片OEM/ODM正在采用基于小芯片的架构。小芯片是一种设计概念，它允许在单个封装中使用具有不同工艺节点尺寸的多个芯片。这种设计允许快速原型设计和更短的上市时间，所有这些都降低了生产成本。小芯片是具有不同复杂性的物联网设备的理想选择，从一次性RFID标签到集成传感器、人工智能芯片、处理、内存和连接的高级驾驶辅助系统。
 
　　2022年11月，AMD推出了RadeonRX7900XTX和RadeonRX7900XT显卡。这些尖端卡采用AMD的下一代RDNA3架构，采用集成5nm和6nm工艺节点的芯片设计，每瓦性能比RDNA2提高54%，人工智能性能提高2.7倍。
 
　　2.物联网芯片设计中越来越多地采用RISC-V
 
　　许多物联网设备企业在设计芯片时，都转向开放标准指令集架构RISC-V。RISC-V具有高能效和可定制性，并且由于其透明、开源特性和ISA合规性而被认为是安全的。其模块化设计可实现高效的资源利用，这对于不同的物联网部署而言具有成本效益。
　　3.将冷却技术整合到芯片/PCB设计中，用于更小的节点芯片
 
　　缩小芯片尺寸是一个大趋势，目标是尺寸小到3nm和2nm，预计这一趋势将推动物联网和通用人工智能芯片的发展。这一趋势带来了三个明显的问题：
 
　　更高的功率密度：更小、更先进的芯片具有更高的功率密度，并且由于在更小的区域中增加了电路而产生更多的热量。
 
　　减少散热表面积：较小的外形尺寸通常意味着可用于散热的表面积较少，从而使有效散热变得更具挑战性。
 
　　热阻：较小的外形尺寸也会导致芯片本身的热阻较高。随着芯片缩小，热量传播和消散的空间就会减少，从而导致热阻增加。
 
　　为了缓解这些挑战，半导体企业正在开发和采用多种冷却技术，来管理和帮助散发运行期间产生的热量，包括：散热器、风扇和鼓风机、液体冷却、均温板、相变冷却和热电冷却。
 4.物联网处理器创新着眼于节能的未来
 
　　随着处理器性能、连接性和紧凑性的进步，对能源效率的需求也在不断提高。由于这种需求，基于mcu的超低功耗soc正在上升。企业正在利用创新的节能方法来延长电池寿命并优化性能。
 
　　5.增强蜂窝和卫星连接，简化业务和全球覆盖
 
　　5GRedCap或5GNR-Light是在3GPP第17版中引入的，作为需要中层物联网连接的物联网用例的新规范。5GRedCap是当前5G技术的增强版，而不是5G的轻型版本。它提供了吞吐量、电池寿命、复杂性和物联网设备密度的平衡。
 
　　目前，中间层物联网设备依靠LTECat-4实现广域无线连接和移动性。对于此类中端案例，5GRedCap将与LTECat-4直接竞争，因为它在20MHz的相似带宽上运行，并在下行和上行分别提供150mbps和50mbps的类似吞吐量。作为上一代技术，LTECat-4的网络支持寿命将相对较短，而作为下一代技术的5GRedCap的寿命将更长。
 
　　此外，物联网设备市场正在见证结合卫星和蜂窝技术的先进连接解决方案的出现，为物联网应用的全球覆盖和连接铺平了道路。这些应用可以超越地面网络的限制，扩大物联网设备的全球覆盖范围。
 
 　6.人工智能芯片组在边缘设备中的集成不断提高
 
　　随着企业不断寻找更快、更安全地做出更好决策的方法，对实时数据分析和数据隐私的需求正在迅速增长。这种需求推动了新型边缘设备的开发，这些设备具有强大的芯片组，使人工智能应用能够在本地运行，而无需将数据发送到云端。本地化人工智能处理可减少延迟，实现快速决策，并保护数据，因为数据不会传输到场所之外。
 
　7.提高本地工业硬件解决方案的处理能力
 
　　一些工业自动化供应商最近升级了他们的硬件，例如工业PC，具有更快的芯片组和功能。这些升级使工业硬件能够在本地存储和分析数据，并且具有多核支持的IPC可以基于软件的PLC。2023年新芯片技术的例子，包括英特尔的i9处理器(RaptorLake)和Nvidia的JetsonAGX。
 
　　推动这一举措的是四个客户需求因素：
 
　　● 将一些软件应用从云端迁移到边缘
 
　　● 更快的数据处理和分析
 
　　● 当企业改造使用不同协议的旧资产时，处理多个连接并转换多个协议
 
　　● 更好地控制从企业传感器网络收集的数据，以及本地数据的存储和检索
 
　　8.在物联网网关中采用基于RaspberryPi和Arduino的芯片组
 
　　为了顺应本地工业硬件解决方案中处理能力更强的趋势，物联网网关制造商正在其设备中采用RaspberryPi和基于Arduino的系统。这些设备最初用于原型设计，由于其经济性、可用性和大型社区支持(主要由开发人员和爱好者组成)，现已进入市场工业物联网网关解决方案。此外，这些系统还提供各种连接选项，例如WiFi、以太网和蓝牙，这对于物联网网关至关重要。
 
　　9.越来越多地使用RAN加速器，正在推动蜂窝通信基础设施采用OpenRAN/vRAN架构
 
　　随着通信服务提供商继续在全球范围内推出5G，并展望2030年左右6G技术的未来推出，他们对开放、灵活、虚拟和可编程的无线接入网络(RAN)基础设施越来越感兴趣，以实现更好的性能、可扩展性、并节省成本。RAN加速器有助于提高RAN性能，它们是旨在增强RAN性能的定制硬件组件或软件模块。它们可以基于FPGA、GPU或ASICS，用于卸载系统中通用处理器的处理任务。
 
　　支持RAN加速的著名架构有OpenRAN和虚拟化RAN(vRAN)：
 
　　OpenRAN是一种促进开放接口和标准使用的架构，可实现更加模块化和灵活的网络基础设施，其中来自不同供应商的组件可以无缝协作。
 
　　vRAN是一种使用虚拟化技术实现网络功能的架构，其中各种网络功能作为在通用硬件平台上运行的软件来实现，而不是在专门的设备上执行。
 
　　电信运营商可以选择OpenRAN来促进网络异构性、减少供应商锁定，并通过开放接口和可互操作的网络元件促进创新。另一方面，通过利用虚拟化技术在通用硬件平台上实现RAN功能，选择vRAN可以帮助实现更大的网络可伸缩性、灵活性和成本效益，从而使网络升级和维护更加直接和经济。
 
　　10.芯片到云安全性的进步
 
　　随着连接设备数量的不断增加，网络攻击和未经授权的访问的风险也随之增加。物联网芯片技术供应商正在积极地将安全功能融入其产品中，并遵守行业特定的法规和标准。其中一组标准是IEC62443OT标准系列。获得此认证的产品必须从设计的早期阶段就遵守特定的产品开发要求。
 随着越来越多的供应商集成这些技术来保护使用蜂窝连接的物联网设备，eSIM和iSIM技术正在兴起。这些技术结合了嵌入式安全元件，与传统SIM卡相比提供了先进的安全功能。嵌入式安全元件充当非对称加密的硬件信任根，确保安全的端到端通信。
 
　　这对物联网半导体企业意味着什么
 
　　根据本报告中发现的趋势，物联网半导体供应商应该问自己5个关键问题：
 
　　能源效率：我们是否专注于提高处理器的能源效率，并将超低功耗模式和创新的节能方法，集成到我们的新芯片设计中？
 
　　人工智能：我们如何在人工智能芯片市场中定位自己，哪些合作伙伴或收购可以推动我们在这一领域的增长？
 
　　RISC-V：我们企业如何加快向RISC-V架构的过渡，或将RISC-V架构纳入我们的物联网芯片设计中，以获得竞争优势？
 
　　散热：随着芯片技术向3nm和2nm节点发展，半导体公司计划如何帮助客户解决与更高功率密度、更小散热表面积相关的热挑战？
 
　　芯片架构：我们是否在为客户的物联网产品，探索基于芯片架构的潜在优势，以及我们如何利用它来降低生产成本和上市时间？
 
　　这对物联网半导体器件/设备制造商意味着什么
 
　　基于本报告中发现的趋势，物联网半导体设备制造商应该问自己的5个关键问题：
 
　　新连接：我们是否正在探索LTECat1bis和卫星连接方面的机会，以增强物联网设备的全球覆盖范围和连接？
 
　　散热：我们如何优化PCB设计以采用高效的散热方法？
 
　　能源效率：如何利用新推出的芯片的节能特性，来提高物联网设备的性能和电池寿命？
 
　　边缘计算：如何利用更快的芯片组来增强本地数据处理和分析能力，以及将软件应用从云端转移到边缘的潜在好处是什么？
 
　　人工智能：我们需要在物联网设备中添加哪些人工智能功能，以满足未来客户对边缘人工智能推理的需求？（三明工业网）