隨著互聯(lián)網(wǎng)紅利逐漸消失，物聯(lián)網(wǎng)在整體科技發(fā)展潮流中順勢(shì)而行，成為被普遍看好的新一代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則是物聯(lián)網(wǎng)目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，各種終端傳感器、即時(shí)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可以大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)提升到智能制造的階段。

　　GSMA智庫預(yù)計(jì)，到2025年，全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將增長至100.75億。GSMA智庫的一份調(diào)查顯示，69％的企業(yè)家認(rèn)為一旦5G到來，企業(yè)服務(wù)會(huì)是最重要的營收來源。

　　工業(yè) 4.0來襲？

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是“工業(yè)4.0”實(shí)現(xiàn)的具體形式，要想實(shí)現(xiàn)智能制造，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的個(gè)性化與定制化，需借助于萬物互聯(lián)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

　　根據(jù)維基百科的定義，“第四次工業(yè)革命（或者叫工業(yè) 4.0）是采用現(xiàn)代智能技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造和工業(yè)實(shí)踐進(jìn)行持續(xù)的自動(dòng)化。大規(guī)模機(jī)器對(duì)機(jī)器通信 （M2M） 和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)更高自動(dòng)化程度，更好的通信和自我監(jiān)控，以及生產(chǎn)能夠在無需人工干預(yù)的情況下分析和診斷問題的智能機(jī)器 。”

　　目前，多家全球市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)都在推動(dòng)工業(yè) 4.0 的實(shí)施。國土安全研究公司提供的名單中有多個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者和系統(tǒng)集成商，包括霍尼韋爾、高通等。

                 圖1顯示了幫助推動(dòng)工業(yè) 4.0 的半導(dǎo)體技術(shù)  來源：新思科技

　　如圖 1 所示，據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) （SIA）3 的數(shù)據(jù)表明，工業(yè)半導(dǎo)體約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)總量的 12%。一些公開報(bào)道顯示，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) / 自動(dòng)化市場(chǎng)增長勢(shì)頭強(qiáng)勁，特別是在中國。

　　根據(jù)法蘭克福國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)的數(shù)據(jù)，中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是增長最快的市場(chǎng)，增速高達(dá)21%。報(bào)道顯示，到 2021 年，中國當(dāng)前800多家機(jī)器人制造商將使中國工業(yè)機(jī)器人出貨量占到全部市場(chǎng)的45%。根據(jù) Axa Insurance5的數(shù)據(jù)，2020年，中國的新基建計(jì)劃將通過物聯(lián)網(wǎng)連接超過 2000億硬件設(shè)備，其中 95% 以上由中國制造。

　　圖 2：按最終用途劃分的半導(dǎo)體需求百分比（圖片由 SIA 提供） 來源：新思科技

　　半導(dǎo)體行業(yè)中的工業(yè)元素

　　目前，針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的增長受到 AI 集成、安全性和可靠性、連接能力、吞吐量和防護(hù)能力等多種趨勢(shì)的推動(dòng)。

　　AI 集成

　　毫無疑問，AI推動(dòng)著自動(dòng)化和運(yùn)營效率的顯著提高。這方面的例子包括缺陷識(shí)別、庫存管理、預(yù)測(cè)性維護(hù)和可視計(jì)數(shù)能力。這些 AI 能力需要嵌入到工業(yè)半導(dǎo)體和系統(tǒng)中的專用處理器，提供大量的乘積累加運(yùn)算，以確保處理時(shí)間和能源消耗不高于設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　安全性與可靠性

　　工業(yè)制造控制要求采取嚴(yán)格的可靠性和安全預(yù)防措施。IEC 61508 規(guī)定了不同的安全完整性等級(jí) （SIL）。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的半導(dǎo)體通 常需要在多個(gè)不同用例中遵守安全標(biāo)準(zhǔn)，包括工藝自動(dòng)化、機(jī)械、鐵路、核能等，如圖 3 所示。半導(dǎo)體廠商、半導(dǎo)體供應(yīng)商甚至 IP 供應(yīng)商都可能要遵守許多文檔記錄、可靠性和設(shè)計(jì)活動(dòng)，使系統(tǒng)集成商通過 IEC 61508 子類別認(rèn)證。這些活動(dòng)對(duì)于確保安全和 可靠性措施的制定和不斷改進(jìn)至關(guān)重要。

　　圖 3：多個(gè)不同用例中的安全標(biāo)準(zhǔn)

　　連接能力

　　工業(yè)4.0要求工廠車間和公司 IT 部門形成一個(gè)整體。這需要聚合多種不同的通信協(xié)議。多年來，工廠一直面臨著為提高效率而投入高昂成本升級(jí)專有和舊版本通信協(xié)議的困擾，而 IT 部門在管理不斷變化的消費(fèi)者技術(shù)方面疲于應(yīng)對(duì)。許多通信協(xié)議增加了軟件抽象層，旨在更好地向互連程度最高的工廠轉(zhuǎn)型，包括 CoAP、MQTT、XML、HTTP、AMQP 等。基礎(chǔ)硬件技術(shù)也在迅速演變，以提供低延遲、帶時(shí)間戳且功能豐富的兼容性連接能力。

　　吞吐量

　　許多工業(yè)系統(tǒng)需要通過更高的帶寬而提高工廠效率。數(shù)十年來，工業(yè)系統(tǒng)一直通過從串行協(xié)議轉(zhuǎn)變到以太網(wǎng)協(xié)議而實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。無線技術(shù)也正在工業(yè)系統(tǒng)中得到快速采用。然而，底層的半導(dǎo)體 IP 協(xié)議在系統(tǒng)改進(jìn)方面也發(fā)揮了重要作用。這包括更高內(nèi)存吞吐 量、在工業(yè)系統(tǒng)增加更多 SoC，以及具有高可靠性的長距離以太網(wǎng)能力。

　　防護(hù)能力

　　全球互連帶來了新的風(fēng)險(xiǎn)，互聯(lián)網(wǎng)連接相關(guān)的勒索軟件、IP盜竊和其他惡意活動(dòng)對(duì)安全防護(hù)提出了明確的需求。保護(hù)制造和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中的寶貴資源已成為工業(yè)設(shè)計(jì)的重要考量因素。有些領(lǐng)域還有其他標(biāo)準(zhǔn)和最低安全要求。半導(dǎo)體和支持系統(tǒng)越來越接受通過硬件安全方法正確實(shí)施和維護(hù)這些升級(jí)。

　　工業(yè)半導(dǎo)體的難題

　　當(dāng)前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地存在諸多難點(diǎn)，包括物聯(lián)網(wǎng)方案的交付場(chǎng)景多樣化，在多場(chǎng)景交付中適配工作量大、交付效率低甚至無法交付等問題。與之相應(yīng)，工業(yè)SoC也需要考慮諸多難點(diǎn)。

　　工業(yè) SoC 的可靠性和安全性考量一直是整體系統(tǒng)要求中的重要組成部分。然而，許多工業(yè)應(yīng)用都很難找到合適的半導(dǎo)體解決方案，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工業(yè)應(yīng)用的體量不能保證定制硅片的合理性，鑒于此，系統(tǒng)集成商不得不自己構(gòu)建，或者依靠傳統(tǒng)半導(dǎo)體供應(yīng)商修改或升級(jí)那些無法滿足嚴(yán)格可靠性和安全性需求的現(xiàn)成解決方案。

　　但當(dāng)前，新思科技提供的IP擁有滿足行業(yè)應(yīng)用所需要的許多安全性和可靠性文檔、流程與特性，使系統(tǒng)集成商或半導(dǎo)體提供商更容易采用滿足安全性和可靠性需求的關(guān)鍵 IP 模塊構(gòu)建 SoC。

　　DesignWare ARC 處理器和接口IP解決方案（如 PCI Express （PCIe）、DDR、MIPI、USB 和其他許多 IP 解決方案）提供了必要的流程、文檔以及可靠性和安全性方面的特性，可滿足非常嚴(yán)格的工業(yè)安全要求。這包括存儲(chǔ)器中的錯(cuò)誤檢查校正 （ECC） 能力、文檔以及 為保障安全性和可靠性而提供的固有流程。另外，用于啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行冗余檢查的雙鎖步處理和安全管理器、定期測(cè)試管理以及用于安全機(jī)制測(cè)試的錯(cuò)誤注入等IP特性滿足了功能安全方面的全部需求。

　　強(qiáng)大的連接能力要求工業(yè)半導(dǎo)體同時(shí)使用有線和無線IP。近年來，業(yè)內(nèi)對(duì)以太網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 功能的支持需求一直提高。新思科技推出了支持 TSN 的以太網(wǎng)控制器，已在工業(yè)應(yīng)用中被廣泛采用。

　　基于802.15.4的解決方案為計(jì)量、工廠自動(dòng)化和樓宇控制提供了連接能力，但最近，隨著 Google、Amazon和Apple 等大型提供商為利用基于802.15.4并整合低功耗藍(lán)牙、Thread 和 Zigbee 確保無縫互連的解決方案實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化提供了路線圖，互操作性不斷成熟。新思科技的 DesignWare 藍(lán)牙、Thread 和 Zigbee IP 憑借優(yōu)化的功耗、性能和面積 （PPA） 為此類硬件實(shí)施提供了基本的構(gòu)件。

　　更高的系統(tǒng)吞吐量還使工業(yè)系統(tǒng)能夠以低延遲能力實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。幾十年來，許多工業(yè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間都無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)響應(yīng)，而實(shí)施的項(xiàng)目?jī)H限于批處理或遠(yuǎn)程監(jiān)視。

　　隨著 5G 的出現(xiàn)及其將響應(yīng)時(shí)間降低到1ms以下的目標(biāo)，工業(yè)市場(chǎng)中的新應(yīng)用成為了探索的目標(biāo)。隨著半導(dǎo)體 IP 的發(fā)展，例如支持高達(dá)400G和800G以太網(wǎng)的高速 SerDes PHY，實(shí)時(shí)工廠控制和其他應(yīng)用成為可能。DDR5 和 LPDDR5 等存儲(chǔ)器接口增加了系統(tǒng)的內(nèi)存帶寬和容量。

　　目前，PCIe 5.0 也被迅速采用，用于連接工業(yè)服務(wù)器以及芯片到芯片的高速接口。特別需要指出的是，Compute Express Link （CXL） 協(xié)議專注于提供低延遲和緩存一致性能力，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更大的靈活性，并縮短工業(yè)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）的響應(yīng)時(shí)間。新思科技是接口 IP 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，為工業(yè) SoC 設(shè)計(jì)提供 了最全面的經(jīng)過硅驗(yàn)證的 IP 解決方案。

　　安全破壞事件越來越多，而且我們需要實(shí)施硬件來保護(hù)系統(tǒng)免受這些威脅的侵害。為了防御這些攻擊，硬件的信任IP根至關(guān)重要，包括在引導(dǎo)和SoC運(yùn)行期間的保護(hù)。現(xiàn)在，為加密數(shù)據(jù)的傳輸而加速實(shí)施協(xié)議安全的舉措越來越多。保護(hù)工業(yè) SoC 所需的 IP 包 括真實(shí)隨機(jī)數(shù)生成器 （TRNG）、安全引導(dǎo)、安全區(qū)域 （Secure Enclaves） 和受信任的執(zhí)行環(huán)境、安全協(xié)議加速器等。新思科技推出了全面的安全 IP 和軟件解決方案。最近，接口 IP 協(xié)議的發(fā)展正加速安全硬件的采用。

　　人工智能（例如機(jī)器視覺）需要采用專門的處理器減少功耗，縮短計(jì)算時(shí)間，同時(shí)需要可靠、強(qiáng)大的傳感器連接能力。這需要多個(gè)關(guān)鍵 IP 組件。這些系統(tǒng)的傳感器接口采用最新的CMOS 圖像傳感器，而這些傳感器變得越來越復(fù)雜，包括多種圖像數(shù)據(jù)格式、高級(jí)顏色、高分辨率、SNR 等。

　　MIPI CSI-2 IP解決方案滿足了機(jī)器視覺的基本連接需求，包括每通道最高 4.5Gbps 的速度和24位精度。最近，這些解決方案新增了智能關(guān)注區(qū)域能力，可以僅在需要時(shí)才傳輸數(shù)據(jù)，這一能力非常適合機(jī)器視覺。新思科技推出了全面的 DesignWare MIPI IP 產(chǎn)品組合，包括 CSI-2、DSI/DSI-2、D-PHY、C-PHY 和 I3C，可確保設(shè)計(jì)人員采用可靠的連接解決方案進(jìn)行工業(yè)實(shí)施。

　　視覺處理器也是針對(duì)AI算法的高效處理能力而優(yōu)化的關(guān)鍵組件，包括標(biāo)量、矢量和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)的異構(gòu)計(jì)算能力，以及在可實(shí)現(xiàn) 的芯片面積內(nèi)支持此類復(fù)雜系統(tǒng)的基本軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。用于嵌入式視覺解決方案的新思科技 DesignWare ARC EV 處理器從一開始 就是專為采用優(yōu)化型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）引擎的機(jī)器視覺應(yīng)用而設(shè)計(jì)。DesignWare EV7x 視覺處理器 的性能高達(dá) 35 TOPS，可為機(jī)器視覺提供最先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)處理能力。

　　領(lǐng)先的工業(yè)企業(yè)都已在其工業(yè)SoC中采用了新思科技的DesignWare IP。通常，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) / 自動(dòng)化 SoC 設(shè)計(jì)正在取代傳統(tǒng)的 FPGA 和現(xiàn)成的解決方案，因?yàn)檫@些解決方案無法滿足快速增長且差異化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需求。

　　新思科技 DesignWare Security IP 已經(jīng)滿足安全引導(dǎo)、密鑰管理、安全調(diào)試和安全固件更新等工業(yè)需求。公司在 IP 和實(shí)施方面的專業(yè)知識(shí)已經(jīng)滿足工業(yè) SoC 的嚴(yán)格要求，并且其表現(xiàn)優(yōu)于內(nèi)部、現(xiàn)成和FPGA 解決方案。

　　總結(jié)

　　全球范圍內(nèi)的千行百業(yè)正尋求數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這顯然已是不可逆轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)趨勢(shì)。5G、IoT、AI等前沿技術(shù)的進(jìn)步勢(shì)必會(huì)加速這一步伐。

　　未來工業(yè)半導(dǎo)體市場(chǎng)提供的機(jī)遇會(huì)持續(xù)增加。相關(guān)企業(yè)需要通過遷移而采用更多定制解決方案，以滿足快速變化的虛擬世界中對(duì) AI 能力、安全性和可靠性、連接能力、吞吐量和防護(hù)能力等方面的需求。工業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體 SoC 需要借助 IP 解決快速變化的環(huán)境所面臨的關(guān)鍵問題。這些問題包括高效的計(jì)算、可靠的通信以及安全的數(shù)據(jù)交換。要實(shí)施下一代解決方案，像新思科技這樣擁有經(jīng)過硅驗(yàn)證的 IP 解決方案組合的合作伙伴非常重要。