2022年嵌入式系统创新解决方案

新冠疫情为电子产业的工程师和高管们带来了诸多挑战。尽管在人员、物流和供应链多方面都遭遇了困难，业界的创新依然没有停止。让我们看看最新的创新芯片和解决方案都有哪些。近两年间，购买芯片是一件很困难的事情，但是从今年的贸易情况来看，全球的设计团队展现了强大的活力。研发新产品的热情可能源自线下展会的恢复，更进一步的分析表明，许多领域都产生了真正的进步，从小型模拟芯片到能够改变汽车产业的芯片技术。

#01「 汽车的性能和安全 」

汽车产业的未来在于销售有着机械外壳的软件，这已经是公认的事实了。软件定义汽车（SDV）会让这变成现实，汽车在其生命周期中会不断接受软件升级，并实现新的功能。宝马已经开始提供功能即服务（FaaS），在英国，座椅加热需要按月付费，这将大幅改变汽车电子，特别是软件的开发过程。

与其说为每一个功能增加一个电子控制单元（ECU），比如升降窗，现在多个功能会被整合到几个强大的控制器中。这些控制器由车载以太网相互连接，安装在一台在高性能计算机（HPC）的周边。车载以太网就是我们熟知的以太网协议的单对实现，采取这一方式时不能牺牲汽车安全等级（ASIL）安全要求。

恩智浦先进的S32Z和S32E实时处理器（见图1）运用多核芯片实现了汽车上关键的可确定性要求，在符合ASIL D的同时达到了前所未闻的1GHz时钟速率。芯片上有8个Arm Cortex-R52，它们可以各自独立运行，也可以协同运转。例如，一个Arm Cortex-M33专门进行系统管理，另外两个为CAN FD汽车通信提供加速。最后一个Arm Cortex-M7控制硬件安全引擎（HSE）的功能，HSE是一个安全系统的重要组成部分。

#02「 从核心到引脚的虚拟化」

片上系统（SoC）为了同时支持多功能，其上搭载了虚拟机监视器，这让SoC可以独立运行多个操作系统（通常为POSIX和AUTOSAR兼容的操作系统）。运行虚拟机监视器的处理器通过内存管理单元（MMU）将这些OS相互分开，并且分配硬件，比如将USB设备连接到正确的OS和分享同一个以太网口。不过，S32Z和S32E并不是如此。

这两款芯片支持从核心到引脚的虚拟化，意味着OS的外设分配在硬件中实现，这降低了软件开销，简化了分配过程，并确保一个OS上的失效不会影响另一个OS。这一特性还支持进行通用I/O（GPIO）操作时，虚拟OS需要的寄存器引脚能够配置成一个专门的虚拟寄存器（OS不会看到物理寄存器的全部引脚）。

图1 恩智浦的S32系列实时处理器针对新的软件定义汽车架构开发，支持从核心到引脚的虚拟化（来源：恩智浦）

现有的芯片基于16纳米技术制造，但是Global Product and Solutions Marketing的总监Brian Carlson认为，未来芯片制造将会基于5纳米技术。业界已经认识到了这类芯片的重要性，博世工程副总裁Axel Aue表示：“这些芯片相比嵌入式NVM MCU的性能增长超过两倍。”此外，恩智浦的芯片赢得了嵌入式世界（Embedded World） 2022硬件奖。随着汽车电气化和电子化的不断推进，它们背后的技术值得关注。

#03「 工业网络中的单对以太网」

工厂中大量的线缆和连接器很明显有改进的空间。目前，根据不同的价格、安全要求和特定应用的需求，市面上有着数量众多的现场总线标准。其中的大多数不支持多点线路，这意味着许多线缆会直接连接到一个可编程逻辑控制器（PLC）上。通过利用单对以太网（SPE）能够改善这一情况，SPE是在已有的以太网标准上制定的一系列扩展标准。

直到现在，只有微控制器整合了和SPE相关的硬件。OnSemi的NCN26010的发布改变了这一点，它是一个独立的10BASE-T1S SPE控制器，整合了物理层和数据链路层的支持。这个设备可以通过串行外设接口（SPI）协议连接到一个包含驱动程序的标准微控制器/嵌入式处理器芯片上（一般运行Linux或FreeRTOS），比如树莓派。控制器支持最少8个25米以上距离的多点线路节点，如有需要，支持最多40个节点和更远的距离。

为了在有很多电气噪声的工厂中保持可靠性，芯片使用一系列创新的噪声隔绝措施。数据链路层还有可选的IEEE 物理层物理层防冲突（PLCA）标准，通过轮询仲裁避免冲突，能够提高网络利用率到几乎100%。

#04「 助力物联网」

随着物联网（IoT）设备的增长，我们很自然地会质疑，只使用电池作为设备电源是否合适。位于荷兰代尔夫特的无晶圆厂半导体创业公司Nowi专门研究了这一问题，他们最新的电源管理集成电路（PMIC）NH16D3045（代号“硅藻”）是一个面向低功耗应用的能源收集解决方案（见图2）。它能够运用多种电能来源（太阳能电池板、热电发电机和压电器件的振动等）向毫瓦和微瓦级设备供电，特别是智能可穿戴设备和无线传感器。Nowi已经搭建了多个演示原型，包括电子货架标签和电视遥控器。

图2 来自无晶圆厂创业公司Nowi的“硅藻”PMIC让你可以从多种不同的电能来源中高效地收集能源

当然，收集到的能源首先要被存储起来，设备才能够之后使用。TDK发布了新的存储技术CeraCharge（见图3），这一固态存储解决方案运用锂基氧化物多层电池，将锂铁电池和多层电容器的优点结合在一起。此类电池不会泄漏或者爆炸，所以即使在真空中也可以安全使用。电池大小和1812多层陶瓷电容器（MLCC）的尺寸一致，是类似的超级电容电池大小的十分之一，可以直接贴片并采用典型的回流焊法，一千次充电循环后电池还可以提供原有容量的80%。CeraCharge 1812的典型电压为1.5V，容量为100微安时，运行时环境温度范围为零下20到80摄氏度。电池的10C放电速率让它可以支持蓝牙低功耗（BLE）信标。

图3 TDK的可充电固态表面贴装电池CeraCharge运用了锂基氧化物多层结构

#05「 物联网之星」

IoT的另一个挑战是各种不同的技术各自为政，例如IoT平台和无线网络，针对类似的问题有10个不同的应用。IoT Stars（物联网之星）是一个旨在解决这一问题的社交组织，在业界举办贸易会时他们会组织线下活动。Lauren Slats在解释IoT Stars的社交活动如何帮助人们共同探索IoT产业的共同问题。

IoT Stars开发者关系部的Lauren Slats解释道，他们为IoT的开发者和供应商提供分享经验的平台，无论是低功耗设计，平台整合，还是无线技术。本文截止时，他们的下一个活动将会在巴塞罗那的世界移动通信大会（MWC）期间举行。

Rachel Taylor是IoT Stars社区的另一位成员，在嵌入式世界（Embedded World）期间的IoT Stars活动中她宣布了新的创业公司Nubix。Rachel担心IoT设备过于依赖于传统的部署过程，而没有充分利用云服务，其结果是空中升级（OTA）和新应用的部署都十分困难。Nubix正在搭建一个针对边缘应用中Arm Cortex-M微控制器的原生应用平台。平台中有一个实时操作系统（RTOS）和一个运行时层，应用程序在“小型的容器”中作为服务部署。当有互联网连接时，平台的协调中心（Orchestration Hub）可以收集数据和对服务进行升级（见图4）。

图4 Nubix希望通过协调中心和容器技术简化标准微控制器上IoT功能的部署（来源：Nubix）

#06「 新的闪存格式」

小型和客户端PC在节约空间的同时，性能还足够支持上网和偶尔写作的需要，但是它们集成到主板上的闪存实际上限制了设备的生命期，随着OS的增大和数据的增多，最终设备上用来升级的空间会被耗尽。在未来，这也可能影响汽车和其他应用。XFMEX-PRESS（见图5）可以解决这一问题，它是来自Kioxia的一个新的闪存格式，看上去和SD卡类似，支持PCIe和NVMe，因此接口和M.2 SSD类似。但是XFMEX-PRESS不仅仅是一个可移动数据设备，还是可替换的。它的厚度仅为1.4毫米，可以牢靠地安装到一个翻盖的插座中，支持最大1024GB。为了被更广泛地采用，这项技术被定义为JEDEC标准。

图5 Kioxia的XFMEX-PRESS是针对瘦客户端和小型PC的可替换存储设备（可代替传统的焊接到电路板上的闪存）

#07「 处理器设计变得更简单」

开发RISC-V核心的好处之一是可以针对特定的算法添加自定义的指令，现在供应商提供一系列支持自定义的标准核。不过，新的指令还是需要程序员用内联汇编语言进行编写，当然意味着源代码需要改动。Codasip于2014年成立，是一家总部在德国的公司，他们在L31嵌入式RISC-V核上演示了新指令的自动生成。公司首席市场官（CMO）Rupert Baines解释道，通过Tensor Flow Lite对MNIST手写数字数据集进行辨识时，Codasip的软件可以确认处理器计算的热点，两个新的指令会被整合到核心中，帮助加速数字的辨识。同样的代码接下来使用自定义的L31核，推理时间就可以改善80%。Rupert Baines解释道，向RISC-V核中添加并使用新的指令可以变得很简单

机器学习的另一个重要问题是需要强大的图形处理单元（GPU）和神经网络加速器（NNA）。创业公司在开发新的芯片时，IP核的授权费是一个大问题。这些公司经常要从雇佣员工的资金中分出一部分用于授权费，这会影响公司的创新。RISC-V和GPU IP供应商Imagination的Open Access项目旨在改善这一点，正在成长的公司不需要支付授权费即可使用四个PowerVR Series8XE GPU和三个Series3NX NNA。项目还包含技术支持和工具，帮助企业进行芯片创新，只当产品上市时才会收取版税。

#08「对抗伪造芯片」

新冠疫情期间最大的问题就是芯片的短缺以及伪造的芯片，一些伪造品可以一眼认出，但也有许多很容易被漏过。对于电子制造服务商（EMS）而言，他们为数以千计的客户提供服务，每周会供应数以百万计的组件，自然很难仔细进行检查。创业公司Cybord开发的电子芯片分析和追溯平台旨在解决这一问题，该平台整合到生产线中，对每个组件进行拍照，并在数据库中记录其缴费编号和其他交货数据，平台接下来会用人工智能（AI）检测芯片和被动元件等组件的异常。

Cybord的首席战略官（CSO）Oshri Cohen表示，他们的平台还可以评估其他问题，像是质量欠佳的焊盘，或是同一个卷带包装中的产品有不同的日期代码，操作员可以决定是否使用这些部件。平台还会在数据库中记录每个产品上焊接有哪些组件，如果一个产品因为电容器的焊接问题而被退货，制造商可以知道这一批电路板都用了哪些电容器，如果其他电容器的焊盘也有缺陷，制造商可以召回受影响的产品，而不是大批量进行召回，这样的精确追溯能力还可以帮助减少电子垃圾。

#09「疫情期间的我们依然忙碌」

新冠疫情期间的各种限制让整个产业停滞了很久，所以今年的进展也许更像是一时的假象。不过事实是，业界确实有很多新的公司、产品和平台在用创新的方式解决问题。也许在家工作是工程师们一直想要的效率提升法！