無線物聯網對元器件帶來哪些挑戰

1 物聯網存在廣泛的無線連接方案

Silicon Labs（ 亦稱“ 芯科科技”）作為一家專注于物聯網的企業，擁有業界全面的無線產品組合，支持多樣化的無線通信協議，包括藍牙、Matter、專有協議、Thread、Wi-SUN、Wi-Fi、Zigbee 和Z-Wave 等。

Daniel Cooley(芯科科技 首席技術官兼技術與產品開發高級副總裁)

不同的物聯網無線技術有著各自的特性，可應用于不同的垂直領域。智能家居、智慧城市、互聯健康、工業和商業物聯網等都是芯科科技重點關注的應用領域，芯科科技也針對這些領域推出了多種全新的產品和解決方案，以滿足不同的應用需求。

在智能家居領域，Matter 作為應用層協議出現，為智能家居設備提供了一種通用語言。芯科科技以2.4 GHz 無線MG24 SoC 為核心的Matter 開發平臺可支持低功耗藍牙（BLE）、Wi-Fi 和Thread。同時，面向Matter 的Unify SDK 軟件開發平臺則為開發人員提供了將Matter 橋接到其他物聯網平臺（包括Zigbee和Z-Wave）所需的環境和工具。這些硬軟件開發平臺將推動智能家居技術進步，進而徹底改變智能家居體驗。除了智能家居，MG24 及其一同推出的BG24 也可用于互聯健康領域。此外，2023 年3 月，芯科科技還推出了專為極小尺寸物聯網設備而設計的BG27 和MG27SoC，這對極小的電池優化型互聯醫療設備、可穿戴醫療設備而言，是非常理想的選擇。

面向智慧城市、智慧農業、工業物聯網等距離覆蓋應用場景，Sub-GHz 無線技術非常重要且應用廣泛，這包括Wi-SUN 等行業標準，Amazon Sidewalk 這樣的服務商協議，以及專有協議。芯科科技在這方面可以提供完整的解決方案，包括專為Wi-SUN 和專有協議設計的旗艦版FG25 SoC，以及同時支持Amazon Sidewalk、Wi-SUN 和專有協議的全新雙頻FG28 SoC。

2 無線元器件的挑戰

看看今天的物聯網，我們已經安裝了350~400 億臺設備，而且這個數字還在快速增長中。據估計，當前物聯網設備在我們的工廠、工作場所、家庭、辦公室、城市、醫療設施等場景中產生了（5.5~12.6）萬億美元的影響。在這些終端產品上傳輸的數據將帶來更高的安全性、效率和生產力，而推動這一增長的芯片將需要更多的無線、安全、計算/ 機器學習和軟件能力。

在物聯網的發展中，無線技術的持續演進與創新無疑是最為重要的。當前，存在著種類繁多的無線技術和協議，沒有哪種技術是可以滿足所有應用的。所以，一方面要通過Matter 這樣跨多種底層技術的應用層協議去實現生態的融合；另一方面，也要通過分析各種應用場景的需求，掌握各種無線協議的優勢，來定義不同的芯片功能，進而滿足不同應用、不同無線連接的差異化需求。

此外，在物聯網對無線性能的要求方面還存在很多具體的挑戰，例如，如何兼顧高性能和低成本，如何滿足市場對更低功耗和高吞吐量的需求，以及更長傳輸距離和更大網絡覆蓋范圍的挑戰，等等。

安全性是嵌入式設備面臨的一項重要挑戰，其中的芯片自然也是如此。芯片必須是安全的，能夠防止物理攻擊，這樣攻擊者就無法讀取芯片內的數據，或者篡改它。此外，我們還需要一種芯片安全連接到云的方法，使用經過審查的協議，使用密鑰交換認證和加密等技術。

邊緣的預測性人工智能（AI）和機器學習（ML）也是當前需要著重關注的。邊緣設備是成就AI 的無名英雄（如收集大量數據的傳感器）。ML 則拓展了智能機器在能源、農業、醫療保健、工業自動化等行業的應用可能性。隨著ML 應用理念的發展，在物聯網邊緣實現ML 的芯片技術和工具也在不斷發展。

未來，物聯網面臨的許多挑戰都是關于軟件的，而不僅是硬件。軟件涉及很多方面，包括帶有多種開發工具的集成開發環境（IDE）、軟件開發套件（SDK）、實時操作系統（RTOS）、軟件堆棧和代碼示例等等。在物聯網開發中，軟件與硬件同樣重要，只有形成良好的硬軟件協同，才能打造出功能強大的物聯網設備。

3 芯科科技的解決方案

芯科科技作為物聯網領域的全球領導廠商，在面臨上述挑戰時，無論是發展理念、技術創新、產品演進，都始終走在時代前沿，開發并推出了引領行業的解決方案。

●   無線技術能力

在無線技術方面，芯科科技很早就開始走平臺化路從第一代無線開發平臺，到目前的第二代平臺，再到2023 年Works With 大會上發布的第三代平臺，芯科科技在同一個平臺上實現了對藍牙、Wi-Fi、Thread、Zigbee、Z-Wave、專有協議等多種無線協議的廣泛支持；同時，針對一些應用場景的需求，在芯片上實現了多協議功能或雙頻功能，具備了廣泛的無線協議覆蓋能力。在無線生態方面，芯科科技也與亞馬遜、谷歌、蘋果、三星等伙伴展開持久、深入的合作，可以針對Matter、Wi-SUN、Amazon Sidewalk 等行業標準或服務商協議提供全面的支持。

例如，面向智能家居、智慧零售、工業物聯網、互聯健康等多種應用的芯科科技MG24 SoC 支持多協議操作，可作為單芯片解決方案實現Matter over Thread，在室內提供長達200 米的遠距離傳輸，并支持使用同一芯片的新設備進行低功耗藍牙調試。再比如，芯科科技在2023 年6 月推出的包括Sub-GHz 和2.4 GHz 低功耗藍牙射頻的全新雙頻FG28 SoC，專為Amazon Sidewalk、Wi-SUN 和其他專有協議等遠距離廣覆蓋網絡和協議而設計，支持在智慧農業、智慧城市和社區網絡中使用全新的邊緣應用。

針對前面提到的無線性能方面的很多具體挑戰，芯科科技也通過前瞻性的布局和產品的持續創新實現了有效應對。

就兼顧高性能和低成本而言，在最近舉行的芯科科技第四屆Works With 開發者大會上，芯科科技介紹了自己的下一代暨第三代無線開發平臺，第三代平臺的設備將向22 納米工藝節點遷移，從而在進一步控制成本的基礎上，提供業界領先的計算能力、無線性能和能源效率。

在滿足市場對更低功耗和高吞吐量的需求上，芯科科技也推出了SiWx917 Wi-Fi 6 和低功耗藍牙SoC，可從根本上降低Wi-Fi 物聯網網絡的功耗，同時可在擁擠的網絡環境中實現更高的帶寬和更高的網絡效率，從而實現更快、更穩定的網絡覆蓋。

針對低功耗和小尺寸需求，芯科科技于2023 年3月發布了用于藍牙連接的BG27 和支持Zigbee 及其他專有協議的MG27，它們是專為極小型物聯網設備設計的產品，可以簡化開發人員的開發流程，同時確保極小型設備的低功耗和小尺寸要求，目前已經有廠商利用BG27 開發了比牙齒還小的、可置入口腔的連續唾液健康監測儀，用以改善口腔和全身健康。

面對更長傳輸距離、更大網絡覆蓋范圍方面的挑戰，除了上述的FG28 雙頻SoC，芯科科技還在WorksWith 大會期間發布了專為Amazon Sidewalk 優化的全新SG23 和SG28 SoC，其中SG28 雙頻器件支持Sub-GHzFSK 和低功耗藍牙射頻，可以幫助設備制造商簡化設備并降低成本，而SG23 則可為長距離終端節點設備提供安全性和強大的sub-GHz 鏈路預算。

●   安全能力

物聯網安全一直是芯科科技高度關注并持續發力的重要方向。我們為此提供了更完善的安全手段，同時也支持用戶采用更加多元化手段來保護其信息和網絡，如Matter 和其他先進無線通信協議中的信息安全措施。在2021 年，芯科科技Secure Vault 物聯網安全解決方案率先獲得全球PSA 3 級認證，其可以提供經過驗證的PSA 信任根，以及針對各種復雜軟硬件攻擊的強大防護方案。Secure Vault 符合PSA 3 級認證所定義的嚴格的安全軟件和物理不可克隆功能（PUF）硬件要求，從而大幅降低物聯網生態系統安全漏洞所帶來的風險，并減輕了知識產權方面的損害或者假冒產品造成的收入損失。

●   計算/ 機器學習能力

在計算/ 機器學習方面， 芯科科技的BG24 和MG24 SoC 作為率先擁有內置專用人工智能/ 機器學習（AI/ML）加速器的超低功耗器件，能夠快速高效地處理復雜計算，內部測試顯示其性能提升最高達4 倍，能效提升最多達6 倍。同時，機器學習計算是在本地設備上而不是在云端進行，因此消除了網絡延遲，加快了決策和行動。

此外，最新的FG28 SoC 也內置了可用于ML 推理的內置AI/ML 加速器，支持通過ML 推理在邊緣設備上實現預測性維護警告，監測濕度和pH 值等土壤狀況關鍵條件。

●   軟件能力

在軟件方面，芯科科技持續創新自己的Simplicity Studio 集成開發環境（IDE），它可以提供對特定目標設備的Web 和SDK 資源的訪問，軟件和硬件配置工具，以及行業標準的代碼編輯器、編譯器和調試器。無論開發人員的經驗如何，Simplicity Studio 都能幫助他們優化工作流程、加快項目進度、實現設備配置和應用程序優化。

當前版本的Simplicity Studio 5 基于Eclipse 和C/C++ 開發工具（CDT）構建，增強了穩健性，提高了性能，同時支持芯科科技的Secure Vault 先進安全套件。在Works With 大會上介紹的Simplicity Studio 6 則是芯科科技的下一代IDE，該新版本最大且最具影響力的變化就是實現了IDE 的解耦，開發人員可以直接利用芯科科技所提供版本中的優化能力、開發工具和各項功能，也可以通過集成和擴展功能將他們喜歡的工具帶入Simplicity Studio。

芯科科技在軟件方面的另一項優勢是可以提供一套完整的針對各種物聯網無線協議的SDK。2023 年6 月，芯科科技推出了其Gecko 軟件開發套件（GSDK）的最新版本v4.3，面向藍牙、Matter、OpenThread、專有協議、Wi-SUN、Zigbee、Z-Wave 和無線多協議的開發需求新增了多項功能與特性。此外，芯科科技還針對物聯網應用開發提供多種實用的開發工具，例如Works With大會上推出的為Amazon Sidewalk 開發提供逐步指導和專家建議的一站式開發人員之旅（Developer Journey）工具等等。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年9月期）