物聯(lián)網(wǎng)引爆大量需求，芯片商攻嵌入式處理/安全方案

　　嵌入式處理與安全晶片炙手可熱。智慧家庭/城市、車聯(lián)網(wǎng)、穿戴電子等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用火熱發(fā)展，帶動嵌入式處理器和安全晶片龐大需求，因而吸引半導(dǎo)體廠商加緊研發(fā)新一代方案，以滿足系統(tǒng)廠提升處理效率、安全性，并降低整體功耗的多重需求。

　　嵌入式處理/安全技術(shù)導(dǎo)入需求急速增溫。近年整個電子科技產(chǎn)業(yè)圍繞著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)氛圍，從前不須涉獵聯(lián)網(wǎng)、感測和嵌入式安全應(yīng)用，對功耗要求也沒那么嚴(yán)格的汽車、家電或工業(yè)設(shè)備等系統(tǒng)開發(fā)商，亦受到這股風(fēng)潮的感染，開始擴(kuò)大尋求低功耗嵌入式處理、系統(tǒng)級資訊安全技術(shù)，并將其視為進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的必備要素，因而吸引半導(dǎo)體供應(yīng)商競相布局相關(guān)解決方案。

　　安謀國際(ARM)投資人關(guān)系副總裁Ian Thornton表示，今年初國際消費(fèi)性電子展(CES)、全球行動通訊大會(MWC)兩大展會皆聚焦物聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)引電子科技產(chǎn)業(yè)及相關(guān)半導(dǎo)體供應(yīng)商技術(shù)發(fā)展風(fēng)向;根據(jù)品牌業(yè)者和晶片商的發(fā)展腳步，預(yù)估2015年智慧家庭、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化和穿戴式電子(圖1)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)將全面起飛，并將于未來幾年維持高速成長。

　　圖1 穿戴電子以腕帶式裝置成長最為亮眼，2015～2019年出貨量可望翻倍。 資料來源：Gartner

　　Thornton進(jìn)一步指出，ARM處理器核心在2014年的總出貨量達(dá)到六十四億顆，其中運(yùn)用在家庭，以及工業(yè)、車用等嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的比重高達(dá)39%，已相當(dāng)接近行動裝置市場的45%水準(zhǔn)，足見物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展已帶動龐大的嵌入式處理器導(dǎo)入需求(圖2)，因此ARM也持續(xù)拓展Cortex-M/R系列的微控制器(MCU)及數(shù)位訊號處理器(DSP)核心陣容，以提供業(yè)界更完整的設(shè)計(jì)支援。

　　圖2 智慧嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)無所不在，至2020年將帶動250億美元產(chǎn)值。

　　全面鎖定物聯(lián)網(wǎng)　高效/省電MCU競出籠

　　事實(shí)上，意法半導(dǎo)體(ST)、恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)、飛思卡爾(Freescale)、瑞薩電子(Renesas Electronics)和芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)等MCU大廠皆嗅到物聯(lián)網(wǎng)商機(jī)，持續(xù)增加32位元低功耗Cortex-M0/M0+，或較高效能但仍兼顧電源效率的Cortex-M3、M4和M7核心的MCU產(chǎn)品線，積極圈地市場。

　　其中，意法半導(dǎo)體針對效能、安全性和記憶體容量需求較高的高端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，已率先發(fā)布Cortex-M7 MCU;另一方面，恩智浦則祭出MCU混搭核心設(shè)計(jì)，透過整合高效能Cortex-M4F和低功耗Cortex-M0+方案，打造適用于行動裝置、穿戴式電子的感測器中樞(Sensor Hub)，以大幅提高系統(tǒng)電源效率。

　　無獨(dú)有偶，德州儀器也主打功耗及效能均衡設(shè)計(jì)，近期推出新一代結(jié)合Cortex-M4F、DSP引擎的高性能32位元MCU，并在晶片內(nèi)導(dǎo)入直接記憶體存取(DMA)、唯讀記憶體編碼(ROM Code)，以及將驅(qū)動程式內(nèi)建在ROM的DriverLib in ROM等省電機(jī)制，以減輕CPU搬移資料的功耗負(fù)擔(dān)。

　　圖3　TI臺灣業(yè)務(wù)與應(yīng)用事業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用工程師總監(jiān)詹勛琪認(rèn)為，工業(yè)、醫(yī)療MCU亦逐漸興起高可靠度FRAM導(dǎo)入需求。

　　德州儀器臺灣業(yè)務(wù)與應(yīng)用事業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用工程師總監(jiān)詹勛琪(圖3)表示，大部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)皆須兼顧效能與功耗，包括大量感測器鏈結(jié)、人機(jī)介面、嵌入式安全管理及影像相關(guān)應(yīng)用，因此該公司近年集中火力發(fā)展32位元高效能MCU，并運(yùn)用自身在類比制程、訊號鏈設(shè)計(jì)方面的深厚經(jīng)驗(yàn)，大幅降低晶片整體耗電量。

　　詹勛琪進(jìn)一步指出，以該公司最新Cortex-M4F MCU為例，其啟動功耗和待機(jī)功耗分別只有95微安培(μA)/MHz和850奈安培，每瓦效能甚至超越以低功耗著稱的Cortex-M0+方案;個中設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于整合高速14位元1MSPS類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)、線性穩(wěn)壓器(LDO)等類比元件(圖4)，同時(shí)可運(yùn)作于1.6-3.7伏特(V)的寬電壓范圍，進(jìn)一步優(yōu)化功效和效能，有助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員改善工業(yè)/建筑自動化、工業(yè)感測、安防控制臺、資產(chǎn)追蹤和智慧手表等設(shè)計(jì)的效能與電源效率。

　　圖4 德州儀器最新Cortex-M4F MCU架構(gòu)圖 資料來源：TI官方網(wǎng)站

　　此外，詹勛琪提到，對MCU和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)商而言，嵌入式安全解決方案的重要性正與日俱增，因此德州儀器也在新款MCU中引入IP保護(hù)功能、進(jìn)階加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)256硬體加密加速器，可確保資料和程式碼安全性讓開發(fā)人員能妥善保護(hù)晶片和系統(tǒng)內(nèi)部資料。

　　破除物聯(lián)網(wǎng)資安疑慮　嵌入式安全設(shè)計(jì)需求紅

　　圖5 ARM應(yīng)用工程經(jīng)理徐達(dá)勇提到，未來ARM將針對多系列處器核心發(fā)布安全文件集。

　　ARM應(yīng)用工程經(jīng)理徐達(dá)勇(圖5)表示，隨著智慧汽車內(nèi)部電子零組件數(shù)量不斷翻升，車廠和一級(Tier 1)供應(yīng)商對系統(tǒng)功能性安全和可靠度要求更是滴水不漏;尤其高階車款內(nèi)建聯(lián)網(wǎng)、感測器、控制器和電源管理晶片數(shù)量平均已達(dá)近兩百顆(圖6)，如何達(dá)成冗余設(shè)計(jì)、保障資料安全且不影響既有機(jī)械式系統(tǒng)的運(yùn)作，已成為相關(guān)業(yè)者最重要的課題。

　　不僅汽車對嵌入式功能安全趨之若鶩，醫(yī)療、工業(yè)設(shè)備等與個人或商業(yè)機(jī)密資料相關(guān)的應(yīng)用亦然，因此ARM已在今年初針對Cortex-R5處理器核心發(fā)布一套全方位安全文件集，以推動各領(lǐng)域的嵌入式安全設(shè)計(jì)加速成形，讓晶片商和系統(tǒng)廠得以最具成本效益的方式部署先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。徐達(dá)勇指出，由Cortex-R5打頭陣后，ARM將持續(xù)為其他Cortex系列處理器核心量身打造安全文件，幫助半導(dǎo)體廠商開拓汽車、醫(yī)療和工業(yè)市場版圖。

　　圖6 汽車電子控制單元分布及控制元件需求

　　事實(shí)上，在IEC 61508、ISO 26262的嚴(yán)密規(guī)范下，功能性安全已是晶片業(yè)者進(jìn)軍汽車、工業(yè)市場必備的入場券。對此，ARM提供Cortex-R5處理器，并新增通用安全文件，工程師將可取得更多功能安全必要資訊，以加速開發(fā)安全系數(shù)較高的汽車動力總成(Powertrain)控制系統(tǒng)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)或工業(yè)自動化解決方案。

　　圖7 飛思卡爾亞太區(qū)行銷總監(jiān)曹躍瀧指出，Thread聯(lián)盟全方位研擬系統(tǒng)、無線傳輸和嵌入式安全設(shè)計(jì)，有助推動智慧家庭。

　　現(xiàn)階段，ARM處理器核心內(nèi)建編譯器亦已通過TUV SUD認(rèn)證，有助軟體開發(fā)商更快達(dá)到IEC 61508 SIL 3、ISO 26262 ASIL D的最高規(guī)格要求。

　　徐達(dá)勇更透露，下一階段，該公司也計(jì)畫將Cortex-A高階處理器核心中的記憶體管理單元(MMU)，引進(jìn)Cortex-R系列核心設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更多元行動和嵌入式作業(yè)系統(tǒng)支援能力。

　　飛思卡爾亞太區(qū)行銷總監(jiān)曹躍瀧(圖7)強(qiáng)調(diào)，物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)展，各種電子裝置未來都將具備專屬的IP位址，這看似美好的愿景卻暗藏許多隱密資料外泄或駭客入侵等問題。過去聯(lián)網(wǎng)裝置應(yīng)用領(lǐng)域集中，系統(tǒng)廠僅以軟體負(fù)責(zé)網(wǎng)路安全的概念，在萬物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代將愈來愈行不通。

　　物聯(lián)網(wǎng)嵌入式安全邁向系統(tǒng)級設(shè)計(jì)

　　以阿里巴巴、百度等網(wǎng)路公司為例，其近期皆設(shè)立硬體部門，目的就是在聯(lián)網(wǎng)裝置類型更加發(fā)散、數(shù)量遽增之際，掌握關(guān)鍵嵌入式安全硬體技術(shù)，以確保每一個可連上后端網(wǎng)路的路徑，不會成為駭客能輕易發(fā)動攻擊的盲點(diǎn)。

　　據(jù)國際市場研究機(jī)構(gòu)顧能(Gartner)報(bào)告，2015年連上網(wǎng)路的裝置將達(dá)到四十九億部，比2014年大幅增加三成，而這個數(shù)字到2020年時(shí)更將增加到兩百五十億。該分析機(jī)構(gòu)同時(shí)預(yù)測，到2017年時(shí)，有五成的物聯(lián)網(wǎng)解決方案將來自創(chuàng)辦時(shí)間少于3年的初創(chuàng)企業(yè)，這些新興系統(tǒng)也形成資安隱憂?；萜?HP)報(bào)告即指出，目前多達(dá)七成的物聯(lián)網(wǎng)裝置都是以未經(jīng)加密的網(wǎng)路服務(wù)來傳輸資料。

　　曹躍瀧分析，大部分物聯(lián)網(wǎng)裝置新創(chuàng)公司都是從消費(fèi)性電子領(lǐng)域切入，不容易在短時(shí)間內(nèi)掌握汽車、工業(yè)和醫(yī)療等高層級的功能安全設(shè)計(jì)知識，這在未來機(jī)器對機(jī)器(M2M)、裝置對裝置(D2D)的全面互連環(huán)境中，無疑埋下了許多資安未爆彈，因此，業(yè)界亟須發(fā)展出涵蓋軟硬體元件的系統(tǒng)級嵌入式安全方案，以便補(bǔ)強(qiáng)各個物聯(lián)網(wǎng)接取點(diǎn)的安全性。

　　為此，飛思卡爾近期宣布多項(xiàng)重大計(jì)畫，積極推動系統(tǒng)級嵌入式安全標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品。曹躍瀧提到，該公司已與嵌入式微控制器評估協(xié)會(EEMBC)合作，將探索嵌入式系統(tǒng)的重大安全缺失，以建立基本指引，協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)者及代工廠商在制造階段就能有效防堵許多資安漏洞。該協(xié)會將在5月召開開發(fā)人員大會，提出更進(jìn)一步的安全規(guī)范。

　　此外，飛思卡爾也搶先業(yè)界建立安全實(shí)驗(yàn)室，發(fā)展從云端、網(wǎng)路傳輸?shù)蕉它c(diǎn)的整體性安全技術(shù)，同時(shí)針對Start-up合作夥伴開設(shè)專門的IoT安全實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)課程。曹躍瀧表示，該公司針對智慧汽車應(yīng)用產(chǎn)品，已支援硬體安全模組(HSM)、安全硬體擴(kuò)展(SHE)等車用標(biāo)準(zhǔn);在工業(yè)、智慧家庭領(lǐng)域則分別加入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)和Thread聯(lián)盟，成為業(yè)界唯一跨足多重安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體廠商，將能加速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級嵌入式安全方案。