全球嵌入式技术与IoT产业回顾与展望

       Review and outlook of embedded technology & IoT industry

　　作者/何小庆 嵌入式系统专家摘要：半导体公司的并购、IoT和AI热潮驱动嵌入式技术向安全、低功耗和互联的方向发展，AI和IoT 将越来越多呈现“一体化”趋势，“人工智能”逐渐向“应用智能”发展，物联网也将会向“智联网”发展。
　　关键词：嵌入式技术；物联网；人工智能；嵌入式视觉；MCU*本文来源于“嵌入式系统联谊会主题讨论会（总第23次）——物联网与人工智能时代的嵌入式系统”上何小庆老师的报告，已经过作者确认。该会议主办方：嵌入式系统联谊会，时间：2018年11月24日，地点：北京航空航天大学

       1 半导体行业的并购

       全球半导体行业的并购是从2015年开始提速，到了2016年发展到顶峰，之后逐渐回落 ^[1] 。我们看到过去几年发生了不少并购，一个就是高通（Qualcomm）收购恩智浦（NXP），因为中国商务部没有批准，最后这件事情没发生，恩智浦现在又开始独立运作了。
　　其实之前恩智浦已经把飞思卡尔（Freescale）给收购了。飞思卡尔是我们嵌入式行业一家著名半导体公司，加上原来恩智浦就已经是欧洲著名的嵌入式芯片公司，恩智浦是中国金融信息系统中的重要供应商。
　　还有一些小规模的嵌入式芯片公司的收购，或许我们没有在意，例如微芯（Microchip）收购了爱特梅尔（Atmel），这两家都是做单片机（MCU）出身的。
　　还有瑞萨（Renesas）公司，在MCU业一直名列前茅（注：在中国市场，日本公司通用MCU的市场占有率一直很低，名气也没有欧美企业大。），2016年收购了Intersil公司。Intersil是做模拟器件方面的。最近美满（Marvell）把做网络通信的芯片公司Cavium公司收购，我们知道Marvell一直要收购其他芯片公司，曾经也开出了很高的价格收购高通。最近把做网络处理器的公司收购。
　　那么，驱动并购最重要的原因是什么？就是成本不断的增加，包括人工的成本上升和由于工艺提升引起的制造成本的上升，但是芯片的价格却是越来越便宜。因为股东对于盈利的需求，给半导体企业的运营者带来很大的压力。股东和运营者希望通过并购，能够实现芯片公司更好的盈利。
　　收购一般将会花费两三年的时间才可以整合好。多数收购是积极和正面的。长远来看，并购可以帮助芯片企业在IoT和人工智能（AI）方面发展。
　　半导体公司的并购将会驱动嵌入式芯片企业向更高的性能、更安全以及更低成本的方向发展。从2018年开始，我们看到 IoT市场已经有一些性能更强、安全性和连接性更好的芯片出来，比如NXP RT系列高能MCU和 Microchip 的IoT 芯片整体解决方案。
　　半导体公司的并购还将帮助嵌入式芯片公司进入人工智能和IoT的一些垂直应用市场，例如无人驾驶，这个市场非常热；还有计算机视觉(CV)，也有人称之为嵌入式计算机视觉（Embedded Vision），这是一个更广义的人工智能应用领域，或者说人工智能让这个传统的技术再放异彩。2019年2月德国纽伦堡嵌入式世界展览和大会上有专门的Embedded Vision 专题和论坛谈论，每年5月在美国硅谷有Embedded Vision 产业联盟组织大型的技术峰会。
　　我们可以看到像三星收购HARMan，HARMan是做汽车电子的；Intel收购Mobileye进入计算机视觉。
　　也把中国一家叫深鉴科技的初创公司收购了，后者有清华大学的技术背景，专注于神经网络研究、深度压缩技术及系统级优化。ARM在大约2018年投资了一家数据分析公司，该公司支持边缘计算。目前垂直市场的容量还比较小，大家看好的是未来的发展。大的IT公司，包括谷歌、亚马逊和微软，也是在人工智能和IoT相关的领域里投资。
　　半导体公司的并购还将影响处理器架构市场，现在的情况是ARM依然独领风骚。但是RISC-V现在声名大振，中国第一代的集成电路的专家——许居衍院士，对于RISC-V非常看好 ^[2] 。IoT的需求会推动处理器架构技术的转型发展，因为 IoT系统是一种隐形的计算，即看不见的计算。这种设备不像我们的电脑和终端，你会拿在手上或者会放在桌面。在这种看不见的计算当中，不一定要使用ARM架构的处理器，可以是其他架构的处理器。虽然这些架构处理器的生态系统没有ARM 这么好，但是因为计算模式比较简单，生态环境就不是主要的问题了。而且由于这些处理器有开放的架构，他们的优势可能会呈现出来。RISC-V基金会也有300多家成员，市场非常活跃，高校拿RISC-V做教学，科技巨头纷纷宣布支持RISC-V，并且涌现出一批初创的科技公司，台湾的Andes（晶心科技）和杭州中天微（注：现在已经被阿里收购，叫平头哥）等已经支持基于RISC-V 架构芯片设计，已经有相应的IP可以授权给半导体公司。
　　2 物联网的边缘计算

       IoT后面的发展就是人们非常看好边缘计算。什么是边缘计算呢？美国韦恩州立大学施巍崧教授在《Edge Computing: Vision and Challenges》论文当中给出边缘计算的定义：边缘计算是一种可以在网络的边缘完成的计算技术，这种技术和平台在云和IoT设备之间上传和下载数据，以平衡系统的计算、实时性、功耗和安全方面的需求 ^[3] 。
　　为什么要使用边缘计算？这里有三大要素：能耗、带宽和隐私。最早去践行边缘计算的企业是美国的通用电气（GE）。GE是一家工业设备的巨头，它对边缘技术的定义是这样的：靠近数据源存在的计算基础设备，例如工业控制器和来自各种设备传感器的数据集合，这些设备通常远离云计算中心。
　　边缘计算的三大要素，第一是安全和隐私，因为有时候设备厂商不太希望把产生的设计数据放到云端。第二是能耗，如果我们使用神经网络（CNN）的深度学习(Deep Learning)的AI方法，如果将数据训练和模型推理都在云端服务器上完成，无论算得如何快，都将导致在云端和设备端直接、大量和反复地传递数据，这样消费的能耗和带宽都将是巨大的，而且传输中的数据延迟可能会造成系统实时性降低。如果我们将数据训练和模型推理放在物联网的边缘，实时性或许可以解决，但是在设备端，无论算力和能耗都是无法承受的。要想满足这三大要素，边缘计算将是比较好的解决方案，即将数据训练继续放在云端，模型推理放在边缘计算端，这样可以平衡实时性、安全隐私和能耗的需求。
　　传统的嵌入式企业，像恩智浦（NXP）是边缘计算的积极倡导者，研华公司也是早期就做边缘计算设备的企业。需要指出的是，边缘计算设备一般会安装在系统传感和执行端，多数边缘计算设备是嵌入式系统。从物联网系统角度看，边缘计算设备是整个物联网系统的一个组成部分，不能单独存在，需要云计算和人工智能技术的支撑和服务。边缘计算技术的研究和产品开发目前处在初期阶段，云计算、通信设备和嵌入式企业非常关注，物联网的高速发展是边缘计算兴起的最大推手。
　　物联网发展大致分成两个时期，第一个时期是从互联走向智能，第二个时期从智能走向自治。目前大多数物联网项目还是处于第一个时期，正进入第二个时期，边缘计算将发挥重要作用，边缘计算也将迎来快速发展的时期，人工智能正向边缘和终端侧延展，嵌入式人工智能时代将要来到。
　　3 物联网云平台

       IoT云平台就是物联网的云端，我们称之为IoT云。过去几年，IoT的云平台发展得比较顺利，趋于成熟。云计算可分为软件即服务（SaaS），平台即服务（PaaS）和基础架构即服务（IaaS）。IoT云平台符合PaaS的定义。IoT借助云计算的快速发展。目前来看，IoT的云平台方面，各个IT大佬在跑马圈地，我们可以看到国内和国际的IT企业都在做这件事情，以前我们会看到一些在美国和中国的创业公司专门做IoT云，像广州机智云，但现在还继续在做IoT云的创业公司已经很少了。
　　现在IT大佬已经把触角往下探了，他们甚至去投资一些IoT芯片和模组的公司，还有物联网操作系统（IoTOS），例如阿里已经投资到IoT OS，产品是，阿里希望阿里云能够通过互联网联通到模组和传感器，能够把客户的数据拿到。客户可以注册一下，诸如百度云、阿里云或者亚马逊云，刚开始可能半年或者一年，或者用户的节点很少的时候，全部是免费。只有当这位用户的数据量上来之后，才有收费的模式。所以这个领域在跑马圈地，真正大数据的经济效益还在后面。
　　4 物联网操作系统

       嵌入式操作系统未来趋势就是向IoT OS发展。
　　2017年，笔者在《嵌入式操作系统风云录：历史的演进与物联网未来》一书中，把这段历史作了比较详尽的描述，其中嵌入式操作系统和IoT OS衔接最紧密的是实时多任务的操作系统（RTOS）和开源的Linux ^[4] 。
　　过去几年 IoT 成为重要风口，众多国内外科技巨头以及中小企业开展了在 IoT 方面的布局，阿里云称IoT 是其第五赛道，以阿里云为支撑，在端侧有，在其上阿里有物联网市场和一站式开发平台，再上面就是包括消费和行业应用。华为布局AIoT, 推出标准协议。在端侧，华为有Huawei LiteOS，端云结合是通过OceanConnect，它是华为云推出的IoT联接管理平台。行业应用上，华为重点推广NB-IoT。
　　亚马逊推出Amazon FreeRTOS ，借助嵌入式系统最具影响力的RTOS- FreeRTOS，亚马逊扩展其在物联网系统中的市场地位，借助AWS IoT云和边缘计算技术，为开发者提供一站式解决方案 ^[5] 。
　　微软在物联网设备端布置Azure Sphere OS，可以运行在MCU上，边缘侧微软有Azure IoT Edge，可以运行在Linux 和Windows 系统，在云端微软有，负责对IoT设备进行安全管理和维护。
　　是最早推出的IoT OS，在行业具有标杆作用。2018年ARM 推出ARM Pelion IoT Platform，提供端-端IoT 安全解决方案。据悉Pelion计划在2019年在中国落地 ^[6] 。

       5 物联网通讯技术

       我们看一下物联网的通讯技术，这几年有许多新的发展。
　　第一个就是蓝牙5.0。蓝牙是一个古老的点到点近场通讯技术，到了蓝牙5.0之后，蓝牙技术真正进入了物联网时代，许多智能家居应用可以使用蓝牙5.0技术了。
　　第二就是NB-loT，是4G网络到5G发展之后出现的一个分支——一个分支走向高速高带宽、另一个分支走向低速低功耗。NB-IoT技术目前发展得也非常快，特别是在中国，中国电信、中国移动和中国联通目前在主要的城市都有网络的布置，包括水、电和气在内的公共服务和其他应用正在实施之中。5G应该能够推动两大应用领域的发展，第一个是无人驾驶。如果没有5G，无人驾驶基本上不太可能。例如一辆无人驾驶车在道路上高速行驶，突然遇到行人冲到主路，这时系统需要在很短时间内做出识别并刹车动作，如果没有5G的网络，无人驾驶就连基本安全保障也很难做到，一直会属于实验室，或者某个园区里面实验产品。
　　另外一个5G的重要应用场景就是AR（增强现实）
　　和VR（虚拟现实）。AR在设备维护等行业应用中，现在4G的带宽对智能AR眼镜功耗和延迟都是太大，智能眼镜因为尺寸限制，只能放一个很小的电池，延迟大造成专家远程指导效果失真，直接造成重大经济损失。
　　6 物联网安全

       2016年10月21日，北美地区若干重要网站无法正常访问，包括twitter、paypal、github等。本次安全事件是由于美国知名网络域名服务提供商Dyn遭受到强力的DDoS攻击所致。Flashpoint公司已经确认Mirai僵尸网络参与了该DDoS攻击。Mirai是一种主要感染IoT设备的僵尸程序，该僵尸程序在源码公开后，被黑客快速利用并扩散形成了大量的僵尸网络。
　　全球已有130万台以上的监控探头和摄像机等物联网（IoT）设备感染了Mirai病毒。Mirai之后，大家才开始认为物联网安全确实已经刻不容缓。IoT安全漏洞的案例很多，小到玩具，大到工业设备都面临了IoT安全隐患。
　　从2015年开始，笔者一直主持上海一个嵌入式系统安全论坛。笔者有一个感受，就是IoT安全不好做，如果只是一家公司则做不了安全，IoT安全需要整个产业链，需要从芯片到云端的整体解决方案，即大家一起来打造安全，甚至包括开发者和维护人员都要有这种安全的意识，才能使整个设备和系统安全。
　　另外一个关键的点是未来的物联网只有设备本身的功能安全（Safety）还不够，信息安全（Security）讲得也不够。这两个安全现在目前的看法就是要融合在一起。最近有一个新的工业信息安全的标准(IEC62443)，西门子已经刚刚通过了TUV组织的认证。IEC62443把两个安全标准融合在一起，作为一个实施准则来做，现在看 IoT的安全任重道远，甚至可能是一个最后要攻下的堡垒，最难做的一件事情。
　　7 结论

       未来嵌入式技术三大方向，第一个是万物互联；第二个是绿色环保，即低功耗；最后一个就是嵌入式系统安全，安全一定是功能安全和信息安全的融合。未来物联网产业发展中，AI和IoT 将越来越多呈现“一体化”
　　趋势，“人工智能”逐渐向“应用智能”发展，物联网也将会向“智联网”发展。

　　参考文献

       [1]刘庆.2018年中期的MCU市场状况和展望.电子产品世界

       [2]何小庆,胡晓柏.嵌入式系统联谊会十周年会刊

       [3]施巍松.边缘计算[M].北京：科学出版社

       [4]何小庆.嵌入式操作系统风云录[M].北京：机械工业出版社

       [5]何小庆.谈谈F reeRTOS及其授权方式[J].单片机与嵌入式系统应用

       [6]何小庆.物联网操作系统研究与思考[J].电子产品世界

       作者简介：

       何小庆，著名的嵌入式系统专家，麦克泰软件公司创始人，《单片机与嵌入式系统应用》编委会副主任。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第7页，欢迎您写论文时引用，并注明出处