新冠疫情為電子產(chǎn)業(yè)的工程師和高管們帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。盡管在人員、物流和供應(yīng)鏈多方面都遭遇了困難，業(yè)界的創(chuàng)新依然沒(méi)有停止。讓我們看看最新的創(chuàng)新芯片和解決方案都有哪些。近兩年間，購(gòu)買芯片是一件很困難的事情，但是從今年的貿(mào)易情況來(lái)看，全球的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)展現(xiàn)了強(qiáng)大的活力。研發(fā)新產(chǎn)品的熱情可能源自線下展會(huì)的恢復(fù)，更進(jìn)一步的分析表明，許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了真正的進(jìn)步，從小型模擬芯片到能夠改變汽車產(chǎn)業(yè)的芯片技術(shù)。

#01「 汽車的性能和安全 」

汽車產(chǎn)業(yè)的未來(lái)在于銷售有著機(jī)械外殼的軟件，這已經(jīng)是公認(rèn)的事實(shí)了。軟件定義汽車（SDV）會(huì)讓這變成現(xiàn)實(shí)，汽車在其生命周期中會(huì)不斷接受軟件升級(jí)，并實(shí)現(xiàn)新的功能。寶馬已經(jīng)開(kāi)始提供功能即服務(wù)（FaaS），在英國(guó)，座椅加熱需要按月付費(fèi)，這將大幅改變汽車電子，特別是軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

與其說(shuō)為每一個(gè)功能增加一個(gè)電子控制單元（ECU），比如升降窗，現(xiàn)在多個(gè)功能會(huì)被整合到幾個(gè)強(qiáng)大的控制器中。這些控制器由車載以太網(wǎng)相互連接，安裝在一臺(tái)在高性能計(jì)算機(jī)（HPC）的周邊。車載以太網(wǎng)就是我們熟知的以太網(wǎng)協(xié)議的單對(duì)實(shí)現(xiàn)，采取這一方式時(shí)不能犧牲汽車安全等級(jí)（ASIL）安全要求。

恩智浦先進(jìn)的S32Z和S32E實(shí)時(shí)處理器（見(jiàn)圖1）運(yùn)用多核芯片實(shí)現(xiàn)了汽車上關(guān)鍵的可確定性要求，在符合ASIL D的同時(shí)達(dá)到了前所未聞的1GHz時(shí)鐘速率。芯片上有8個(gè)Arm Cortex-R52，它們可以各自獨(dú)立運(yùn)行，也可以協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，一個(gè)Arm Cortex-M33專門(mén)進(jìn)行系統(tǒng)管理，另外兩個(gè)為CAN FD汽車通信提供加速。最后一個(gè)Arm Cortex-M7控制硬件安全引擎（HSE）的功能，HSE是一個(gè)安全系統(tǒng)的重要組成部分。

#02「 從核心到引腳的虛擬化」

片上系統(tǒng)（SoC）為了同時(shí)支持多功能，其上搭載了虛擬機(jī)監(jiān)視器，這讓SoC可以獨(dú)立運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)（通常為POSIX和AUTOSAR兼容的操作系統(tǒng)）。運(yùn)行虛擬機(jī)監(jiān)視器的處理器通過(guò)內(nèi)存管理單元（MMU）將這些OS相互分開(kāi)，并且分配硬件，比如將USB設(shè)備連接到正確的OS和分享同一個(gè)以太網(wǎng)口。不過(guò)，S32Z和S32E并不是如此。

這兩款芯片支持從核心到引腳的虛擬化，意味著OS的外設(shè)分配在硬件中實(shí)現(xiàn)，這降低了軟件開(kāi)銷，簡(jiǎn)化了分配過(guò)程，并確保一個(gè)OS上的失效不會(huì)影響另一個(gè)OS。這一特性還支持進(jìn)行通用I/O（GPIO）操作時(shí)，虛擬OS需要的寄存器引腳能夠配置成一個(gè)專門(mén)的虛擬寄存器（OS不會(huì)看到物理寄存器的全部引腳）。

圖1 恩智浦的S32系列實(shí)時(shí)處理器針對(duì)新的軟件定義汽車架構(gòu)開(kāi)發(fā)，支持從核心到引腳的虛擬化（來(lái)源：恩智浦）

現(xiàn)有的芯片基于16納米技術(shù)制造，但是Global Product and Solutions Marketing的總監(jiān)Brian Carlson認(rèn)為，未來(lái)芯片制造將會(huì)基于5納米技術(shù)。業(yè)界已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這類芯片的重要性，博世工程副總裁Axel Aue表示：“這些芯片相比嵌入式NVM MCU的性能增長(zhǎng)超過(guò)兩倍?！贝送?，恩智浦的芯片贏得了嵌入式世界（Embedded World） 2022硬件獎(jiǎng)。隨著汽車電氣化和電子化的不斷推進(jìn)，它們背后的技術(shù)值得關(guān)注。

#03「 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的單對(duì)以太網(wǎng)」

工廠中大量的線纜和連接器很明顯有改進(jìn)的空間。目前，根據(jù)不同的價(jià)格、安全要求和特定應(yīng)用的需求，市面上有著數(shù)量眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。其中的大多數(shù)不支持多點(diǎn)線路，這意味著許多線纜會(huì)直接連接到一個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）上。通過(guò)利用單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）能夠改善這一情況，SPE是在已有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)上制定的一系列擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。

直到現(xiàn)在，只有微控制器整合了和SPE相關(guān)的硬件。OnSemi的NCN26010的發(fā)布改變了這一點(diǎn)，它是一個(gè)獨(dú)立的10BASE-T1S SPE控制器，整合了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的支持。這個(gè)設(shè)備可以通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議連接到一個(gè)包含驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)微控制器/嵌入式處理器芯片上（一般運(yùn)行Linux或FreeRTOS），比如樹(shù)莓派。控制器支持最少8個(gè)25米以上距離的多點(diǎn)線路節(jié)點(diǎn)，如有需要，支持最多40個(gè)節(jié)點(diǎn)和更遠(yuǎn)的距離。

為了在有很多電氣噪聲的工廠中保持可靠性，芯片使用一系列創(chuàng)新的噪聲隔絕措施。數(shù)據(jù)鏈路層還有可選的IEEE 物理層物理層防沖突（PLCA）標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)輪詢仲裁避免沖突，能夠提高網(wǎng)絡(luò)利用率到幾乎100%。

#04「 助力物聯(lián)網(wǎng)」

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的增長(zhǎng)，我們很自然地會(huì)質(zhì)疑，只使用電池作為設(shè)備電源是否合適。位于荷蘭代爾夫特的無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)公司Nowi專門(mén)研究了這一問(wèn)題，他們最新的電源管理集成電路（PMIC）NH16D3045（代號(hào)“硅藻”）是一個(gè)面向低功耗應(yīng)用的能源收集解決方案（見(jiàn)圖2）。它能夠運(yùn)用多種電能來(lái)源（太陽(yáng)能電池板、熱電發(fā)電機(jī)和壓電器件的振動(dòng)等）向毫瓦和微瓦級(jí)設(shè)備供電，特別是智能可穿戴設(shè)備和無(wú)線傳感器。Nowi已經(jīng)搭建了多個(gè)演示原型，包括電子貨架標(biāo)簽和電視遙控器。

圖2 來(lái)自無(wú)晶圓廠創(chuàng)業(yè)公司Nowi的“硅藻”P(pán)MIC讓你可以從多種不同的電能來(lái)源中高效地收集能源

當(dāng)然，收集到的能源首先要被存儲(chǔ)起來(lái)，設(shè)備才能夠之后使用。TDK發(fā)布了新的存儲(chǔ)技術(shù)CeraCharge（見(jiàn)圖3），這一固態(tài)存儲(chǔ)解決方案運(yùn)用鋰基氧化物多層電池，將鋰鐵電池和多層電容器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。此類電池不會(huì)泄漏或者爆炸，所以即使在真空中也可以安全使用。電池大小和1812多層陶瓷電容器（MLCC）的尺寸一致，是類似的超級(jí)電容電池大小的十分之一，可以直接貼片并采用典型的回流焊法，一千次充電循環(huán)后電池還可以提供原有容量的80%。CeraCharge 1812的典型電壓為1.5V，容量為100微安時(shí)，運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度范圍為零下20到80攝氏度。電池的10C放電速率讓它可以支持藍(lán)牙低功耗（BLE）信標(biāo)。

圖3 TDK的可充電固態(tài)表面貼裝電池CeraCharge運(yùn)用了鋰基氧化物多層結(jié)構(gòu)

#05「 物聯(lián)網(wǎng)之星」

IoT的另一個(gè)挑戰(zhàn)是各種不同的技術(shù)各自為政，例如IoT平臺(tái)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)類似的問(wèn)題有10個(gè)不同的應(yīng)用。IoT Stars（物聯(lián)網(wǎng)之星）是一個(gè)旨在解決這一問(wèn)題的社交組織，在業(yè)界舉辦貿(mào)易會(huì)時(shí)他們會(huì)組織線下活動(dòng)。Lauren Slats在解釋IoT Stars的社交活動(dòng)如何幫助人們共同探索IoT產(chǎn)業(yè)的共同問(wèn)題。

IoT Stars開(kāi)發(fā)者關(guān)系部的Lauren Slats解釋道，他們?yōu)镮oT的開(kāi)發(fā)者和供應(yīng)商提供分享經(jīng)驗(yàn)的平臺(tái)，無(wú)論是低功耗設(shè)計(jì)，平臺(tái)整合，還是無(wú)線技術(shù)。本文截止時(shí)，他們的下一個(gè)活動(dòng)將會(huì)在巴塞羅那的世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC）期間舉行。

Rachel Taylor是IoT Stars社區(qū)的另一位成員，在嵌入式世界（Embedded World）期間的IoT Stars活動(dòng)中她宣布了新的創(chuàng)業(yè)公司Nubix。Rachel擔(dān)心IoT設(shè)備過(guò)于依賴于傳統(tǒng)的部署過(guò)程，而沒(méi)有充分利用云服務(wù)，其結(jié)果是空中升級(jí)（OTA）和新應(yīng)用的部署都十分困難。Nubix正在搭建一個(gè)針對(duì)邊緣應(yīng)用中Arm Cortex-M微控制器的原生應(yīng)用平臺(tái)。平臺(tái)中有一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和一個(gè)運(yùn)行時(shí)層，應(yīng)用程序在“小型的容器”中作為服務(wù)部署。當(dāng)有互聯(lián)網(wǎng)連接時(shí)，平臺(tái)的協(xié)調(diào)中心（Orchestration Hub）可以收集數(shù)據(jù)和對(duì)服務(wù)進(jìn)行升級(jí)（見(jiàn)圖4）。

圖4 Nubix希望通過(guò)協(xié)調(diào)中心和容器技術(shù)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)微控制器上IoT功能的部署（來(lái)源：Nubix）

#06「 新的閃存格式」

小型和客戶端PC在節(jié)約空間的同時(shí)，性能還足夠支持上網(wǎng)和偶爾寫(xiě)作的需要，但是它們集成到主板上的閃存實(shí)際上限制了設(shè)備的生命期，隨著OS的增大和數(shù)據(jù)的增多，最終設(shè)備上用來(lái)升級(jí)的空間會(huì)被耗盡。在未來(lái)，這也可能影響汽車和其他應(yīng)用。XFMEX-PRESS（見(jiàn)圖5）可以解決這一問(wèn)題，它是來(lái)自Kioxia的一個(gè)新的閃存格式，看上去和SD卡類似，支持PCIe和NVMe，因此接口和M.2 SSD類似。但是XFMEX-PRESS不僅僅是一個(gè)可移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備，還是可替換的。它的厚度僅為1.4毫米，可以牢靠地安裝到一個(gè)翻蓋的插座中，支持最大1024GB。為了被更廣泛地采用，這項(xiàng)技術(shù)被定義為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 Kioxia的XFMEX-PRESS是針對(duì)瘦客戶端和小型PC的可替換存儲(chǔ)設(shè)備（可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接到電路板上的閃存）

#07「 處理器設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單」

開(kāi)發(fā)RISC-V核心的好處之一是可以針對(duì)特定的算法添加自定義的指令，現(xiàn)在供應(yīng)商提供一系列支持自定義的標(biāo)準(zhǔn)核。不過(guò)，新的指令還是需要程序員用內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，當(dāng)然意味著源代碼需要改動(dòng)。Codasip于2014年成立，是一家總部在德國(guó)的公司，他們?cè)贚31嵌入式RISC-V核上演示了新指令的自動(dòng)生成。公司首席市場(chǎng)官（CMO）Rupert Baines解釋道，通過(guò)Tensor Flow Lite對(duì)MNIST手寫(xiě)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集進(jìn)行辨識(shí)時(shí)，Codasip的軟件可以確認(rèn)處理器計(jì)算的熱點(diǎn)，兩個(gè)新的指令會(huì)被整合到核心中，幫助加速數(shù)字的辨識(shí)。同樣的代碼接下來(lái)使用自定義的L31核，推理時(shí)間就可以改善80%。Rupert Baines解釋道，向RISC-V核中添加并使用新的指令可以變得很簡(jiǎn)單

機(jī)器學(xué)習(xí)的另一個(gè)重要問(wèn)題是需要強(qiáng)大的圖形處理單元（GPU）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器（NNA）。創(chuàng)業(yè)公司在開(kāi)發(fā)新的芯片時(shí)，IP核的授權(quán)費(fèi)是一個(gè)大問(wèn)題。這些公司經(jīng)常要從雇傭員工的資金中分出一部分用于授權(quán)費(fèi)，這會(huì)影響公司的創(chuàng)新。RISC-V和GPU IP供應(yīng)商Imagination的Open Access項(xiàng)目旨在改善這一點(diǎn)，正在成長(zhǎng)的公司不需要支付授權(quán)費(fèi)即可使用四個(gè)PowerVR Series8XE GPU和三個(gè)Series3NX NNA。項(xiàng)目還包含技術(shù)支持和工具，幫助企業(yè)進(jìn)行芯片創(chuàng)新，只當(dāng)產(chǎn)品上市時(shí)才會(huì)收取版稅。

#08「對(duì)抗偽造芯片」

新冠疫情期間最大的問(wèn)題就是芯片的短缺以及偽造的芯片，一些偽造品可以一眼認(rèn)出，但也有許多很容易被漏過(guò)。對(duì)于電子制造服務(wù)商（EMS）而言，他們?yōu)閿?shù)以千計(jì)的客戶提供服務(wù)，每周會(huì)供應(yīng)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的組件，自然很難仔細(xì)進(jìn)行檢查。創(chuàng)業(yè)公司Cybord開(kāi)發(fā)的電子芯片分析和追溯平臺(tái)旨在解決這一問(wèn)題，該平臺(tái)整合到生產(chǎn)線中，對(duì)每個(gè)組件進(jìn)行拍照，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄其繳費(fèi)編號(hào)和其他交貨數(shù)據(jù)，平臺(tái)接下來(lái)會(huì)用人工智能（AI）檢測(cè)芯片和被動(dòng)元件等組件的異常。

Cybord的首席戰(zhàn)略官（CSO）Oshri Cohen表示，他們的平臺(tái)還可以評(píng)估其他問(wèn)題，像是質(zhì)量欠佳的焊盤(pán)，或是同一個(gè)卷帶包裝中的產(chǎn)品有不同的日期代碼，操作員可以決定是否使用這些部件。平臺(tái)還會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄每個(gè)產(chǎn)品上焊接有哪些組件，如果一個(gè)產(chǎn)品因?yàn)殡娙萜鞯暮附訂?wèn)題而被退貨，制造商可以知道這一批電路板都用了哪些電容器，如果其他電容器的焊盤(pán)也有缺陷，制造商可以召回受影響的產(chǎn)品，而不是大批量進(jìn)行召回，這樣的精確追溯能力還可以幫助減少電子垃圾。

#09「疫情期間的我們依然忙碌」

新冠疫情期間的各種限制讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)停滯了很久，所以今年的進(jìn)展也許更像是一時(shí)的假象。不過(guò)事實(shí)是，業(yè)界確實(shí)有很多新的公司、產(chǎn)品和平臺(tái)在用創(chuàng)新的方式解決問(wèn)題。也許在家工作是工程師們一直想要的效率提升法！