物联网半导体设计和技术十大趋势

发布时间：2023-09-14

《2023年物联网芯片组和物联网模块趋势报告》中的10个趋势，展示了物联网采用者的需求以及半导体OEM/ODM如何满足这些需求。

为什么这很重要？

对于物联网供应商而言：在高度动态的市场中，物联网芯片企业必须保持领先地位，以继续保持领先地位，例如，实现更小、更高效、更强大的物联网设备。

对于物联网设备/设备制造商而言：物联网芯片创新不仅会带来新的市场机会，例如人工智能、新的连接性和更高的能效，还会带来需要缓解的新挑战。

物联网半导体技术在复杂的半导体市场环境中不断发展

尽管贸易紧张局势持续、经济增长缓慢和芯片短缺，但半导体市场从2023年第一季度到2023年第二季度出现了微妙的复苏迹象。23年第二季度是自21年第四季度以来的首次积极变化，市场环比增长4.2%。

目前，许多总体趋势正在推动市场回升，包括：

● 对人工智能芯片组的需求不断增长

● 需要更强大的、甚至是全球性的模块化和可扩展的物联网连接

● 希望将数据分析和存储移至更靠近边缘的位置

● 推动更小芯片设计和高效冷却

在这个复杂的市场中，近年来主要半导体企业的物联网收入份额普遍上升，对于许多大型芯片企业来说，目前已经超过其收入的10%，在某些情况下甚至超过了20%。

最新的《2023年物联网芯片组和物联网模块趋势报告》，提供了在当前市场环境中可以观察到的各个物联网趋势的大量示例。虽然我们无法在一篇文章中涵盖所有这些趋势，但我们将在这里展示报告中的54个物联网半导体趋势中的10个，以及每个趋势的示例。

1.基于芯片的物联网设备架构的使用

半导体芯片OEM/ODM正在采用基于小芯片的架构。小芯片是一种设计概念，它允许在单个封装中使用具有不同工艺节点尺寸的多个芯片。这种设计允许快速原型设计和更短的上市时间，所有这些都降低了生产成本。小芯片是具有不同复杂性的物联网设备的理想选择，从一次性RFID标签到集成传感器、人工智能芯片、处理、内存和连接的高级驾驶辅助系统。

2022年11月，AMD推出了RadeonRX7900XTX和RadeonRX7900XT显卡。这些尖端卡采用AMD的下一代RDNA3架构，采用集成5nm和6nm工艺节点的芯片设计，每瓦性能比RDNA2提高54%，人工智能性能提高2.7倍。

2.物联网芯片设计中越来越多地采用RISC-V

许多物联网设备企业在设计芯片时，都转向开放标准指令集架构RISC-V。RISC-V具有高能效和可定制性，并且由于其透明、开源特性和ISA合规性而被认为是安全的。其模块化设计可实现高效的资源利用，这对于不同的物联网部署而言具有成本效益。

例子：

2023年8月4日，一批主要半导体行业参与者联手投资一家新企业，旨在促进RISC-V架构的采用。其目的是加快基于RISC-V的创新产品的开发和商业化，它将成为可用于半导体行业的基于RISC-V的产品、参考架构和解决方案的单一来源。

3.将冷却技术整合到芯片/PCB设计中，用于更小的节点芯片

缩小芯片尺寸是一个大趋势，目标是尺寸小到3nm和2nm，预计这一趋势将推动物联网和通用人工智能芯片的发展。这一趋势带来了三个明显的问题：

更高的功率密度：更小、更先进的芯片具有更高的功率密度，并且由于在更小的区域中增加了电路而产生更多的热量。

减少散热表面积：较小的外形尺寸通常意味着可用于散热的表面积较少，从而使有效散热变得更具挑战性。

热阻：较小的外形尺寸也会导致芯片本身的热阻较高。随着芯片缩小，热量传播和消散的空间就会减少，从而导致热阻增加。

为了缓解这些挑战，半导体企业正在开发和采用多种冷却技术，来管理和帮助散发运行期间产生的热量，包括：散热器、风扇和鼓风机、液体冷却、均温板、相变冷却和热电冷却。

例子：

在其iEP-5000G系列工业物联网控制器中，Asrock采用铜热管来解决散热问题。热管是嵌入在PCB下面的管状装置，在温度超过要求极限的PCB区域周围循环。Asrock包括iEP-5000G的外壳上的散热片和内部热管。

4.物联网处理器创新着眼于节能的未来

随着处理器性能、连接性和紧凑性的进步，对能源效率的需求也在不断提高。由于这种需求，基于mcu的超低功耗soc正在上升。企业正在利用创新的节能方法来延长电池寿命并优化性能。

例子：

2023年3月，意法半导体发布了STM32WBA52，它将蓝牙LE(BLE)5.3连接与超低功耗模式、ARMPSA认证的3级和SESIP3安全性，以及为开发人员提供的广泛外设选择相结合。它由一个运行在100兆赫的ARMCortex-M33内核增强，以获得额外的计算能力。STM32WBA52mcu具有意法半导体的低功耗DMA和灵活的省电状态，具有快速唤醒时间。根据意法半导体的公告，这些功能可以将MCU功耗降低高达90%。

5.增强蜂窝和卫星连接，简化业务和全球覆盖

5GRedCap或5GNR-Light是在3GPP第17版中引入的，作为需要中层物联网连接的物联网用例的新规范。5GRedCap是当前5G技术的增强版，而不是5G的轻型版本。它提供了吞吐量、电池寿命、复杂性和物联网设备密度的平衡。

目前，中间层物联网设备依靠LTECat-4实现广域无线连接和移动性。对于此类中端案例，5GRedCap将与LTECat-4直接竞争，因为它在20MHz的相似带宽上运行，并在下行和上行分别提供150mbps和50mbps的类似吞吐量。作为上一代技术，LTECat-4的网络支持寿命将相对较短，而作为下一代技术的5GRedCap的寿命将更长。

此外，物联网设备市场正在见证结合卫星和蜂窝技术的先进连接解决方案的出现，为物联网应用的全球覆盖和连接铺平了道路。这些应用可以超越地面网络的限制，扩大物联网设备的全球覆盖范围。

例子：

2023年3月，广和通宣布在全球推出新的RedCap模块系列FG132-NA。这些模块提供了更高的能源效率，扩展了物联网场景的多样性，支持5GSA并向后兼容LTECat4网络。它们具有高达220Mbps的下行速度和100Mbps的上行速度，可确保制造工厂，IPC和智能电网等各种应用的可靠网络性能。

此外，广和通于2023年7月在MWC上海2023上发布了非地面网络模块MA510-GL（NTN）。该模块采用高通9205S调制解调器，符合3GPPRelease17标准，旨在满足全球物联网市场的需求，并支持使用高度弹性的GEO卫星通信和蜂窝连接。

6.人工智能芯片组在边缘设备中的集成不断提高

随着企业不断寻找更快、更安全地做出更好决策的方法，对实时数据分析和数据隐私的需求正在迅速增长。这种需求推动了新型边缘设备的开发，这些设备具有强大的芯片组，使人工智能应用能够在本地运行，而无需将数据发送到云端。本地化人工智能处理可减少延迟，实现快速决策，并保护数据，因为数据不会传输到场所之外。

例子：

在2023年汉诺威工业博览会上，研华展示了三个工业人工智能平台，每个平台都基于不同的NvidiaGPU：

● MIC-733-AO，基于NvidiaJetsonAGXOrin

● MIC-711-OX，基于NvidiaJetsonOrinNX

● MIC-711-OA，基于NvidiaJetsonOrinNano

GPU具有不同的性能级别，JetsonAGXOrin是最强大的，JetsonOrinNano是入门级。

7.提高本地工业硬件解决方案的处理能力

一些工业自动化供应商最近升级了他们的硬件，例如工业PC，具有更快的芯片组和功能。这些升级使工业硬件能够在本地存储和分析数据，并且具有多核支持的IPC可以基于软件的PLC。2023年新芯片技术的例子，包括英特尔的i9处理器（RaptorLake）和Nvidia的JetsonAGX。

推动这一举措的是四个客户需求因素：

● 将一些软件应用从云端迁移到边缘

● 更快的数据处理和分析

● 当企业改造使用不同协议的旧资产时，处理多个连接并转换多个协议

● 更好地控制从企业传感器网络收集的数据，以及本地数据的存储和检索

例子：

2022年11月，倍福宣布其C60XX系列ipc的新成员C6040，该产品具有几个新功能。该设备基于英特尔的RaptorLake技术，该技术允许更好的缓存，因此，更好的实时功能。不久之后，在2023年3月，倍福重点介绍了其进一步增强的C6043IPC，其中包括用于人工智能加速的英伟达RTXA4500GPU。

8.在物联网网关中采用基于RaspberryPi和Arduino的芯片组

为了顺应本地工业硬件解决方案中处理能力更强的趋势，物联网网关制造商正在其设备中采用RaspberryPi和基于Arduino的系统。这些设备最初用于原型设计，由于其经济性、可用性和大型社区支持（主要由开发人员和爱好者组成），现已进入市场工业物联网网关解决方案。此外，这些系统还提供各种连接选项，例如WiFi、以太网和蓝牙，这对于物联网网关至关重要。

例子：

2023年1月，Artila电子发布了Matrix-310，这是一款基于Espressifesp32的工业物联网网关，使用Xtensa双核32位LX6处理器，提供高达240MHz的频率。用户可以通过Arduino的板管理器安装ESP32Arduino核心，使用ArduinoIDE对matrix-310进行编程和开发应用。ArduinoIDE支持FreeRTOS，这是一个开源的实时操作系统，可以用来管理ESP32板上的多个任务。

9.越来越多地使用RAN加速器，正在推动蜂窝通信基础设施采用OpenRAN/vRAN架构

随着通信服务提供商继续在全球范围内推出5G，并展望2030年左右6G技术的未来推出，他们对开放、灵活、虚拟和可编程的无线接入网络(RAN)基础设施越来越感兴趣，以实现更好的性能、可扩展性、并节省成本。RAN加速器有助于提高RAN性能，它们是旨在增强RAN性能的定制硬件组件或软件模块。它们可以基于FPGA、GPU或ASICS，用于卸载系统中通用处理器的处理任务。

支持RAN加速的著名架构有OpenRAN和虚拟化RAN(vRAN)：

OpenRAN是一种促进开放接口和标准使用的架构，可实现更加模块化和灵活的网络基础设施，其中来自不同供应商的组件可以无缝协作。

vRAN是一种使用虚拟化技术实现网络功能的架构，其中各种网络功能作为在通用硬件平台上运行的软件来实现，而不是在专门的设备上执行。

电信运营商可以选择OpenRAN来促进网络异构性、减少供应商锁定，并通过开放接口和可互操作的网络元件促进创新。另一方面，通过利用虚拟化技术在通用硬件平台上实现RAN功能，选择vRAN可以帮助实现更大的网络可伸缩性、灵活性和成本效益，从而使网络升级和维护更加直接和经济。

例子：

2022年2月，戴尔展示了基于MarvellOCTEONCNF10S基带处理器的OpenRAN加速卡。一年后，戴尔还宣布与各行业领导者合作，以增强其面向RAN环境的开放基础设施。

2023年1月，英特尔推出了最新的第四代英特尔至强可扩展处理器，采用英特尔vRANBoost，这是一款旨在将5G和4G的vRAN加速直接集成到英特尔至强SoC上的新芯片。该处理器经过优化，可提高数据包和信号处理、负载平衡、人工智能和机器学习以及电源管理实施的性能。因此，不再需要自定义第1层加速卡。通过消除对外部加速卡的需求，csp可以减少其vran的组件需求。这反过来又可以显著节省计算功率，简化解决方案设计，并降低csp的总拥有成本。

10.芯片到云安全性的进步

随着连接设备数量的不断增加，网络攻击和未经授权的访问的风险也随之增加。物联网芯片技术供应商正在积极地将安全功能融入其产品中，并遵守行业特定的法规和标准。其中一组标准是IEC62443OT标准系列。获得此认证的产品必须从设计的早期阶段就遵守特定的产品开发要求。

例子:

2023年3月，Eurotech宣布其ReliaGATE10-14多业务物联网边缘网关符合IEC62443标准，并根据以下规定进行了组件级安全测试:

●IEC62443-4-1，它定义了安全的产品开发过程

● IEC62443-4-2定义了嵌入式设备、网络组件、主机组件和软件应用的技术要求

● psa认证的1级，在PCB上嵌入了TPM2.0IC。

随着越来越多的供应商集成这些技术来保护使用蜂窝连接的物联网设备，eSIM和iSIM技术正在兴起。这些技术结合了嵌入式安全元件，与传统SIM卡相比提供了先进的安全功能。嵌入式安全元件充当非对称加密的硬件信任根，确保安全的端到端通信。

这对物联网半导体企业意味着什么

根据本报告中发现的趋势，物联网半导体供应商应该问自己5个关键问题：

能源效率：我们是否专注于提高处理器的能源效率，并将超低功耗模式和创新的节能方法，集成到我们的新芯片设计中？

人工智能：我们如何在人工智能芯片市场中定位自己，哪些合作伙伴或收购可以推动我们在这一领域的增长？

RISC-V：我们企业如何加快向RISC-V架构的过渡，或将RISC-V架构纳入我们的物联网芯片设计中，以获得竞争优势？

散热：随着芯片技术向3nm和2nm节点发展，半导体公司计划如何帮助客户解决与更高功率密度、更小散热表面积相关的热挑战？

芯片架构：我们是否在为客户的物联网产品，探索基于芯片架构的潜在优势，以及我们如何利用它来降低生产成本和上市时间？