无线物联网对元器件带来哪些挑战

1 物联网存在广泛的无线连接方案

Silicon Labs（ 亦称“ 芯科科技”）作为一家专注于物联网的企业，拥有业界全面的无线产品组合，支持多样化的无线通信协议，包括蓝牙、Matter、专有协议、Thread、Wi-SUN、Wi-Fi、Zigbee 和Z-Wave 等。

Daniel Cooley(芯科科技 首席技术官兼技术与产品开发高级副总裁)

不同的物联网无线技术有着各自的特性，可应用于不同的垂直领域。智能家居、智慧城市、互联健康、工业和商业物联网等都是芯科科技重点关注的应用领域，芯科科技也针对这些领域推出了多种全新的产品和解决方案，以满足不同的应用需求。

在智能家居领域，Matter 作为应用层协议出现，为智能家居设备提供了一种通用语言。芯科科技以2.4 GHz 无线MG24 SoC 为核心的Matter 开发平台可支持低功耗蓝牙（BLE）、Wi-Fi 和Thread。同时，面向Matter 的Unify SDK 软件开发平台则为开发人员提供了将Matter 桥接到其他物联网平台（包括Zigbee和Z-Wave）所需的环境和工具。这些硬软件开发平台将推动智能家居技术进步，进而彻底改变智能家居体验。除了智能家居，MG24 及其一同推出的BG24 也可用于互联健康领域。此外，2023 年3 月，芯科科技还推出了专为极小尺寸物联网设备而设计的BG27 和MG27SoC，这对极小的电池优化型互联医疗设备、可穿戴医疗设备而言，是非常理想的选择。

面向智慧城市、智慧农业、工业物联网等距离覆盖应用场景，Sub-GHz 无线技术非常重要且应用广泛，这包括Wi-SUN 等行业标准，Amazon Sidewalk 这样的服务商协议，以及专有协议。芯科科技在这方面可以提供完整的解决方案，包括专为Wi-SUN 和专有协议设计的旗舰版FG25 SoC，以及同时支持Amazon Sidewalk、Wi-SUN 和专有协议的全新双频FG28 SoC。

2 无线元器件的挑战

看看今天的物联网，我们已经安装了350~400 亿台设备，而且这个数字还在快速增长中。据估计，当前物联网设备在我们的工厂、工作场所、家庭、办公室、城市、医疗设施等场景中产生了（5.5~12.6）万亿美元的影响。在这些终端产品上传输的数据将带来更高的安全性、效率和生产力，而推动这一增长的芯片将需要更多的无线、安全、计算/ 机器学习和软件能力。

在物联网的发展中，无线技术的持续演进与创新无疑是最为重要的。当前，存在着种类繁多的无线技术和协议，没有哪种技术是可以满足所有应用的。所以，一方面要通过Matter 这样跨多种底层技术的应用层协议去实现生态的融合；另一方面，也要通过分析各种应用场景的需求，掌握各种无线协议的优势，来定义不同的芯片功能，进而满足不同应用、不同无线连接的差异化需求。

此外，在物联网对无线性能的要求方面还存在很多具体的挑战，例如，如何兼顾高性能和低成本，如何满足市场对更低功耗和高吞吐量的需求，以及更长传输距离和更大网络覆盖范围的挑战，等等。

安全性是嵌入式设备面临的一项重要挑战，其中的芯片自然也是如此。芯片必须是安全的，能够防止物理攻击，这样攻击者就无法读取芯片内的数据，或者篡改它。此外，我们还需要一种芯片安全连接到云的方法，使用经过审查的协议，使用密钥交换认证和加密等技术。

边缘的预测性人工智能（AI）和机器学习（ML）也是当前需要着重关注的。边缘设备是成就AI 的无名英雄（如收集大量数据的传感器）。ML 则拓展了智能机器在能源、农业、医疗保健、工业自动化等行业的应用可能性。随着ML 应用理念的发展，在物联网边缘实现ML 的芯片技术和工具也在不断发展。

未来，物联网面临的许多挑战都是关于软件的，而不仅是硬件。软件涉及很多方面，包括带有多种开发工具的集成开发环境（IDE）、软件开发套件（SDK）、实时操作系统（RTOS）、软件堆栈和代码示例等等。在物联网开发中，软件与硬件同样重要，只有形成良好的硬软件协同，才能打造出功能强大的物联网设备。

3 芯科科技的解决方案

芯科科技作为物联网领域的全球领导厂商，在面临上述挑战时，无论是发展理念、技术创新、产品演进，都始终走在时代前沿，开发并推出了引领行业的解决方案。

●   无线技术能力

在无线技术方面，芯科科技很早就开始走平台化路从第一代无线开发平台，到目前的第二代平台，再到2023 年Works With 大会上发布的第三代平台，芯科科技在同一个平台上实现了对蓝牙、Wi-Fi、Thread、Zigbee、Z-Wave、专有协议等多种无线协议的广泛支持；同时，针对一些应用场景的需求，在芯片上实现了多协议功能或双频功能，具备了广泛的无线协议覆盖能力。在无线生态方面，芯科科技也与亚马逊、谷歌、苹果、三星等伙伴展开持久、深入的合作，可以针对Matter、Wi-SUN、Amazon Sidewalk 等行业标准或服务商协议提供全面的支持。

例如，面向智能家居、智慧零售、工业物联网、互联健康等多种应用的芯科科技MG24 SoC 支持多协议操作，可作为单芯片解决方案实现Matter over Thread，在室内提供长达200 米的远距离传输，并支持使用同一芯片的新设备进行低功耗蓝牙调试。再比如，芯科科技在2023 年6 月推出的包括Sub-GHz 和2.4 GHz 低功耗蓝牙射频的全新双频FG28 SoC，专为Amazon Sidewalk、Wi-SUN 和其他专有协议等远距离广覆盖网络和协议而设计，支持在智慧农业、智慧城市和社区网络中使用全新的边缘应用。

针对前面提到的无线性能方面的很多具体挑战，芯科科技也通过前瞻性的布局和产品的持续创新实现了有效应对。

就兼顾高性能和低成本而言，在最近举行的芯科科技第四届Works With 开发者大会上，芯科科技介绍了自己的下一代暨第三代无线开发平台，第三代平台的设备将向22 纳米工艺节点迁移，从而在进一步控制成本的基础上，提供业界领先的计算能力、无线性能和能源效率。

在满足市场对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 和低功耗蓝牙SoC，可从根本上降低Wi-Fi 物联网网络的功耗，同时可在拥挤的网络环境中实现更高的带宽和更高的网络效率，从而实现更快、更稳定的网络覆盖。

针对低功耗和小尺寸需求，芯科科技于2023 年3月发布了用于蓝牙连接的BG27 和支持Zigbee 及其他专有协议的MG27，它们是专为极小型物联网设备设计的产品，可以简化开发人员的开发流程，同时确保极小型设备的低功耗和小尺寸要求，目前已经有厂商利用BG27 开发了比牙齿还小的、可置入口腔的连续唾液健康监测仪，用以改善口腔和全身健康。

面对更长传输距离、更大网络覆盖范围方面的挑战，除了上述的FG28 双频SoC，芯科科技还在WorksWith 大会期间发布了专为Amazon Sidewalk 优化的全新SG23 和SG28 SoC，其中SG28 双频器件支持Sub-GHzFSK 和低功耗蓝牙射频，可以帮助设备制造商简化设备并降低成本，而SG23 则可为长距离终端节点设备提供安全性和强大的sub-GHz 链路预算。

●   安全能力

物联网安全一直是芯科科技高度关注并持续发力的重要方向。我们为此提供了更完善的安全手段，同时也支持用户采用更加多元化手段来保护其信息和网络，如Matter 和其他先进无线通信协议中的信息安全措施。在2021 年，芯科科技Secure Vault 物联网安全解决方案率先获得全球PSA 3 级认证，其可以提供经过验证的PSA 信任根，以及针对各种复杂软硬件攻击的强大防护方案。Secure Vault 符合PSA 3 级认证所定义的严格的安全软件和物理不可克隆功能（PUF）硬件要求，从而大幅降低物联网生态系统安全漏洞所带来的风险，并减轻了知识产权方面的损害或者假冒产品造成的收入损失。

●   计算/ 机器学习能力

在计算/ 机器学习方面， 芯科科技的BG24 和MG24 SoC 作为率先拥有内置专用人工智能/ 机器学习（AI/ML）加速器的超低功耗器件，能够快速高效地处理复杂计算，内部测试显示其性能提升最高达4 倍，能效提升最多达6 倍。同时，机器学习计算是在本地设备上而不是在云端进行，因此消除了网络延迟，加快了决策和行动。

此外，最新的FG28 SoC 也内置了可用于ML 推理的内置AI/ML 加速器，支持通过ML 推理在边缘设备上实现预测性维护警告，监测湿度和pH 值等土壤状况关键条件。

●   软件能力

在软件方面，芯科科技持续创新自己的Simplicity Studio 集成开发环境（IDE），它可以提供对特定目标设备的Web 和SDK 资源的访问，软件和硬件配置工具，以及行业标准的代码编辑器、编译器和调试器。无论开发人员的经验如何，Simplicity Studio 都能帮助他们优化工作流程、加快项目进度、实现设备配置和应用程序优化。

当前版本的Simplicity Studio 5 基于Eclipse 和C/C++ 开发工具（CDT）构建，增强了稳健性，提高了性能，同时支持芯科科技的Secure Vault 先进安全套件。在Works With 大会上介绍的Simplicity Studio 6 则是芯科科技的下一代IDE，该新版本最大且最具影响力的变化就是实现了IDE 的解耦，开发人员可以直接利用芯科科技所提供版本中的优化能力、开发工具和各项功能，也可以通过集成和扩展功能将他们喜欢的工具带入Simplicity Studio。

芯科科技在软件方面的另一项优势是可以提供一套完整的针对各种物联网无线协议的SDK。2023 年6 月，芯科科技推出了其Gecko 软件开发套件（GSDK）的最新版本v4.3，面向蓝牙、Matter、OpenThread、专有协议、Wi-SUN、Zigbee、Z-Wave 和无线多协议的开发需求新增了多项功能与特性。此外，芯科科技还针对物联网应用开发提供多种实用的开发工具，例如Works With大会上推出的为Amazon Sidewalk 开发提供逐步指导和专家建议的一站式开发人员之旅（Developer Journey）工具等等。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年9月期）