物联网引爆大量需求，芯片商攻嵌入式处理/安全方案

嵌入式处理/安全技术导入需求急速增温。近年整个电子科技产业围绕着物联网设计氛围，从前不须涉猎联网、感测和嵌入式安全应用，对功耗要求也没那么严格的汽车、家电或工业设备等系统开发商，亦受到这股风潮的感染，开始扩大寻求低功耗嵌入式处理、系统级资讯安全技术，并将其视为进军物联网领域的必备要素，因而吸引半导体供应商竞相布局相关解决方案。  
安谋国际(ARM)投资人关系副总裁Ian Thornton表示，今年初国际消费性电子展(CES)、全球行动通讯大会(MWC)两大展会皆聚焦物联网，导引电子科技产业及相关半导体供应商技术发展风向；根据品牌业者和晶片商的发展脚步，预估2015年智慧家庭、车联网、工业自动化和穿戴式电子(图1)等物联网设计将全面起飞，并将于未来几年维持高速成长。  


图1 穿戴电子以腕带式装置成长最为亮眼，2015∼2019年出货量可望翻倍。 资料来源：Gartner
Thornton进一步指出，ARM处理器核心在2014年的总出货量达到六十四亿颗，其中运用在家庭，以及工业、车用等嵌入式系统领域的比重高达39%，已相当接近行动装置市场的45%水准，足见物联网蓬勃发展已带动庞大的嵌入式处理器导入需求(图2)，因此ARM也持续拓展Cortex-M/R系列的微控制器(MCU)及数位讯号处理器(DSP)核心阵容，以提供业界更完整的设计支援。  


图2 智慧嵌入式系统设计无所不在，至2020年将带动250亿美元产值。
全面锁定物联网　高效/省电MCU竞出笼  

事实上，意法半导体(ST)、恩智浦(NXP)、德州仪器(TI)、飞思卡尔(Freescale)、瑞萨电子(Renesas Electronics)和芯科实验室(Silicon Labs)等MCU大厂皆嗅到物联网商机，持续增加32位元低功耗Cortex-M0/M0+，或较高效能但仍兼顾电源效率的Cortex-M3、M4和M7核心的MCU产品线，积极圈地市场。  

其中，意法半导体针对效能、安全性和记忆体容量需求较高的高端物联网应用，已率先发布Cortex-M7 MCU；另一方面，恩智浦则祭出MCU混搭核心设计，透过整合高效能Cortex-M4F和低功耗Cortex-M0+方案，打造适用于行动装置、穿戴式电子的感测器中枢(Sensor Hub)，以大幅提高系统电源效率。  

无独有偶，德州仪器也主打功耗及效能均衡设计，近期推出新一代结合Cortex-M4F、DSP引擎的高性能32位元MCU，并在晶片内导入直接记忆体存取(DMA)、唯读记忆体编码(ROM Code)，以及将驱动程式内建在ROM的DriverLib in ROM等省电机制，以减轻CPU搬移资料的功耗负担。  


图3　TI台湾业务与应用事业现场应用工程师总监詹勋琪认为，工业、医疗MCU亦逐渐兴起高可靠度FRAM导入需求。
德州仪器台湾业务与应用事业现场应用工程师总监詹勋琪(图3)表示，大部分物联网系统皆须兼顾效能与功耗，包括大量感测器链结、人机介面、嵌入式安全管理及影像相关应用，因此该公司近年集中火力发展32位元高效能MCU，并运用自身在类比制程、讯号链设计方面的深厚经验，大幅降低晶片整体耗电量。  

詹勋琪进一步指出，以该公司最新Cortex-M4F MCU为例，其启动功耗和待机功耗分别只有95微安培(μA)/MHz和850奈安培，每瓦效能甚至超越以低功耗着称的Cortex-M0+方案；个中设计关键在于整合高速14位元1MSPS类比数位转换器(ADC)、线性稳压器(LDO)等类比元件(图4)，同时可运作于1.6-3.7伏特(V)的宽电压范围，进一步优化功效和效能，有助系统设计人员改善工业/建筑自动化、工业感测、安防控制台、资产追踪和智慧手表等设计的效能与电源效率。  


图4 德州仪器最新Cortex-M4F MCU架构图 资料来源：TI官方网站
此外，詹勋琪提到，对MCU和物联网系统开发商而言，嵌入式安全解决方案的重要性正与日俱增，因此德州仪器也在新款MCU中引入IP保护功能、进阶加密标准(AES)256硬体加密加速器，可确保资料和程式码安全性让开发人员能妥善保护晶片和系统内部资料。  

破除物联网资安疑虑　嵌入式安全设计需求红 

图5 ARM应用工程经理徐达勇提到，未来ARM将针对多系列处器核心发布安全文件集。
ARM应用工程经理徐达勇(图5)表示，随着智慧汽车内部电子零组件数量不断翻升，车厂和一级(Tier 1)供应商对系统功能性安全和可靠度要求更是滴水不漏；尤其高阶车款内建联网、感测器、控制器和电源管理晶片数量平均已达近两百颗(图6)，如何达成冗余设计、保障资料安全且不影响既有机械式系统的运作，已成为相关业者最重要的课题。

不仅汽车对嵌入式功能安全趋之若鹜，医疗、工业设备等与个人或商业机密资料相关的应用亦然，因此ARM已在今年初针对Cortex-R5处理器核心发布一套全方位安全文件集，以推动各领域的嵌入式安全设计加速成形，让晶片商和系统厂得以最具成本效益的方式部署先进的物联网系统。徐达勇指出，由Cortex-R5打头阵后，ARM将持续为其他Cortex系列处理器核心量身打造安全文件，帮助半导体厂商开拓汽车、医疗和工业市场版图。  


图6 汽车电子控制单元分布及控制元件需求
事实上，在IEC 61508、ISO 26262的严密规范下，功能性安全已是晶片业者进军汽车、工业市场必备的入场券。对此，ARM提供Cortex-R5处理器，并新增通用安全文件，工程师将可取得更多功能安全必要资讯，以加速开发安全系数较高的汽车动力总成(Powertrain)控制系统、先进驾驶辅助系统(ADAS)或工业自动化解决方案。  


图7 飞思卡尔亚太区行销总监曹跃泷指出，Thread联盟全方位研拟系统、无线传输和嵌入式安全设计，有助推动智慧家庭。
现阶段，ARM处理器核心内建编译器亦已通过TUV SUD认证，有助软体开发商更快达到IEC 61508 SIL 3、ISO 26262 ASIL D的最高规格要求。  

徐达勇更透露，下一阶段，该公司也计画将Cortex-A高阶处理器核心中的记忆体管理单元(MMU)，引进Cortex-R系列核心设计架构，进而实现更多元行动和嵌入式作业系统支援能力。  

飞思卡尔亚太区行销总监曹跃泷(图7)强调，物联网持续发展，各种电子装置未来都将具备专属的IP位址，这看似美好的愿景却暗藏许多隐密资料外泄或骇客入侵等问题。过去联网装置应用领域集中，系统厂仅以软体负责网路安全的概念，在万物联网的时代将愈来愈行不通。  

物联网嵌入式安全迈向系统级设计 

以阿里巴巴、百度等网路公司为例，其近期皆设立硬体部门，目的就是在联网装置类型更加发散、数量遽增之际，掌握关键嵌入式安全硬体技术，以确保每一个可连上后端网路的路径，不会成为骇客能轻易发动攻击的盲点。  

据国际市场研究机构顾能(Gartner)报告，2015年连上网路的装置将达到四十九亿部，比2014年大幅增加三成，而这个数字到2020年时更将增加到两百五十亿。该分析机构同时预测，到2017年时，有五成的物联网解决方案将来自创办时间少于3年的初创企业，这些新兴系统也形成资安隐忧。惠普(HP)报告即指出，目前多达七成的物联网装置都是以未经加密的网路服务来传输资料。  

曹跃泷分析，大部分物联网装置新创公司都是从消费性电子领域切入，不容易在短时间内掌握汽车、工业和医疗等高层级的功能安全设计知识，这在未来机器对机器(M2M)、装置对装置(D2D)的全面互连环境中，无疑埋下了许多资安未爆弹，因此，业界亟须发展出涵盖软硬体元件的系统级嵌入式安全方案，以便补强各个物联网接取点的安全性。  

为此，飞思卡尔近期宣布多项重大计画，积极推动系统级嵌入式安全标准及产品。曹跃泷提到，该公司已与嵌入式微控制器评估协会(EEMBC)合作，将探索嵌入式系统的重大安全缺失，以建立基本指引，协助物联网装置设计者及代工厂商在制造阶段就能有效防堵许多资安漏洞。该协会将在5月召开开发人员大会，提出更进一步的安全规范。  

此外，飞思卡尔也抢先业界建立安全实验室，发展从云端、网路传输到端点的整体性安全技术，同时针对Start-up合作夥伴开设专门的IoT安全实务设计课程。曹跃泷表示，该公司针对智慧汽车应用产品，已支援硬体安全模组(HSM)、安全硬体扩展(SHE)等车用标准；在工业、智慧家庭领域则分别加入工业物联网联盟(IIC)和Thread联盟，成为业界唯一跨足多重安全标准设计的半导体厂商，将能加速实现物联网系统级嵌入式安全方案。