作者 | 何小慶
半導體公司的併購、IoT 和 AI 熱潮驅動嵌入式技術向安全、低功耗和互聯的方向發展，AI 和 IoT 將越來越多呈現“一體化”趨勢，“人工智能”逐漸向“應用智能”發展，物聯網也將會向“智聯網”發展。
半導體行業的併購
全球半導體行業的併購是從 2015 年開始提速，到了 2016 年發展到頂峰，之後逐漸回落[1]。我們看到過去幾年發生了不少併購，一個就是高通（Qualcomm）收購恩智浦（NXP），因為中國商務部沒有批准，最後這件事情沒發生，恩智浦現在又開始獨立運作了。
其實之前恩智浦已經把飛思卡爾（Freescale）給收購了。飛思卡爾是我們嵌入式行業一家著名半導體公司，加上原來恩智浦就已經是歐洲著名的嵌入式芯片公司，恩智浦是中國金融信息系統中的重要供應商。
還有一些小規模的嵌入式芯片公司的收購，或許我們沒有在意，例如微芯（Microchip）收購了愛特梅爾（Atmel），這兩家都是做單片機（MCU）出身的。還有瑞薩（Renesas）公司，在 MCU 業一直名列前茅（注：在中國市場，日本公司通用 MCU 的市場佔有率一直很低，名氣也沒有歐美企業大。）2016 年收購了 Intersil 公司。Intersil 是做模擬器件方面的。最近美滿（Marvell）把做網絡通信的芯片公司 Cavium 公司收購，我們知道 Marvell 一直要收購其他芯片公司，曾經也開出了很高的價格收購高通。最近把做網絡處理器的 Cavuim 公司收購。
芯片集成電路板手機芯片（圖源：CSDN 付費下載自東方 IC）
那麼，驅動併購最重要的原因是什麼？就是成本不斷的增加，包括人工的成本上升和由於工藝提升引起的製造成本的上升，但是芯片的價格卻是越來越便宜。因為股東對於盈利的需求，給半導體企業的運營者帶來很大的壓力。股東和運營者希望通過併購，能夠實現芯片公司更好的盈利。
收購一般將會花費兩三年的時間才可以整合好。多數收購是積極和正面的。長遠來看，併購可以幫助芯片企業在 IoT 和人工智能（AI）方面發展。
半導體公司的併購將會驅動嵌入式芯片企業向更高的性能、更安全以及更低成本的方向發展。從 2018 年開始，我們看到 IoT 市場已經有一些性能更強、安全性和連接性更好的芯片出來，比如 NXP RT 系列高性能 MCU 和 Microchip 的 IoT 芯片整體解決方案。
半導體公司的併購還將幫助嵌入式芯片公司進入人工智能和 IoT 的一些垂直應用市場，例如無人駕駛， 這個市場非常熱；還有計算機視覺(CV)，也有人稱之為“嵌入式計算機視覺”（Embedded Vision），這是一個更廣義的人工智能應用領域，或者說人工智能讓這個傳統的技術再放異彩。2019 年 2 月德國紐倫堡嵌入式世界展覽和大會（Embedded World Exhibition and Conference）上有專門的 Embedded Vision 專題和論壇談論，每年 5 月在美國硅谷有 Embedded Vision 產業聯盟組織大型的技術峰會。
我們可以看到像三星收購 Harman，Harman 是做汽車電子的；Intel 收購 Mobileye 進入計算機視覺。Xilinx 也把中國一家叫深鑑科技的初創公司收購了，後者有清華大學的技術背景，專注於神經網絡研究、深度壓縮技術及系統級優化。ARM 在大約 2018 年投資了一家數據分析公司，該公司支持邊緣計算。目前垂直市場的容量還比較小，大家看好的是未來的發展。大的 IT 公司，包括谷歌、亞馬遜和微軟，也是在人工智能和 IoT 相關的領域裡投資。
半導體公司的併購還將影響處理器架構市場，現在的情況是 ARM 依然獨領風騷。但是 RISC-V 現在聲名大振，中國第一代的集成電路的專家——許居衍院士，對於 RISC-V 非常看好[2]。IoT 的需求會推動處理器架構技術的轉型發展，因為 IoT 系統是一種隱形的計算，即看不見的計算。這種設備不像我們的電腦和終端，你會拿在手上或者會放在桌面。
在這種看不見的計算當中，不一定要使用 ARM 架構的處理器，可以是其他架構的處理器。雖然這些架構處理器的生態系統沒有 ARM 這麼好，但是因為計算模式比較簡單，生態環境就不是主要的問題了。而且由於這些處理器有開放的架構，他們的優勢可能會呈現出來。RISC-V 基金會也有 300 多家成員，市場非常活躍，高校拿 RISC-V 做教學，科技巨頭紛 紛宣佈支持 RISC-V，並且湧現出一批初創的科技公司， 臺灣的 Andes（晶心科技）和杭州中天微（注：現在已經被阿里收購，叫平頭哥）等已經支持基於 RISC-V 架構芯片設計，已經有相應的 IP 可以授權給半導體公司。
物聯網的邊緣計算
IoT 後面的發展就是人們非常看好邊緣計算。什麼是邊緣計算呢？ 美國韋恩州立大學施巍崧教授在《Edge Computing: Vision and Challenges》論文當中給出邊緣計算的定義：邊緣計算是一種可以在網絡的邊緣完成的計算技術，這種技術和平臺在雲和 IoT 設備之間上傳和下載數據，以平衡系統的計算、實時性、功耗和安全方面的需求[3]。
為什麼要使用邊緣計算？這裡有三大要素：能耗、帶寬和隱私。最早去踐行邊緣計算的企業是美國的通用電氣（GE）。GE 是一家工業設備的巨頭，它對邊緣技 術的定義是這樣的：靠近數據源存在的計算基礎設備， 例如工業控制器和來自各種設備傳感器的數據集合，這些設備通常遠離雲計算中心。
邊緣計算的三大要素，第一是安全和隱私，因為有時候設備廠商不太希望把產生的設計數據放到雲端。第二是能耗，如果我們使用神經網絡（CNN）的深度學習（Deep Learning）的 AI 方法，如果將數據訓練和模型推理都在雲端服務器上完成，無論算得如何快，都將導致在雲端和設備端直接、大量和反覆地傳遞數據，這樣消費的能耗和帶寬都將是巨大的，而且傳輸中的數據延遲可能會造成系統實時性降低。
網絡基礎設施：從邊緣到雲端（圖源：CSDN 付費下載自東方 IC）
如果我們將數據訓練和模型推理放在物聯網的邊緣，實時性或許可以解決，但是在設備端，無論算力和能耗都是無法承受的。要想滿足這三大要素，邊緣計算將是比較好的解決方案，即將數據訓練繼續放在雲端，模型推理放在邊緣計算端，這樣可以平衡實時性、安全隱私和能耗的需求。
傳統的嵌入式企業，像恩智浦（NXP）是邊緣計算的積極倡導者，研華公司也是早期就做邊緣計算設備的企業。需要指出的是，邊緣計算設備一般會安裝在系統傳感和執行端，多數邊緣計算設備是嵌入式系統。從物聯網系統角度看，邊緣計算設備是整個物聯網系統的一個組成部分，不能單獨存在，需要雲計算和人工智能技術的支撐和服務。邊緣計算技術的研究和產品開發目前處在初期階段，雲計算、通信設備和嵌入式企業非常關注，物聯網的高速發展是邊緣計算興起的最大推手。
物聯網發展大致分成兩個時期，第一個時期是從互聯走向智能，第二個時期從智能走向自治。目前大多數物聯網項目還是處於第一個時期，正進入第二個時期， 邊緣計算將發揮重要作用，邊緣計算也將迎來快速發展的時期，人工智能正向邊緣和終端側延展，嵌入式人工智能時代將要來到。
物聯網雲平臺
IoT 雲平臺就是物聯網的雲端， 我們稱之為 IoT 雲。過去幾年，IoT 的雲平臺發展得比較順利，趨於成熟。雲計算可分為軟件即服務（SaaS），平臺即服務（PaaS）和基礎架構即服務（IaaS）。IoT 雲平臺符合 PaaS 的定義。IoT 藉助雲計算的快速發展。目前來看， IoT 的雲平臺方面，各個 IT 大佬在跑馬圈地，我們可以看到國內和國際的 IT 企業都在做這件事情，以前我們會看到一些在美國和中國的創業公司專門做 IoT 雲，像廣州機智雲，但現在還繼續在做 IoT 雲的創業公司已經很少了。
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現在 IT 大佬已經把觸角往下探了，他們甚至去投資一些 IoT 芯片和模組的公司，還有物聯網操作系統（IoT OS），例如阿里已經投資到 IoT OS，產品是 AliOS Things，阿里希望阿里雲能夠通過互聯網聯通到模組和傳感器，能夠把客戶的數據拿到。客戶可以註冊一下，諸如百度雲、阿里雲或者亞馬遜雲，剛開始可能半年或者一年，或者用戶的節點很少的時候，全部是免費。只有當這位用戶的數據量上來之後，才有收費的模式。所以這個領域在跑馬圈地，真正大數據的經濟效益還在後面。
物聯網操作系統
嵌入式操作系統未來趨勢就是向 IoT OS 發展。2017 年，筆者在《嵌入式操作系統風雲錄：歷史的演進與物聯網未來》一書中，把這段歷史作了比較詳盡的描述，其中嵌入式操作系統和 IoT OS 銜接最緊密的是實時多任務的操作系統（RTOS）和開源的 Linux[4]。
過去幾年 IoT 成為重要風口，眾多國內外科技巨頭以及中小企業開展了在 IoT 方面的佈局，阿里雲稱 IoT 是其第五賽道，以阿里云為支撐，在端側有 AliOS Things，在其上阿里有物聯網市場和一站式開發平臺， 再上面就是包括消費和行業應用。華為佈局 AIoT，推出 HiLink 標準協議。在端側，華為有 Huawei LiteOS，端雲結合是通過 OceanConnect，它是華為雲推出的 IoT 聯接管理平臺。行業應用上，華為重點推廣 NB-IoT。
亞馬遜推出 Amazon FreeRTOS，藉助嵌入式系統最具影響力的 RTOS- FreeRTOS，亞馬遜擴展其在物聯網系統中的市場地位，藉助 AWS IoT 雲和邊緣計算 Greengrass 技術，為開發者提供一站式解決方案[5]。微軟在物聯網設備端佈置 Azure Sphere OS，可以運行在 MCU 上，邊緣側微軟有 Azure IoT Edge，可以運行在 Linux 和 Windows 系統，在雲端微軟有 Azure IoT stack，負責對 IoT 設備進行安全管理和維護。
物聯網通訊技術
我們看一下物聯網的通訊技術，這幾年有許多新的發展。
- 第一：藍牙 5.0。
藍牙是一個古老的點到點近場通訊技術，到了藍牙 5.0 之後，藍牙技術真正進入了物聯網時代，許多智能家居應用可以使用藍牙 5.0 技術了。
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- 第二：NB-loT。
NB-IoT 是 4G 網絡到 5G 發展之後出現的一個分支——一個分支走向高速高帶寬、另一個分支走向低速低功耗。NB-IoT 技術目前發展得也非常快，特別是在中國，中國電信、中國移動和中國聯通目前在主要的城市都有網絡的佈置，包括水、電和氣在內的公共服務和其他應用正在實施之中。5G 應該能夠推動兩大應用領域的發展，第一個是無人駕駛。
如果沒有 5G，無人駕駛基本上不太可能。例如一輛無人駕駛車在道路上高速行駛，突然遇到行人衝到主路，這時系統需要在很短時間內做出識別並剎車動作，如果沒有 5G 的網絡，無人駕駛就連基本安全保障也很難做到，一直會屬於實驗室，或者某個園區裡面實驗產品。
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另外一個 5G 的重要應用場景就是 AR（增強現實）和 VR（虛擬現實）。AR 在設備維護等行業應用中，現在 4G 的帶寬對智能 AR 眼鏡功耗和延遲都是太大，智能眼鏡因為尺寸限制，只能放一個很小的電池，延遲大造成專家遠程指導效果失真，直接造成重大經濟損失。
物聯網安全
2016 年 10 月 21 日，北美地區若干重要網站無法正常訪問，包括 Twitter、paypal、github 等。本次安全事件是由於美國知名網絡域名服務提供商 Dyn 遭受到強力的 DDoS 攻擊所致。Flashpoint 公司已經確認 Mirai 殭屍網絡參與了該 DDoS 攻擊。Mirai 是一種主要感染 IoT 設備的殭屍程序，該殭屍程序在源碼公開後，被黑客快速利用並擴散形成了大量的殭屍網絡。
全球已有 130 萬臺以上的監控探頭和攝像機等物聯網（IoT）設備感染了 Mirai 病毒。Mirai 之後，大家才開始認為物聯網安全確實已經刻不容緩。
IoT 安全漏洞的案例很多，小到玩具，大到工業設備都面臨了 IoT 安全隱患。
從 2015 年開始，筆者一直主持上海一個嵌入式系統安全論壇。筆者有一個感受，就是 IoT 安全不好做， 如果只是一家公司則做不了安全，IoT 安全需要整個產業鏈，需要從芯片到雲端的整體解決方案，即大家一起來打造安全，甚至包括開發者和維護人員都要有這種安全的意識，才能使整個設備和系統安全。
另外一個關鍵的點是未來的物聯網只有設備本身的功能安全（Safety）還不夠，信息安全（Security）講得也不夠。這兩個安全現在目前的看法就是要融合在一起。最近有一個新的工業信息安全的標準（IEC62443）， 西門子已經剛剛通過了 TUV 組織的認證。IEC62443 把兩個安全標準融合在一起，作為一個實施準則來做，現在看 IoT 的安全任重道遠，甚至可能是一個最後要攻下的堡壘，最難做的一件事情。
結論
未來嵌入式技術三大方向，第一個是萬物互聯；第二個是綠色環保，即低功耗；最後一個就是嵌入式系統安全，安全一定是功能安全和信息安全的融合。未來物聯網產業發展中，AI 和 IoT 將越來越多呈現“一體化” 趨勢，“人工智能”逐漸向“應用智能”發展，物聯網也將會向“智聯網”發展。
- 參考文獻
[1] 劉慶.2018 年中期的 MCU 市場狀況和展望.電子產品世界,2018(7):3-4.
[2]何小慶,胡曉柏.嵌入式系統聯誼會十週年會刊[R/OL].(2018-11).
[3]施巍松.邊緣計算[M].北京：科學出版社,2018. [4]何小慶.嵌入式操作系統風雲錄[M].北京：機械工業出版社,2016. [5]何小慶.談談 FreeRTOS 及其授權方式[J].單片機與嵌入式系統應用,2015(10).
[6]何小慶.物聯網操作系統研究與思考[J].電子產品世界,2018(1):27-31.
作者簡介：何小慶，著名嵌入式系統專家，麥克泰軟件公司創始人，《單片機與嵌入式系統應用》編委會副主任。
本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019 年第 4 期第 7 頁。
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