2024年嵌入式系统的三大重要趋势

2024年嵌入式系统将如何发展才能让制造商保持领先地位？十年前，很少有人会问这些问题。如今，这个答案可能将决定整个公司的成败。事实上，嵌入式系统曾一度被局限于一些小众应用，但现在已无处不在。从工厂到家用电器，从医院里昂贵的医疗设备，甚至到无处不在的穿戴式装置，每当我们变得更加互联或永续时，嵌入式系统通常都是创新的核心。让我们来了解2024年将如何发展。

运算效率或事半功倍
一直以来，提升效率往往是创新的主要驱动力。不过，可能需要拓展对「效率 」的理解。从本质上来说，效率是完成工作与所耗之能量的比率。在微控制器领域中，指的是电力的效率。因此，提升效率意味着降低功耗，同时提供相同或更高的运算吞吐量。然而，随着嵌入式系统应用不断优化，一种新的效率比决定了整个产业的发展方向：在给定运算传输量下的应用复杂性。
想象一下，若将今天的高性能MCU带回至五年前，它根本无法运行现在的神经网络或丰富的用户接口，因为那时的框架和机器学习算法远不如现在精细。而现在的嵌入式系统不仅性能更加强大，而且经过了新的应用优化。因此，同样的运算力在今天可以运行更强大的应用。

 
图一 : 使用TAO工具包训练与修正并量化的比较

例如，神经网络的量化能打造出更强大的边缘AI系统。ST最近与施耐德电气共同展示一个深度量化的神经网络，即在STM32H7上运行人数统计应用。而NVIDIA在运行一个用其TAO工具包优化的网络时，亦采用同款微控制器和STM32Cube.AI。同样的，新的马达控制算法，如ZeST，让MCU可以更准确、更高效地驱动马达，而新的UI框架优化也能让MCU运行更丰富的图形用户界面，同时还能降低对内存的需求。例如，ST新版TouchGFX支持向量字体，ST推出的STM32U5也具备了IP加速的向量图形处理功能，在图形接口开发框架的加持下，STM32U5的图显效果将会更加出色。

 
图二 : 无线水表、气表和电表系统

工程师必须确保自己的嵌入式处理解决方案不仅能够降低功耗，而且其所运行的应用也是经过优化改良的。在许多情况下，实时应用不再是while循环中运行的基本程序代码。开发人员必须充分利用云端运算、机器学习、传感器融合或图形接口。因此，找到合适并配备完善生态系统的MCU至关重要，因为完善的生态系统可以提供新的解决方案，并且帮助开发者优化应用。工程师必须考虑设备的运行速度，以及因应复杂、功能丰富应用的支持能力。

支持多种无线协议，与世界无缝沟通
目前，嵌入式应用与网络联机已经不再是新鲜事，物联网已问世多年，因为有许多应用都仰赖着网络。不过，到目前为止，众多应用主要还是选择某一种通讯模式，采用有线或无线的通讯。如果是后者，通常会选择一种无线协议，例如蜂巢、Wi-Fi或蓝牙。过去几年，嵌入式产业的无线通信协议激增，从6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT，新协议层出不穷，但却没有统一标准，而是各种协议的混战。
以2.4GHz频谱为例，虽然蓝牙仍然是这个市场的主角，但Zigbee和Thread的热度不断上升。出于竞争或监管原因，许多公司还开发IEEE 802.15.4客制化协议。为结束无线网络协议数量激增而造成混乱的局面，家庭自动化统一标准Matter也因而诞生，该标准运行在Wi-Fi、Thread、蓝牙等多种无线技术之上，并支持许多2.4GHz桥接技术，包括Zigbee和Z-Wave，而不仅采用一种无线技术。
因此，工程师面临着一个全新的挑战：为保持竞争力，必须打造一个支持多种无线协议的系统。如果采用一个支持多种无线技术的MCU，企业就可以用一个硬件平台满足多元市场的需求。例如，开发人员可以在一个区域使用专有的IEEE 802.15.4协议，在另一个区域则采用Thread，而无需更换硬件平台，只需修改程序代码数据库，如此一来就可以缩短产品上市时间，并取得更大的设计弹性。
总之，到 2024 年，嵌入式系统开发人员在设计应用时必须考虑到多协议，并选择出能够满足当前和未来需求的产品。

未来投资的安全性或保护

 
图三 : 智能家庭产品的首要考虑因素是「安全」

物联网会带来很多安全上的威胁。人们已经深刻认知到，嵌入式系统安全性是至关重要的。必须能够保护服务器、程序代码、终端用户数据，甚至实体设备，以便于防止网络攻击。否则就可能会对产品及其品牌产生严重影响。而监管部门的干涉也为嵌入式安全带来新的挑战。欧盟、美国和许多其他国家和标准化机构已经推出新的信息安全法规。这些新规范尚不明确或不是最终版本，有些内容仍在制定中。
业界一直在采用更正式的安全标准来因应这一新挑战。例如，平台安全架构（PSA）和物联网平台安全评估标准（SESIP）两大认证机构提供一整套完善的安全设计方式，帮助工程师保护嵌入式系统的信息安全。这些认证有助于工程师开发针对未来的设计，并确保满足各种严格的网络安全要求。但这也意味着开发者不能事后增加安全功能，也不能在完成系统设计之后再进行认证。反之，需要在首次概念验证时就要考虑其安全性，并采用能够满足对应认证等级的微控制器。
以智能家庭应用为例，这些应用需要与云端服务共享个人资料和敏感数据。越来越多的政府要求智慧家庭设必须具备加密通讯、物理攻击防御、软件入侵防护、安全无线更新系统、数据泄露侦测等功能。
一般情况下，SESIP三级认证能确保系统满足这些安全要求。但如果工程师未能选择能够获得此类认证的MCU，就可能让整个项目的安全性大打折扣。为确保产品能够满足特定的安全认证要求，硬件和平台都是需要考虑的因素，因此，开发人员在选择 MCU 时必须采用新的思维方式。
最后，在分析影响2024年及以后的产业趋势时，不难发现，生态系统的建立者至关重要。运算效能取决于MCU，以及其运行的应用框架、中间件和算法。支持多种无线协议则需要新的开发工具，而保护嵌入式系统也需要基于硬件 IP 的实用软件解决方案。意法半导体多元而且完整的MCU选择以及丰富的生态系统，将能满足各种不同的应用安全需求，因应未来符合潮流的应用发展。