“物超人”拐点已显现！一文解读十大物联网设计和技术趋势

2023年，物联网行业风起云涌。在10月10日迪拜举办的第十四届全球移动宽带论坛上，华为高级副总裁、运营商BG总裁李鹏表示，在5G NR和NB-IoT等技术支持下，全球移动物联网连接数突破30亿，“物超人”拐点已经出现。

尽管全球贸易紧张局势持续，而且某些地区经济增长放缓，但是半导体市场在今年第一季度到第二季度出现了微妙的复苏迹象。高通、英飞凌、博通、联发科等主要半导体公司的物联网收入普遍上升，目前已经超过收入的10%，在某些情况下超过20%。IoT Analytics发布最新的十大物联网半导体设计和技术趋势，本文进行详细解读。


在这里，首先非常高兴的通知大家！由电子发烧友和慕尼黑华南电子展联合主办的2023第十届IoT大会将于2023年10月30日-31日在深圳国际会展中心（宝安新馆）举行。希望了解IoT行业最新市场趋势和技术走向，与ST、高通、博世、ARM、中移物联、华邦、奉加科技等企业大咖面对面交流物联网新品和解决方案的工程师、采购商和电子上下游伙伴们，一定不要错过这场盛会。

趋势一、基于Chiplet小芯片架构在物联网设备广泛使用

半导体芯片 OEM/ODM 正在采用基于小芯片的架构。Chiplet 是一种设计概念，可以在单个封装中使用具有不同工艺节点尺寸的多个芯片。这种设计可以实现快速原型设计并缩短上市时间，同时降低生产成本。小芯片非常适合复杂程度各异的物联网设备，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员辅助系统。

2022 年 11 月，AMD 推出了 Radeon RX 7900 XTX 和 Radeon RX 7900 XT 显卡。这些尖端显卡采用 AMD 的下一代 RDNA 3 架构，采用结合了 5nm 和 6nm 工艺节点的小芯片设计，每瓦性能比 RDNA 2 提高多达 54%，人工智能性能提高 2.7 倍。

趋势二、RISC-V在物联网芯片设计中的应用增加

2010年诞生于美国伯克利大学的RISC-V，是一种指令集标准，而指令集标准是设计处理器芯片的基础。近些年RISC-V发展迅速。如今，市场上已有超过100亿个RISC-V核心，2025年RISC-V架构芯片有望突破800亿颗。

许多物联网设备公司在设计芯片时正在转向开放标准指令集架构RISC-V。RISC-V是节能和可定制的，并且由于其透明，开源的性质和ISA一致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来说具有成本效益。
华为海思自研了RISC-V模拟电视（ATV）主处理芯片，小米生态链企业华米科技发布了RISC-V可穿戴处理器，紫光展锐发布了针对TWS蓝牙耳机的春藤5842和春藤5882。

2023年8月4日，高通、NXP、英飞凌、博世和Nordic五家半导体厂商宣布达成合作，共同投资成立一家RISC-V公司，推进RISC-V下一代硬件的开发。这家公司成立的目的是加快基于RISC-V的创新产品的开发和商业化，它将作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。

趋势三、将冷却技术引入芯片/PCB，以设计更小节点芯片

芯片尺寸缩小是大势所趋，台积电已将芯片工艺制程缩小至3nm和2nm，这一趋势预计将推动物联网和通用 AI 芯片的发展，并带来了三个不同的问题：

一、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，由于在更小区域中增加了电路而产生更多的热量。
二、减少散热表面积：
三、热阻：较小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。

为了应对这些挑战，半导体公司正在开发和采用多种冷却技术，以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。

趋势四、物联网处理器的创新聚焦节能

随着处理器在性能、连接性和紧凑性方面的进步，对能效的需求也随之提高。为了应对这种需求，基于超低功耗MCU的SoC正在兴起。公司正在利用创新的节能方法来延长电池寿命并优化性能。

2023年3月，意法半导体公司宣布推出STM52WBA5，这款芯片将蓝牙LE（BLE）3.3连接与超低功耗模式、ARM PSA认证的3级和SESIP33安全性以及面向开发人员的多种外设相结合。

它是基于ST现有的STM32U5平台开发，加上其ULP射频和Arm Cortex M33 100MHz内核，让STM32WBA52具有了高效和超低功耗。STM52WBA90 MCU具有意法半导体的低功耗DMA和灵活的省电状态以及快速唤醒时间。根据意法半导体的公告，这些功能可以将MCU功耗降低多达90%。

同样在今年3月，安森美半导体公司推出了NCV-RSL15，这是一款汽车级无线微控制器。NCV-RSL15的一个显著成就是其通过EEMBC认证为业界最低功耗安全的无线微控制器。为了最大限度地降低功耗，NCV-RSL15 集成了专有的智能感应电源模式，可在低至 36 nA 的电流下工作。该微控制器因其蓝牙连接而脱颖而出，专为各种应用量身定制，例如智能车辆访问，胎压监测系统（或TPMS）和安全带检测。

趋势五、增强蜂窝和卫星通信连接，简化运营和提升物联网覆盖

轻量化5G Redcap或 5G NR-Light 在 3GPP 第 17 版中引入，作为需要中端物联网连接的物联网用例的新规范。5G RedCap提供了吞吐量、电池寿命、复杂性和 IoT 设备密度的平衡。

目前，中端物联网设备依靠LTE Cat4实现广域无线连接和移动性。5G RedCap将直接与LTE Cat4竞争此类中端情况，因为它在类似的20 MHz带宽上运行，并在下行链路和上行链路中分别提供150和50 Mbps的类似吞吐量。LTE Cat4作为上一代技术，网络支持的寿命相对较短，而5G RedCap作为下一代技术，将具有更长的寿命。

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道路。这些应用可以超越地面网络的限制，并在全球范围内扩大物联网设备的覆盖范围。

今年3月，高通（Qualcomm）抢先业界，推出首款支持5G轻量化设计的Snapdragon X35调制解调器芯片后，移远通信随后推出轻量化5G RedCap模组Rx255C系列。广和通（Fibocom）宣布全球推出新的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，并支持5G SA和与LTE Cat 4网络的向后兼容性。

在MWC2023期间，广和通推出了支持卫星通信功能的模组MA510-GL（NTN），并联合高通在展会现场进行了NB-IoT融合NTN的业务演示。MA510-GL（NTN）符合3GPP Release 17演进标准，利用高轨GEO（地球静止轨道）卫星通信和全球LTE Cat.M/NB1/NB2蜂窝网络连接，具有功耗低、体积小、可靠性高等特点，能为海上运输、应急通信、农村地区的科学研究等全球物联网场景提供丰富的应用业务。

趋势六、AI芯片在边缘设备中的集成度不断提高

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。这种需求推动了具有强大芯片组的新边缘设备的开发，使AI应用程序能够在本地运行，而无需将数据发送到云。

ST微控制器和数字IC产品部(MDG)总裁Remi El-Ouazzane表示，STM32N6采用的是Cortex-55内核，具有机器视觉处理能力与神经网络硬件加速器，具有卓越的安全性能。这款处理器首次集成了ISP和神经网络处理（NPU）单元的MCU，采用了ST自行研发的NPU IP——Neural-Art加速器。而STM32N6之后，未来在STM32MP2上也会专门配备Neural-ART加速器。边缘人工智能在整个行业发展中将会成为一个非常重要的方向。

趋势七、本地工业硬件解决方案处理能力提升

一些工业自动化供应商最近升级了他们的硬件，如IPC（工业个人计算机），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，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（Raptor Lake）和英伟达的Jetson AGX。

2022 年 11 月，Beckhoff 宣布推出 C60XX 系列 IPC 的新成员 C6040，该设备基于英特尔全新的 Raptor Lake 技术，可实现更好的缓存，从而实现更好的实时功能。2023 年 3 月，Beckhoff 重点介绍了其进一步增强的 C6043 IPC，其中包括用于 AI 加速的 Nvidia RTX A4500 GPU。

趋势八、在IoT网关中采用基于树莓派和Arduinos的芯片组

随着本地工业硬件解决方案中处理能力提高的趋势，IoT网关制造商正在将基于Raspberry Pis和Arduino的系统纳入其设备。

这些设备最初用于原型设计，由于其可负担性、可用性和大型社区支持（主要由开发人员和爱好者组成），已进入市场上的工业物联网网关解决方案。

2023 年 1 月，Artila Electronic 发布了 Matrix-310。这是一款基于 Espressif ESP32 的工业物联网网关，采用 Xtensa 双核 32 位 LX6 处理器，提供高达 240 MHz 的频率。

趋势九、RAN 加速器广泛使用，正推动蜂窝通信设施采取开放式 RAN/vRAN 架构

随着通信运营商继续全球范围内推出5G商用，并且业界预计2030年6G开启商用。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，以提高性能、可扩展性和成本节约。帮助推动 RAN 性能的是 RAN 加速器，这是旨在增强RAN性能的定制硬件组件或软件模块。它们可以基于 FPGA、GPU 或 ASIC，用于从系统中的通用处理器卸载处理任务。

2023 年 4 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 vRAN Boost 技术，该芯片旨在直接在英特尔至强 SoC 上集成 5G 和 4G 的 vRAN 加速。该处理器已经过优化，可提高数据包和信号处理、负载平衡、AI 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 层加速器卡。通过消除对外部加速器卡的需求，CSP 可以降低其 vRAN 的组件要求。这反过来又可以显著节省计算能力，简化解决方案设计，并降低CSP的总拥有成本。

趋势十、从芯片到云端物联网设备安全，认证标准在持续进步

随着物联网连接设备数量的不断增加，网络攻击和未经授权访问的风险也在增加。物联网芯片技术供应商正在积极将安全功能整合到其产品中，并遵守行业特定的法规和标准。其中一套标准是IEC 62443系列OT标准。获得此认证的产品必须从设计的早期阶段就符合特定的产品开发要求。

2023 年 10 月，Eurotech 公司宣布其 ReliaGATE 14–62443 多业务物联网边缘网关符合 IEC IEC 62443标准，并按照以下法规进行了组件级安全性测试，这包括两个部分：一是IEC 62443-4-1，定义了安全产品开发流程；二是IEC 62443-4-2，定义了嵌入式设备网络组件、主机组件和软件应用程序的技术要求。它也是PSA认证的1级，在PCB上嵌入了TPM 2.01C。

随着eSIM 和 iSIM 技术正在兴起，越来越多的供应商正集成这些技术，以保护使用蜂窝连接的物联网设备。这些技术结合了嵌入式安全元件，与传统 SIM 卡相比，提供了更先进的安全性。嵌入式安全元素充当了硬件的信任根，用于非对称加密，确保了安全的端到端通信。