RISC-V抢地盘！卫星及RedCap是未来，最新IoT芯片模组十大趋势在此

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2023-09-14 10:09

作者：文静詹士

物联网智库整理发布

“半导体市场开始回暖。”

这是最近不少研究机构及行研专家给出的看法，也是自2021年以来的首次增长，对物联网芯片玩家来说，这当然是一抹曙光。且物联网连接数还在增长，应用场景仍在拓展，对于底层硬件，也提出更新要求。

这两天，IoT Analytics发布《2023 年物联网芯片组和物联网模组趋势报告》，从54个观察到的趋势中提取了最关键的10 个，展示了物联网采用者的前沿需求，以及半导体 OEM/ODM 正如何满足。

上述信息对于供应商来说，可以在瞬息万变的市场变化中，保持前瞻性及领先地位，实现更小、更高效、更强大的物联网设备。对于设备厂商，芯片的革新也将带来全新机遇（例如人工智能、新的连接性和更高的能效）。当然，新挑战也随之而来，亟待解决（例如散热）。

谁能抓住下一波机遇？下面这些趋势，都是关键信息，相信能为从业者乃至上下游提供参考。

复杂市场环境中，IoT半导体技术仍在进步

行业大势上，尽管贸易紧张局势持续、经济增长缓慢、芯片短缺，但半导体市场从 2023 年第一季度到 2023 年第二季度出现了微妙的复苏迹象。

23年第二季度是自21年第四季度以来的首次积极变化——市场环比增长4.2%。

冰冷数字背后，一些趋势正在推动市场回升，包括：

AI芯片组的需求不断增长。

更强大的、甚至是全球的物联网连接，且连接模块化、可扩展。

希望将数据的分析和存储，移至更靠近边缘的位置。

追求更微型芯片设计，且散热要更高效。

在这个复杂市场中，近年来，主要半导体公司的物联网收入份额普遍上升，对于许多大型芯片公司来说，目前已经超过其收入的10%，在某些情况下甚至超过了20%。

以下为具体趋势：

十大趋势说了什么？

1、基于chiplet的架构在物联网（IoT）设备中的应用

半导体芯片原始设备制造商（OEM）/制造商（ODM）正在采用基于chiplet的架构。

Chiplet是一种设计概念，允许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制作，缩短上市时间，同时降低生产成本。

基于chiplet的架构非常适用于物联网设备，这些设备复杂性各不相同，从一次性RFID标签到集成传感器、人工智能芯片、处理、存储和连接性的高阶驾驶辅助系统。

示例：

2022年11月，AMD发布了Radeon RX 7900 XTX和Radeon RX 7900 XT图形卡。这些显卡采用了AMD的下一代RDNA 3架构，采用了基于chiplet的设计，结合了5纳米和6纳米工艺节点，性能每瓦提高了54%，AI性能提高了2.7倍，比RDNA 2更高。

AMD 的下一代 RDNA 3 架构。图片来源：Kitguru。

2、IoT芯片设计越来越多地采用RISC-V

许多物联网设备公司在设计芯片时，纷纷转向开放标准指令集架构 RISC-V。

RISC-V 具有高能效和可定制性，并且由于其透明、开源特性和 ISA 合规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而言具有成本效益。

示例：

2023 年 8 月 4 日，包括博世、英飞凌、Nordic Semiconductor、恩智浦和高通在内的一批半导体行业主要参与者联手投资一家新公司，旨在促进 RISC 的采用 -V架构。其目的是加速RISC-V的产品开发和商业化，并将其作为RISC-V的产品、参考架构和解决方案的单一来源。

3、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，其制程将缩小至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：

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。

减少散热表面积：较小外形尺寸通常意味着散热表面积较少，从而，使有效散热变得更具挑战性。

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。

为了缓解这些挑战，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。

示例：

在旗下iEP-5000G系列工业物联网控制器中，Asrock采用铜热管来解决散热问题。热管，是一种嵌入 PCB 下方的管状装置，环绕在温度升高超过限制的PCB区域。此外，Asrock在iEP-5000G的外壳和内部热管上都加了散热片。

4、物联网处理器重点关注未来节能方向的创新

随着处理器在性能、连接性和紧凑性方面的不断进步，对能效的要求也在增加。

由于这种需求，基于超低功耗MCU的SoC正在崭露头角，半导体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。

示例：

2023年3月，意法半导体宣布推出STM32WBA52，将Bluetooth LE（BLE）5.3连接性与超低功耗模式、ARM PSA认证第3级和SESIP3安全性以及丰富的外设选择性相结合，供开发人员使用。

它由一个运行在100 MHz的ARM Cortex-M33核心提供额外计算能力，该MCU具备ST的低功耗DMA，以及可快速唤醒的灵活省电状态切换。根据意法半导体公告，这些特性可以将MCU的功耗降低高达90%。

同样在2023年3月，Onsemi推出了NCV-RSL15，这是一款汽车级别的无线微控制器。该产品一个显著成就是——其被EEMBC认证为：行业中最低功耗安全无线微控制器。

为了最小化功耗，NCV-RSL15采用了专有的智能感知电源模式，可以运行至低至36纳安。这款微控制器因其针对各种应用而特别定制的BLE连接性而闻名，如智能车辆进入、胎压监测系统（TPMS）和安全带检测。

5、增强的蜂窝和卫星连接以实现流程化操作和全球覆盖

5G Reduced Capability（RedCap），或称为5G NR-Light，是3GPP R17中面向需要中层物联网连接的物联网用例的新规范。

5G RedCap是对当前5G技术的增强，而非5G的轻量级版本。它平衡了吞吐量、电池寿命、复杂性和物联网设备密度。

目前，中端IoT设备依赖LTE Cat-4所提供的广域无线连接和移动性。5G RedCap将直接与LTE Cat-4在这部分需求上竞争，两者都在类似的20 MHz带宽上运行，并在下行链路和上行链路分别提供150和50 Mbps的类似吞吐量。

由于LTE Cat-4是上一代技术，因此它在网络支持方面具有相对较短的寿命，而5G RedCap作为下一代技术，将具有较长的寿命。

此外，物联网设备市场正在出现更先进的连接解决方案，这些解决方案结合了卫星和蜂窝技术，为物联网应用提供了全球覆盖和连接。这些应用可以超越地面网络的限制，扩大物联网设备的全球覆盖范围。

示例：

2023年3月，广和通宣布推出全新的RedCap模组系列FG132-NA。该模组可提高能效、扩大物联网场景多样性，并支持 5G SA 和向后兼容 LTE Cat-4 网络。下行速度高达 220 Mbps，上行速度高达 100 Mbps，为制造工厂、IPC、智能电网等各种应用提供可靠的网络性能。

此外，广和通于2023年7月在MWC上海2023上发布了非地面网络模组MA510-GL（NTN）。该模组采用高通9205S调制解调器，符合3GPP R17标准，旨在满足全球物联网市场所需，并支持使用高度弹性的GEO卫星通信和蜂窝连接。

2023年3月，广通宣布在全球推出新的RedCap模块系列FG132-NA。图片来源：Fibocom。

6、AI芯片组边缘集成度不断提高

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。

这种需求推动新型边缘设备的开发，在设备上配有芯片组，使AI应用程序能够在本地运行，而无需将数据发送到云端。本地化AI处理可减少延迟，实现快速决策，并保护数据，毕竟，数据不会传输到场所之外。

示例：

在 2023 年汉诺威工业博览会上，研华展示了三个工业人工智能平台，每个平台都基于不同的 Nvidia GPU，具体如下：

MIC-733-AO，基于 Nvidia Jetson AGX Orin
MIC-711-OX，基于 Nvidia Jetson Orin NX
MIC-711-OA，基于 Nvidia Jetson Orin Nano

上述Nvidia GPU 具有不同性能级别，Jetson AGX Orin最强大，Jetson Orin Nano 属入门级。Nvidia Jetson AGX Orin SoM 基于 Ampere 架构 GPU 和 ARM Cortex-A78AE CPU。

Jetson AGX Orin 64GB具有2048个CUDA核心和64个张量核心，支持最高170 Sparse TOPs的INT8张量计算和最高5.3 FP32 TFLOPs的CUDA计算。NVIDIA Jetson Orin模组每秒可提供高达 275 万亿次操作 (TOPS)，与上一代 GPU 相比，多个并发AI推理性能提高了8倍。

7、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其硬件，如IPC（工业个人计算机），配备了更快的芯片组和功能。

这些升级使工业硬件能够本地存储和分析数据，而支持多核的IPC可以运行基于软件的PLC（可编程逻辑控制器），这当中，新芯片技术典型包括：英特尔的i9处理器（Raptor Lake）和英伟达的Jetson AGX。

推动上述情况的，共有四个客户需求因素：

将一些软件应用程序从云端迁移到边缘需求；

更快的数据处理和分析需求；

当公司改造使用不同协议的旧资产时，需要处理多个连接并转换多个协议；

需要更好地控制从传感器网络收集的数据，以及本地数据的存储和检索；

示例：

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。

不久之后，即在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。

8、在IoT网关中采用基于树莓派和Arduino的芯片组

为了顺应本地工业硬件解决方案中处理能力更强的趋势，物联网网关制造商正在其设备中采用树莓派和基于 Arduino 的系统。

这些设备最初用于原型设计，由于其经济性、可用性和大型社区支持（主要由开发人员和爱好者组成），现已被加入市场工业物联网网关解决方案。此外，这些系统还提供各种连接选项，例如 WiFi、以太网和蓝牙，这对于IoT网关至关重要。

示例：

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。

用户可以通过 Arduino 面板管理器，安装 ESP32 Arduino 内核，使用 Arduino IDE 为 Matric-310 编程和开发应用程序。Arduino IDE 支持 FreeRTOS，这是一种开源实时操作系统，可用于管理 ESP32 板上的多个任务。

9、RAN加速器的广泛应用正在推动蜂窝通信基础设施采用 Open RAN/vRAN 架构

随着通信服务提供商继续在全球范围内推出 5G，并展望 2030 年左右 6G 技术，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，以实现更好的性能、可扩展性、并节省成本。

推动RAN性能的因素之一，是RAN加速器。这些是定制硬件组件或软件模组，旨在增强RAN的性能，可以基于FPGA、GPU或ASIC，并用于卸载系统中通用处理器的处理任务。

支持 RAN 加速的著名架构有 Open RAN 和虚拟化 RAN (vRAN)：

Open RAN 是一种促进开放接口和标准使用的架构，可实现更加模块化和灵活的网络基础设施，在其中，来自不同供应商的组件可以无缝协作。

vRAN 是一种使用虚拟化技术实现网络功能的架构，其中各种网络功能作为在通用硬件平台（如服务器）上运行的软件来实现，而不是在专门的（通常是特有的）设备上执行。

电信运营商可以选择 Open RAN 来促进网络异构性、减少供应商锁定，并通过开放接口和可互操作的网络元件促进创新。

另一方面，选择vRAN可以利用虚拟化技术，在通用硬件平台上实现RAN功能，从而帮助实现更高的网络可扩展性、灵活性和成本效率，从而使网络升级和维护更加简单和经济。但值得一提的是，目前RAN相关技术仍不算成熟。

示例：

2022 年 2 月，戴尔展示了基于 Marvell OCTEON CNF10S 基带处理器的 Open RAN 加速卡。一年后，戴尔还宣布与各行业领导者合作，增强其 RAN 环境的开放基础设施。

2023 年 1 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，这是一款旨在将 5G 和 4G 的 vRAN 加速直接集成到英特尔至强 SoC 上的新芯片。该处理器经过优化，可提高数据包和信号处理、负载平衡、人工智能和机器学习以及电源管理实施的性能。因此，不再需要自定义的第 1 层加速卡。通过消除对外部加速卡的需求，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。

直接在英特尔 Xeon SoC 上实现 5G 和 4G 的 vRAN 加速。图片来源：hothardware。