編者按：本文來自微信公眾號“半導體行業觀察”（ID:icbank），作者：邱麗婷，36氪經授權發布。

隨著互聯網紅利逐漸消失，物聯網在整體科技發展潮流中順勢而行，成為被普遍看好的新一代產業發展方向。

工業物聯網則是物聯網目前的主要應用領域之一，各種終端傳感器、即時通信技術、互聯網技術不斷融入到工業生產的各個環節，可以大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統工業生產提升到智能制造的階段。

GSMA智庫預計，到2025年，全球工業物聯網設備連接數將增長至100．75億。GSMA智庫的一份調查顯示，69％的企業家認為一旦5G到來，企業服務會是最重要的營收來源。

工業 4.0來襲？

工業物聯網是“工業4.0”實現的具體形式，要想實現智能制造，達到工業生產的個性化與定制化，需借助于萬物互聯的工業物聯網。

根據維基百科的定義，“第四次工業革命（或者叫工業 4.0）是采用現代智能技術對傳統制造和工業實踐進行持續的自動化。大規模機器對機器通信 (M2M) 和物聯網 (IoT) 集成在一起，從而實現更高自動化程度，更好的通信和自我監控，以及生產能夠在無需人工干預的情況下分析和診斷問題的智能機器 。”

目前，多家全球市場領導企業都在推動工業 4.0 的實施。國土安全研究公司提供的名單中有多個半導體領導者和系統集成商，包括霍尼韋爾、高通等。

圖1顯示了幫助推動工業 4.0 的半導體技術來源：新思科技

如圖 1 所示，據半導體行業協會 (SIA)3 的數據表明，工業半導體約占全球半導體市場總量的 12%。一些公開報道顯示，工業物聯網 / 自動化市場增長勢頭強勁，特別是在中國。

根據法蘭克福國際機器人聯合會的數據，中國的工業機器人產業是增長最快的市場，增速高達21%。報道顯示，到 2021 年，中國當前800多家機器人制造商將使中國工業機器人出貨量占到全部市場的45%。根據 Axa Insurance5的數據，2020年，中國的新基建計劃將通過物聯網連接超過 2000億硬件設備，其中 95% 以上由中國制造。

圖 2：按最終用途劃分的半導體需求百分比（圖片由 SIA 提供） 來源：新思科技

半導體行業中的工業元素

目前，針對工業物聯網的半導體設計的增長受到 AI 集成、安全性和可靠性、連接能力、吞吐量和防護能力等多種趨勢的推動。

• AI 集成

毫無疑問，AI推動著自動化和運營效率的顯著提高。這方面的例子包括缺陷識別、庫存管理、預測性維護和可視計數能力。這些 AI 能力需要嵌入到工業半導體和系統中的專用處理器，提供大量的乘積累加運算，以確保處理時間和能源消耗不高于設計目標。

• 安全性與可靠性

工業制造控制要求采取嚴格的可靠性和安全預防措施。IEC 61508 規定了不同的安全完整性等級 (SIL)。工業應用領域的半導體通 常需要在多個不同用例中遵守安全標準，包括工藝自動化、機械、鐵路、核能等，如圖 3 所示。半導體廠商、半導體供應商甚至 IP 供應商都可能要遵守許多文檔記錄、可靠性和設計活動，使系統集成商通過 IEC 61508 子類別認證。這些活動對于確保安全和 可靠性措施的制定和不斷改進至關重要。

圖 3：多個不同用例中的安全標準

• 連接能力

工業4.0要求工廠車間和公司 IT 部門形成一個整體。這需要聚合多種不同的通信協議。多年來，工廠一直面臨著為提高效率而投入高昂成本升級專有和舊版本通信協議的困擾，而 IT 部門在管理不斷變化的消費者技術方面疲于應對。許多通信協議增加了軟件抽象層，旨在更好地向互連程度最高的工廠轉型，包括 CoAP、MQTT、XML、HTTP、AMQP 等。基礎硬件技術也在迅速演變，以提供低延遲、帶時間戳且功能豐富的兼容性連接能力。

• 吞吐量

許多工業系統需要通過更高的帶寬而提高工廠效率。數十年來，工業系統一直通過從串行協議轉變到以太網協議而實現持續改進。無線技術也正在工業系統中得到快速采用。然而，底層的半導體 IP 協議在系統改進方面也發揮了重要作用。這包括更高內存吞吐 量、在工業系統增加更多 SoC，以及具有高可靠性的長距離以太網能力。

• 防護能力

全球互連帶來了新的風險，互聯網連接相關的勒索軟件、IP盜竊和其他惡意活動對安全防護提出了明確的需求。保護制造和商業基礎設施中的寶貴資源已成為工業設計的重要考量因素。有些領域還有其他標準和最低安全要求。半導體和支持系統越來越接受通過硬件安全方法正確實施和維護這些升級。

工業半導體的難題

當前，工業物聯網應用落地存在諸多難點，包括物聯網方案的交付場景多樣化，在多場景交付中適配工作量大、交付效率低甚至無法交付等問題。與之相應，工業SoC也需要考慮諸多難點。

工業 SoC 的可靠性和安全性考量一直是整體系統要求中的重要組成部分。然而，許多工業應用都很難找到合適的半導體解決方案，因為大多數工業應用的體量不能保證定制硅片的合理性，鑒于此，系統集成商不得不自己構建，或者依靠傳統半導體供應商修改或升級那些無法滿足嚴格可靠性和安全性需求的現成解決方案。

但當前，新思科技提供的IP擁有滿足行業應用所需要的許多安全性和可靠性文檔、流程與特性，使系統集成商或半導體提供商更容易采用滿足安全性和可靠性需求的關鍵 IP 模塊構建 SoC。

DesignWare ARC 處理器和接口IP解決方案（如 PCI Express (PCIe)、DDR、MIPI、USB 和其他許多 IP 解決方案）提供了必要的流程、文檔以及可靠性和安全性方面的特性，可滿足非常嚴格的工業安全要求。這包括存儲器中的錯誤檢查校正 (ECC) 能力、文檔以及 為保障安全性和可靠性而提供的固有流程。另外，用于啟動時進行冗余檢查的雙鎖步處理和安全管理器、定期測試管理以及用于安全機制測試的錯誤注入等IP特性滿足了功能安全方面的全部需求。

強大的連接能力要求工業半導體同時使用有線和無線IP。近年來，業內對以太網時間敏感網絡 (TSN) 功能的支持需求一直提高。新思科技推出了支持 TSN 的以太網控制器，已在工業應用中被廣泛采用。

基于802.15.4的解決方案為計量、工廠自動化和樓宇控制提供了連接能力，但最近，隨著 Google、Amazon和Apple 等大型提供商為利用基于802.15.4并整合低功耗藍牙、Thread 和 Zigbee 確保無縫互連的解決方案實現家庭自動化提供了路線圖，互操作性不斷成熟。新思科技的 DesignWare 藍牙、Thread 和 Zigbee IP 憑借優化的功耗、性能和面積 (PPA) 為此類硬件實施提供了基本的構件。

更高的系統吞吐量還使工業系統能夠以低延遲能力實現實時控制。幾十年來，許多工業系統的響應時間都無法實現遠程實時響應，而實施的項目僅限于批處理或遠程監視。

隨著 5G 的出現及其將響應時間降低到1ms以下的目標，工業市場中的新應用成為了探索的目標。隨著半導體 IP 的發展，例如支持高達400G和800G以太網的高速 SerDes PHY，實時工廠控制和其他應用成為可能。DDR5 和 LPDDR5 等存儲器接口增加了系統的內存帶寬和容量。

目前，PCIe 5.0 也被迅速采用，用于連接工業服務器以及芯片到芯片的高速接口。特別需要指出的是，Compute Express frame (CXL) 協議專注于提供低延遲和緩存一致性能力，可為系統設計提供更大的靈活性，并縮短工業服務器和網絡接口卡（NIC）的響應時間。新思科技是接口 IP 領域的領導者，為工業 SoC 設計提供 了最全面的經過硅驗證的 IP 解決方案。

安全破壞事件越來越多，而且我們需要實施硬件來保護系統免受這些威脅的侵害。為了防御這些攻擊，硬件的信任IP根至關重要，包括在引導和SoC運行期間的保護。現在，為加密數據的傳輸而加速實施協議安全的舉措越來越多。保護工業 SoC 所需的 IP 包 括真實隨機數生成器 (TRNG)、安全引導、安全區域 (Secure Enclaves) 和受信任的執行環境、安全協議加速器等。新思科技推出了全面的安全 IP 和軟件解決方案。最近，接口 IP 協議的發展正加速安全硬件的采用。

人工智能（例如機器視覺）需要采用專門的處理器減少功耗，縮短計算時間，同時需要可靠、強大的傳感器連接能力。這需要多個關鍵 IP 組件。這些系統的傳感器接口采用最新的CMOS 圖像傳感器，而這些傳感器變得越來越復雜，包括多種圖像數據格式、高級顏色、高分辨率、SNR 等。

MIPI CSI-2 IP解決方案滿足了機器視覺的基本連接需求，包括每通道最高 4.5Gbps 的速度和24位精度。最近，這些解決方案新增了智能關注區域能力，可以僅在需要時才傳輸數據，這一能力非常適合機器視覺。新思科技推出了全面的 DesignWare MIPI IP 產品組合，包括 CSI-2、DSI/DSI-2、D-PHY、C-PHY 和 I3C，可確保設計人員采用可靠的連接解決方案進行工業實施。

視覺處理器也是針對AI算法的高效處理能力而優化的關鍵組件，包括標量、矢量和神經網絡數學的異構計算能力，以及在可實現 的芯片面積內支持此類復雜系統的基本軟件基礎架構。用于嵌入式視覺解決方案的新思科技 DesignWare ARC EV 處理器從一開始 就是專為采用優化型卷積神經網絡（CNN）和遞歸神經網絡（DNN）引擎的機器視覺應用而設計。DesignWare EV7x 視覺處理器 的性能高達 35 TOPS，可為機器視覺提供最先進的深度學習處理能力。

領先的工業企業都已在其工業SoC中采用了新思科技的DesignWare IP。通常，工業物聯網 / 自動化 SoC 設計正在取代傳統的 FPGA 和現成的解決方案，因為這些解決方案無法滿足快速增長且差異化的工業物聯網需求。

新思科技 DesignWare Security IP 已經滿足安全引導、密鑰管理、安全調試和安全固件更新等工業需求。公司在 IP 和實施方面的專業知識已經滿足工業 SoC 的嚴格要求，并且其表現優于內部、現成和FPGA 解決方案。

總結

全球范圍內的千行百業正尋求數字化轉型，這顯然已是不可逆轉的產業升級趨勢。5G、IoT、AI等前沿技術的進步勢必會加速這一步伐。

未來工業半導體市場提供的機遇會持續增加。相關企業需要通過遷移而采用更多定制解決方案，以滿足快速變化的虛擬世界中對 AI 能力、安全性和可靠性、連接能力、吞吐量和防護能力等方面的需求。工業應用的半導體 SoC 需要借助 IP 解決快速變化的環境所面臨的關鍵問題。這些問題包括高效的計算、可靠的通信以及安全的數據交換。要實施下一代解決方案，像新思科技這樣擁有經過硅驗證的 IP 解決方案組合的合作伙伴非常重要。