更快、更高、更好，M2M物聯(lián)網(wǎng)硬件發(fā)展的歷史必然

陳靖怡

2016年，在谷歌旗下的DeepSmind還沒(méi)通過(guò)AlphaGo一戰(zhàn)成名之前，Deepmind在AI（人工智能）方面最為人知的成就，是運(yùn)用AI大大降低了谷歌一個(gè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的溫控系統(tǒng)的電量消耗。40%的能耗節(jié)省，當(dāng)時(shí)令人眼前一亮，讓業(yè)界看到了AI工業(yè)運(yùn)用前景。但細(xì)心的觀眾會(huì)發(fā)現(xiàn)，谷歌在之后的幾年內(nèi)并沒(méi)有快速、大規(guī)模地運(yùn)用這項(xiàng)成果，僅在2018年有新聞指出這項(xiàng)技術(shù)在另一個(gè)數(shù)據(jù)中心有投入使用，之后便再次陷入沉寂。

難道是AI技術(shù)言過(guò)其實(shí)了嗎？并不然。AI的工業(yè)級(jí)應(yīng)用當(dāng)中，不管是機(jī)型機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)收集，還是最終將訓(xùn)練好的AI投入生產(chǎn)，都需要M2M（machine to machine）級(jí)別的物聯(lián)網(wǎng)。不僅僅是人工智能，自動(dòng)駕駛、智能物流等前沿技術(shù)的發(fā)展，都仰賴(lài)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及化。有如此大剛需， M2M級(jí)別的物聯(lián)網(wǎng)卻一直未能快速進(jìn)入到我們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，其中自然有“卡脖子”的技術(shù)。

新型技術(shù)的普及和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。從廣義的角度上講，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行設(shè)備間的直接信息交換、通信和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理等功能。換言之，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息與通信的世界里將產(chǎn)生新的溝通維度——不僅僅是任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與人、人與物的溝通鏈接，更是物與物之間的溝通鏈接——一個(gè)沒(méi)有人類(lèi)直接參與的網(wǎng)絡(luò)世界。它的目標(biāo)是使設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)自我報(bào)告、數(shù)據(jù)互換、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，從而提高信息處理效率，提升整體系統(tǒng)效率。這將比依靠人工整合、處理信息的系統(tǒng)更高效，并最終實(shí)現(xiàn)真正的系統(tǒng)自動(dòng)化。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用未來(lái)將在各種各樣的“智能”設(shè)備中。從傳送有關(guān)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的工業(yè)機(jī)器，到跟蹤有關(guān)人體信息的傳感器，物聯(lián)網(wǎng)可以被應(yīng)用到許許多多的領(lǐng)域。例如在城市規(guī)劃中，城市官員可以通過(guò)設(shè)置在繁忙街道上的交通傳感器，檢測(cè)道路交通情況，并提前告知駕駛員關(guān)于交通延誤或交通事故的信息。而于企業(yè)而言，戰(zhàn)略性地使用智能設(shè)備也將意味著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。例如，通過(guò)監(jiān)測(cè)有關(guān)能源使用和庫(kù)存的數(shù)據(jù)，企業(yè)可以更有效合理地調(diào)節(jié)其生產(chǎn)成本，或優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，甚至預(yù)測(cè)市場(chǎng)需求，做前瞻規(guī)劃。智能設(shè)備未來(lái)甚至還可以在AI輔助下，自行向消費(fèi)者推銷(xiāo)產(chǎn)品。繼人與人、人與物互聯(lián)之后，物聯(lián)網(wǎng)可以把人們從前無(wú)法觸及的90%以上的物品全部連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)全人類(lèi)生產(chǎn)力進(jìn)一步的大飛躍。

這種可能性，早在20世紀(jì)80年代，當(dāng)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一臺(tái)可口可樂(lè)自動(dòng)售貨機(jī)被改造成為第一臺(tái)連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備時(shí)，便有了端倪。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全面建設(shè)與完善，更充足的帶寬和通信速度，將容許更多的設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步滿足物聯(lián)網(wǎng)所需的通信要求。在5G建設(shè)之前，更多的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈只能面對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)服務(wù)。但隨著網(wǎng)絡(luò)中個(gè)人用戶終端（手機(jī)、PAD等）數(shù)量的增長(zhǎng)逐漸趨緩，M2M應(yīng)用必然成為大部分運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)發(fā)力點(diǎn)。以設(shè)備通訊控制為核心，M2M可以將原來(lái)效率較低或甚至不可能的信息傳輸應(yīng)用于商業(yè)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程、工業(yè)流程更加趨于自動(dòng)化。

M2M應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。從比較通俗易懂的遠(yuǎn)程抄表、樓道電燈操控，到生產(chǎn)監(jiān)控和設(shè)備管理，智慧城市管理、安防等。區(qū)別于一般個(gè)人通信業(yè)務(wù)，在M2M終端構(gòu)建的行業(yè)應(yīng)用中，各領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)信息采集、傳遞、計(jì)算的質(zhì)量要求差異較大，系統(tǒng)和終端部署的環(huán)境也各不相同，特別是千差萬(wàn)別的工業(yè)環(huán)境。例如，企業(yè)希望構(gòu)建集中化的信息系統(tǒng)，與自身資產(chǎn)建立長(zhǎng)久的通信連接，以便于管理和監(jiān)控。而這些資產(chǎn)往往分布各地，且數(shù)量較大。一部分資產(chǎn)配備的通信設(shè)備可能沒(méi)有外部供電的條件（即電池供電，而且可能是一次性的，既無(wú)法充電也無(wú)法更換電池），或單一的傳感器終端需要上報(bào)的數(shù)據(jù)量小、周期長(zhǎng)，因此企業(yè)往往需要更合理的通信成本來(lái)管理這部分資產(chǎn)。

此外，物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)在機(jī)器和機(jī)器之間的傳輸，更是機(jī)器與機(jī)器之間的一種智能化、交互式的通信——即使人們沒(méi)有實(shí)時(shí)發(fā)出信號(hào)，機(jī)器也會(huì)根據(jù)既定程序主動(dòng)進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對(duì)相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。而智能化、交互式也是M2M網(wǎng)絡(luò)有別于其它應(yīng)用的典型特征。PWC指出，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的融合可以歸因于六個(gè)主要因素：計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)價(jià)格下降；OT/ IT融合；基于云的大數(shù)據(jù)分析；設(shè)備數(shù)量不斷增長(zhǎng)；以及數(shù)據(jù)傳輸阻力減少。物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將允許人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)越來(lái)越多地整合至生產(chǎn)環(huán)境中，大量的數(shù)據(jù)將自動(dòng)化，如優(yōu)化送貨路線規(guī)劃、或制定農(nóng)作物收割時(shí)間計(jì)劃。

產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成為必然，使得我們對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)處理能力提出更高的要求，一方面，需要處理的信息數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，另一方面，隨著各方面標(biāo)準(zhǔn)的提高，數(shù)據(jù)處理難度也會(huì)越來(lái)越大，處理效率亟待提高，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署環(huán)境適應(yīng)要求也越來(lái)越高。

更快速、高容量、低耗電、低成本、環(huán)境耐受度高，2016年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正是無(wú)法完全滿足這些需求，使得仰賴(lài)物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)設(shè)施的AI無(wú)法大量在生產(chǎn)環(huán)境中部署。如今，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)從材料到產(chǎn)品設(shè)計(jì)都更為成熟，現(xiàn)今發(fā)展已久的閃存技術(shù)也已被證實(shí)可以完全應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

在功耗方面，新興的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備裝置往往需要外接觸控面板做為圖像控制接口，或是需要較強(qiáng)的圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別等邊緣運(yùn)算功能，且滿足低成本、低功耗、運(yùn)算效能等各種設(shè)計(jì)考慮。特別是對(duì)智能音箱、智能量表等的電池供電裝置來(lái)說(shuō)，電池壽命已成為影響產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵，這也使得低功耗特性日益重要。若要達(dá)到長(zhǎng)時(shí)效的電池壽命，除了考慮MCU功耗外，還需搭配其他低功耗的外圍零件，以華邦的HyperRAM為例，其待機(jī)功耗為90uW@1.8V，而同容量S D R A M約為2000u W@3.3V。HyperRAM？在Hybrid Sleep Mode下，其功耗僅有45uW@1.8V，與SDRAM的一般待機(jī)功耗相比，有顯著的優(yōu)勢(shì)。

在工業(yè)應(yīng)用的愿景上，物聯(lián)網(wǎng)需要將數(shù)十億以上的設(shè)備連接到全球網(wǎng)絡(luò)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均成本必須要夠小。受益于串行式閃存的泛用性，關(guān)注成本的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員可利用其極高的數(shù)據(jù)傳輸率來(lái)實(shí)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)模型的架構(gòu)。高速串行式閃存能使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擁有高速存取的能力，省去DRAM內(nèi)存并使用低成本、僅內(nèi)嵌足夠容量SRAM的主控芯片（SoC）。這種以閃存為基礎(chǔ)的架構(gòu)在減少組件數(shù)量、大小和物料清單（BOM）成本的同時(shí)，仍可保持系統(tǒng)應(yīng)用程序所需的效能。在兩種類(lèi)型的串行式閃存——NOR閃存和NAND閃存中，NOR閃存在本質(zhì)上使用的是較為可靠的結(jié)構(gòu)，無(wú)須錯(cuò)誤修正碼（ECC）即能可靠地運(yùn)作。對(duì)于內(nèi)存容量小于256 Mb 的應(yīng)用，通常最符合成本效益的選項(xiàng)是串行式NOR閃存。而對(duì)于內(nèi)存容量等于或大于256 Mb的應(yīng)用，通常會(huì)選用較便宜的串行式NAND閃存。

最后，不論是在消費(fèi)性電子還是在工業(yè)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)連接的終端用戶都在不斷增加。因而對(duì)用戶隱私和安全性方面的產(chǎn)生考驗(yàn)，很大程度上會(huì)成為限制物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要因素，建立信任根和數(shù)據(jù)保密性也成為應(yīng)用設(shè)計(jì)者在開(kāi)發(fā)新的連接設(shè)備時(shí)最大的考慮。鑒于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于安全解決方案需求迅速攀升，若要解決各種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、價(jià)值鏈與生態(tài)系的安全性問(wèn)題，必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間就開(kāi)始著手設(shè)計(jì)安全。對(duì)于廣泛且穩(wěn)定地采用硬件信任根的物聯(lián)網(wǎng)解決方案和基礎(chǔ)架構(gòu)而言，建全的硬件信任是必需的。華邦的TrustME？ W75F及W77Q安全閃存，分別擁有共同準(zhǔn)則EAL5+和EAL2認(rèn)證的安全閃存，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供不同安全等級(jí)的安全閃存解決方案，滿足在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及其他高安全需求的領(lǐng)域應(yīng)用上，對(duì)隱私、認(rèn)證、代碼和數(shù)據(jù)機(jī)密性的信任根等明確安全要求。

未來(lái)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)一步完善，人工智能與M2M應(yīng)用在全球物聯(lián)網(wǎng)中的發(fā)展應(yīng)用也將會(huì)進(jìn)一步普及，物聯(lián)網(wǎng)裝置設(shè)備對(duì)更高性能、更易于封裝、更低功耗以及更安全可靠的產(chǎn)品元件的要求將進(jìn)一步提升。2020年，由于全球因新型冠狀病毒肺炎的大規(guī)模流行，人們生活的各個(gè)方面在都短時(shí)間內(nèi)遭遇到了不同程度的影響。同時(shí)我們也必須看到，疫情過(guò)后，部分變化與趨勢(shì)將有可能會(huì)變成常態(tài)，如居家辦公和在家?jiàn)蕵?lè)，以及機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能代替部分人工等等。社會(huì)發(fā)展正在催化全球物聯(lián)網(wǎng)全速發(fā)展，并引發(fā)新一輪的互聯(lián)網(wǎng)革命——物聯(lián)網(wǎng)革命。