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一文了解物联网主控芯片架构之争

2018-8-24 14:50| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 17249| 评论: 1|原作者: Boone|来自: 人工智能学家

摘要: 中兴事件引起了全球的轰动,大家的目光聚集在服务器、计算机、存储底层芯片技术缺乏之上。紫光等国产芯片供应商股票应声上涨。此次事件反应出了我国在芯片及其产业链上较为薄弱;毕竟PC时代,我们起步时间太晚。不过 ...

架构 开源 硬件 芯片 物联网

中兴事件引起了全球的轰动,大家的目光聚集在服务器、计算机、存储底层芯片技术缺乏之上。紫光等国产芯片供应商股票应声上涨。

此次事件反应出了我国在芯片及其产业链上较为薄弱;毕竟PC时代,我们起步时间太晚。不过在随即到来的物联网(芯片)时代,我们还是有希望实现弯道超车的。物联网芯片作为万物互联的重要部分之一,包含安全芯片、移动支付芯片、通讯射频芯片和身份识别类芯片等芯片产业,预计2020年我国物联网规模将达1.5万亿。接下来本篇文章主要介绍物联网主控芯片的几种架构。

国内外巨头纷纷布局物联网芯片
物联网光明的市场前景和尚未定型的IoT主控芯片架构市场,引得国内外巨头纷纷发力,抢占制高点。

国外方面,英特尔早在2014年便发布基于x86的名为爱迪生(Edison)芯片,紧接着2015年推出基于x86的居里(Curie)芯片;高通自然也不甘停滞于移动领域,于2016年首发基于自己Krait300架构骁龙600E和410E物联网芯片,Krait300架构是基于ARM V7 指令集的,性能介于ARM设计的A9、A15架构之间;三星也于2015年便发布Artik1、5、10三款物联网芯片,均基于ARM架构。此外,谷歌、AMD、英伟达等巨头也纷纷研发物联网芯片。

国内市场,联发科在2015年便推出基于ARM v7架构物联网芯片MT2503,已广泛用于共享单车领域,并于今年与微软达成协议,合作推出首款AzureSphere芯片MT3620;华为海思于2016年9月推出首款正式商用物联网芯片,其Boudica 120、150芯片也于2017年下半年大规模出货,均基于ARM架构;此外,中芯国际、华虹宏力、台积电、展讯、华润微、联芯科技等厂商也纷纷布局物联网芯片市场。

物联网芯片架构
万物互联的前提是智能终端设备与传感器的连接,其应用场景和特性使得物联网芯片偏向低功耗和高整合度,低功耗使得开发人员能够为功耗受限设备增添功能,同时保持芯片尺寸,扩大应用可能性。添加高集成度的元件可实现芯片的即插即用,简化应用开发,方便设备更新换代,便于产品快速推向市场。

由于物联网应用特点和场景需求,高效、精简的指令集和低功耗的芯片是更好的选择。因此究竟什么架构会是适合物联网专用芯片呢?

ARM架构


随着智能手机的发展,ARM构架在这几年算是大放异彩,ARM是RISC微处理器的代表作之一,较大的特点在于节能,广泛的在嵌入式系统设计中被使用,甚至很多人心中默认的物联网芯片就是ARM构架。

目前市面上芯片架构主要以x86和ARM为主。相比基于复杂指令集的x86架构,ARM架构由于采用精简指令集,其芯片更为精简、功耗更低,而物联网的特性和应用场景又要求其使用的芯片必须考虑功耗和集成度,这使得基于ARM架构的物联网芯片在万物互联的时代占据着先天优势。

事实也正是如此,如上文提到的高通600E和410E物联网芯片、华为Boudica 120和150物联网芯片以及三星Artik1、5、10三款物联网芯片,均基于ARM架构,联发科采用ARM v7架构的MT2503物联网芯片已广泛用于共享单车领域。

x86
面前市面上基于x86架构的物联网芯片恐怕只有英特尔一家,其2014年和2015年推出的Edison、Curie均基于x86架构。或许是意识到x86架构在物联网时代的无奈,英特尔后继针对物联网开发的芯片虽仍然基于x86架构,但在内部精简系统指令并对耗能问题进行控制,这样的做法也变相承认了x86架构在物联网时代走不通。

于是Intel宣布斥资167亿美元,以每股约54美元的价格收购全球第二大FPGA厂商Altera(阿尔特拉),这是Intel成立47年以来历史上规模较大的收购。本次Intel的收购对应的估值高达35倍,这在半导体领域已经非常罕见。


Intel收购Altera,主要基于三方面考虑:

第一、IBM与全球第一大FPGA厂商Xilinx合作,主攻大数据和云计算方向,这引起Intel的巨大担忧。Intel已经在移动处理器落后,大数据和云计算领域不能再落后。Intel此次与Altera合作,将开放Intel处理器的内部接口,形成CPU+FPGA的组合模式。其中FPGA用于整形计算,cpu进行浮点计算和调度,此组合的拥有更高的单位功耗性能和更低的时延。

第二、IC设计和流片成本。随着半导体制程指数增长,FPGA在物联网领域将替代高价值、批量相对较小(5万片以下)、多通道计算的专用设备替代ASIC。同时,FPGA开发周期比ASIC短50%,可以用来快速抢占市场

第三、Intel收购Altera其实是看好物联网领域的机会。之前FPGA的主要作用之一是用于原型设计,先用FPGA做功能验证然后用ASIC流片,是为了在节约成本的情况下更好的设计ASIC。但是随着FPGA自身的性能、能力与可实现逻辑的复杂度的不断提升,现在FPGA在高性能、多通道计算领域可以直接代替一些部分分ASIC和和DSP来使用,主要原因三点:并行运算、硬件结构可变、运行中可以更改。

FPGA
物联网的特点之一便是场景应用的多样性,这要求物联网芯片功能不必复杂,但需满足不同场景的开发需求。FPGA的出现为物联网芯片提供了新的可能性,其可编程设计优势能帮助开发者缩短研发时间,从硬件结构的改变来适应算法的要求,以满足物联网多样性的定制化需求。


FPGA主要应用于视频、工业、通信、汽车等领域,因为这些领域一般表现为芯片使用量少、应用差异化严重、功能没有完善、功耗要求不高、性能要求稳定可靠等特点。但是对于消费类应用领域而言,首要考虑的因素是价格和功能。

价格最便宜的FPGA也高于其他芯片的好几倍,例如xilinx的FPGA价格最少是在10美金以上。除价格之外,FPGA的功耗至少比主控芯片高一个数量级以上,几乎不可能应用在可穿戴式设备这种领域中,而用在一些高端的消费类市场应用较多,如高端电视机、中央空调等。

国际大厂的态度基本上都是不看好FPGA在消费类智能硬件中的应用,价格和功耗是较大的挑战。

虽然功耗和价格并不占优势,但是在定制化需求提升的情况下,FPGA可编程、端口灵活的优势就变的尤为重要。

RISC-V
除ARM外,基于精简指令集另一架构便是RISC-V。

RISC-V是一款基于精简指令集袁泽创建的开源指令集架构(ISA),从2010年开始RISC-V架构出现到现在,它正在以开源(免费的)优势快速成长。基于RISC-V的芯片企业不断出现,面向物联网、 人工智能、嵌入式等市场开放,与封闭的商业ISA表现出极大活力。

RISC-V指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实世界实现,但没有对特定微架构风格的过度架构。此外,RISC-V的另一大优势便是开源,这也意味着厂商无需花钱去购买ip,模块化也使得用户可根据需求自由定制,配置不同的指令子集。

据了解,目前特斯拉已加入RISC-V基金会,并考虑在新款芯片中使用RISC-V设计。西部数据和英伟达(NVIDIA)已宣布,计划在部分产品中引入这种新的芯片设计。

尽管以现在仅有8年历史的RISC-V架构挑战ARM还有一定难度,但是它提供了一种新的思路和方向。面对物联网平台快速成长,物联网应用大爆发的千载难逢的成长期,开源的RISC-V架构带来更低成本的芯片,必定会吸引一部分对成本敏感的IOT企业,其更好的灵活性也会带来定制化芯片的可能。

当然RISC-V目前还只是微处理器,对于Unix级应用处理器而言还需要更长的时间去实现应用。就目前市场来看,Intel主宰了数据中心领域, ARM主宰移动领域。而对于即将到来的物联网时代,生态链还处于新兴状态,更低的成本和更自由的设计应用对于RISC-V来说也许会迎来大爆发的机遇。

ASIC
ASIC芯片的优势是运算能力强、规模量产成本低,但开发周期长、单次流片成本高,主要适用于量大、对运算能力要求较高、开发周期较长的领域,比如大部分消费电子芯片和实验。

相较ASIC 来说,FPGA的功耗比较大,成本优势也不足以支撑高性价比的物联网,因此,目前针对边缘云计算的应用方案,ASIC的选用性更强。

ASIC可以依照产品需求的不同而定制化成不同的集成电路,虽然相比FPGA,ASIC性能更高、功耗更低,但其灵活性并没FPGA好。如今年7月底,谷歌便发布了ASIC芯片Edge TPU,旨在补充谷歌云的TPU芯片,进一步完善物联网市场。

总结
物联网芯片已成为国内外巨头眼中的香饽饽,英特尔x86架构统治PC芯片20年,ARM架构制霸移动通讯芯片,已经到来的物联网时代,ARM架构或者x86架构还能延续辉煌吗?

中兴解禁说明,全球电子产业属于一个生态,企图仅仅通过控制某一个环节,比如芯片来控制整个生态,是不现实的。而且由于是生态系统,相互之间也是控制和制约的,再加上芯片的需求根据应用领域各异,没有一个能包打天下。

目前情况来看,既要从整体生态的角度去分析和布局物联网技术,需要在关键技术上,强化自身实力,打造创新壁垒。 

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引用 mosesabc 2018-9-1 11:49
中兴受罚与技术无关,与善恶有关!
用美国人的技术给伊朗筑墙,这才是真正的问题!

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