近年來，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的硬件和軟件能力顯著增長(zhǎng)，催生了新一代強(qiáng)大的應(yīng)用程序。
NXP Semiconductors邊緣處理業(yè)務(wù)線的軟件工程研發(fā)副總裁RobertOshana打破了圍繞邊緣計(jì)算的神話。1. 物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫吘壴O(shè)備只能承載基本的安全措施。安全是邊緣設(shè)備的基本要求，可以實(shí)施一系列的數(shù)字安全措施，以確保完整性、機(jī)密性、真實(shí)性和不可抵賴性等基本安全特性?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案越來越多地基于信任根(RoT)技術(shù)，其中加密安全算法托管在加固環(huán)境中，并保護(hù)其免受物理攻擊。在某些情況下，這些安全功能的計(jì)算開銷被卸載到一個(gè)嵌入式的、專用的安全芯片或可信平臺(tái)模塊(TPM)。在其他情況下，功能可以托管在多核微處理器的專用核心中。這種硬件和軟件安全子系統(tǒng)的組合確保了在應(yīng)用程序的整個(gè)生命周期中對(duì)惡意攻擊的最強(qiáng)防御。2. 由于廣域網(wǎng)絡(luò)中固有的延遲，邊緣處理無法支持實(shí)時(shí)應(yīng)用。新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛汽車、工業(yè)機(jī)器人和遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程手術(shù)，需要實(shí)時(shí)響應(yīng)水平。由于internet和其他廣域網(wǎng)的典型延遲，傳統(tǒng)的云計(jì)算模型無法支持這些類型的用例。因此，這些應(yīng)用結(jié)果推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和軟件中嵌入的計(jì)算能力的顯著提高。這些設(shè)備和軟件曾經(jīng)屬于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，現(xiàn)在可以托管在邊緣。這種增強(qiáng)的智能可以實(shí)現(xiàn)更多的本地決策，從而實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的響應(yīng)水平，從而為全新一代的高級(jí)應(yīng)用程序提供支持。3. 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)僅限于數(shù)據(jù)中心，因?yàn)樗鼈兊奶幚硇枨蟪隽诉吘売?jì)算的能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)硬件的發(fā)展，軟件的進(jìn)步一直是邊緣處理能力增長(zhǎng)的關(guān)鍵。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了使ML模型能夠部署在云中的工具，并將相關(guān)的推理任務(wù)下載到邊緣設(shè)備。邊緣設(shè)備上的ML軟件堆棧受益于高級(jí)硬件單元，例如圖形處理單元(GPU)、中央處理單元(CPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和神經(jīng)處理單元(NPU)加速器，可以在偶爾的云連接的情況下在本地執(zhí)行實(shí)時(shí)ML推理任務(wù)。這種邊緣智能水平的提高，支持依賴實(shí)時(shí)響應(yīng)率的更復(fù)雜的應(yīng)用程序的出現(xiàn)。4. 邊緣計(jì)算功耗高，不適合低功耗應(yīng)用。功耗是邊緣器件的一個(gè)關(guān)鍵特性。許多應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備或遠(yuǎn)程傳感器，必須在一次電池充電的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，或由替代能源供電。嵌入式MCU采用了一系列的功率優(yōu)化技術(shù)，包括使用低功率硅材料和根據(jù)使用情況劃分功能。一種關(guān)鍵的功耗優(yōu)化技術(shù)是對(duì)片上系統(tǒng)(SoC)架構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，以便不同的分區(qū)控制特定域——例如，實(shí)時(shí)域、應(yīng)用程序域和彈性域。功率優(yōu)化軟件通過只為任何給定時(shí)間需要的SoC部分供電，確保系統(tǒng)級(jí)的最低功耗。圖1說明了如何應(yīng)用這種技術(shù)來延長(zhǎng)智能手表等設(shè)備的電池壽命。圖1. 智能手表應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)功率域控制。(來源:NXP公司的《邊緣計(jì)算要領(lǐng)》)5. 互聯(lián)網(wǎng)將被越來越多的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所淹沒。聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的不斷增加是近年來互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者，一些分析師預(yù)測(cè)，2021年全球?qū)?chuàng)建74zettabytes的數(shù)據(jù)(1zettabyte相當(dāng)于1萬億千兆字節(jié))。隨著嵌入式邊緣設(shè)備的計(jì)算能力不斷提升，更多的數(shù)據(jù)處理發(fā)生在邊緣而不是云。這種本地?cái)?shù)據(jù)處理將大大減少必須在云中處理的數(shù)據(jù)量。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量與互聯(lián)網(wǎng)流量之間的線性關(guān)系將發(fā)生根本改變，互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將相應(yīng)減少。6. 物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備完全依賴于蜂窩連接才能發(fā)揮作用。無線網(wǎng)絡(luò)連接是可穿戴設(shè)備、家庭自動(dòng)化、智能建筑、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域廣泛的物聯(lián)網(wǎng)使用案例的基礎(chǔ)。個(gè)別物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的連接要求差異很大;國內(nèi)的智能照明系統(tǒng)依賴網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的遠(yuǎn)程傳感器需要低功耗聯(lián)網(wǎng)，工廠自動(dòng)化應(yīng)用需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，聯(lián)網(wǎng)汽車需要廣域覆蓋。目前，四種主要的無線協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中非常突出(圖2)。Wi-Fi-6在室內(nèi)空間提供高速、低延遲的連接，Zigbee、Thread和藍(lán)牙低能耗(BLE)在智能建筑和家庭中很受歡迎，例如，在需要低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的地方。超寬帶(UWB)可實(shí)現(xiàn)跟蹤應(yīng)用的精確定位，近場(chǎng)通信(NFC)提供安全的數(shù)據(jù)交換和訪問。圖2. 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中常用的四種無線協(xié)議 (來源:NXP公司的EdgeComputingEssentials)5G增強(qiáng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)能力正在推動(dòng)其在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，支持室內(nèi)和室外連接。因此，開發(fā)人員可以根據(jù)應(yīng)用程序的特定需求，從一個(gè)或多個(gè)已建立的無線通信標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行選擇，以確保設(shè)備的安全互操作性。7.將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用連接到云是復(fù)雜的，需要高技能的網(wǎng)絡(luò)工程資源和多方(廣域網(wǎng)提供商和云服務(wù)提供商)的管理才能使其工作。與此同時(shí)，云連接正迅速成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的默認(rèn)要求，帶來了遠(yuǎn)程診斷、OTA升級(jí)、遠(yuǎn)程設(shè)備管理和邊緣計(jì)算能力的增強(qiáng)等好處。然而，對(duì)于面臨不斷縮短的開發(fā)周期的設(shè)計(jì)師來說，利用多協(xié)議設(shè)備的額外靈活性，同時(shí)應(yīng)對(duì)云連接的復(fù)雜性，可能會(huì)增加本已緊張的項(xiàng)目的成本和時(shí)間。幸運(yùn)的是，在這些硬件和軟件開發(fā)的同時(shí)，可以使用越來越多的工具集來簡(jiǎn)化開發(fā)任務(wù)。例如，Matter是一種統(tǒng)一的、基于IP的連接協(xié)議，可簡(jiǎn)化多協(xié)議系統(tǒng)的開發(fā)。作為一種開源標(biāo)準(zhǔn)，Matter使開發(fā)人員能夠連接和構(gòu)建可靠、安全的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，并提高智能家居設(shè)備之間的兼容性。此外，包括AmazonWebServices(AWS)、MicrosoftAzure和GoogleCloud在內(nèi)的許多云提供商都在提供IoT軟件開發(fā)工具包(SDK)，以便更輕松地從IoT設(shè)備連接到云。8. 部署在現(xiàn)場(chǎng)的邊緣設(shè)備將很快被下一代無線協(xié)議淘汰。物聯(lián)網(wǎng)中使用的各種無線通信協(xié)議由已建立的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（如IEEE和3GPP）管理。這些組織管理各自標(biāo)準(zhǔn)的演變，以確?？绨姹镜南蚝蠹嫒菪浴４送?，隨著在軟件堆棧中實(shí)現(xiàn)的功能比例的增加，版本之間的升級(jí)可以通過無線(OTA)下載來完成。開發(fā)人員也越來越能夠利用多模設(shè)備來增加通信協(xié)議的靈活性和可選擇性。9. 用戶將失去干預(yù)由邊緣設(shè)備運(yùn)行的進(jìn)程的能力。許多邊緣設(shè)備SoC集成了強(qiáng)大的圖形處理器，使數(shù)據(jù)能夠安全地呈現(xiàn)在邊緣設(shè)備本身上，而不是通過云。此外，設(shè)備強(qiáng)大的本地處理能力可用于解釋和呈現(xiàn)各種用戶友好的可視化安排的數(shù)據(jù)，如圖表或地圖。在所有用例中都可以看到這種功能的示例。工廠車間的信息面板使操作員能夠監(jiān)控過程效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并隨后采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。現(xiàn)代聯(lián)網(wǎng)汽車的駕駛艙包含數(shù)字儀表板，可為駕駛員提供汽車狀態(tài)、導(dǎo)航和路線信息等信息。在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)生和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員不斷參考由人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字助理屏幕、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。在消費(fèi)者層面，可穿戴設(shè)備、電器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都會(huì)收集經(jīng)過處理并在屏幕上呈現(xiàn)給用戶的數(shù)據(jù)。本地處理和高級(jí)圖形功能的強(qiáng)大組合，實(shí)現(xiàn)了用戶和邊緣設(shè)備之間可定制的高水平交互。10. 開發(fā)邊緣應(yīng)用程序復(fù)雜且耗時(shí)，需要大量高技能、昂貴的資源。開發(fā)邊緣計(jì)算設(shè)備無疑是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橛布膹?fù)雜性增加，固件需要更多的功能，開發(fā)流程的變化以達(dá)到更高的生產(chǎn)力。不過，市場(chǎng)上有大量工具集可供使用，其可以幫助開發(fā)人員克服在開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高效率的障礙。這些工具有助于快速構(gòu)建和自動(dòng)化構(gòu)建，并且支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析功能的測(cè)試和交付。項(xiàng)目的復(fù)雜性將決定所需的確切工具。然而，一個(gè)基本軟件項(xiàng)目的典型集合（圖3）將包括一個(gè)可視化編輯器、一個(gè)GNU編譯器集合(GCC)和相關(guān)的構(gòu)建工具，例如用于調(diào)試和完成二進(jìn)制文件的GNU調(diào)試器(GDB)，以及用于將文件復(fù)制到聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備的安全復(fù)制協(xié)議(SCP)。圖3. 軟件項(xiàng)目的典型工具集包括對(duì)編輯、構(gòu)建、調(diào)試和部署階段的支持。(來源:NXP公司《邊緣計(jì)算要領(lǐng)》)選擇正確的流程和正確的工具，將確保在預(yù)算和時(shí)間限制內(nèi)持續(xù)開發(fā)高質(zhì)量的應(yīng)用程序。11. 邊緣計(jì)算應(yīng)用程序的開發(fā)周期很長(zhǎng)，會(huì)影響上市時(shí)間。在當(dāng)今快節(jié)奏的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中，快速上市至關(guān)重要。生態(tài)系統(tǒng)中的所有參與者都在使用旨在壓縮時(shí)間尺度和預(yù)算的工具來支持其產(chǎn)品。SoC制造商提供開發(fā)套件和模塊，以實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)和評(píng)估，嵌入式Linux等操作系統(tǒng)變體簡(jiǎn)化了實(shí)時(shí)開發(fā)，云提供商提供AWS和Azure等工具來支持快速云連接。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，這些工具使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用程序的細(xì)節(jié)，將安全性和連接性等功能的技術(shù)細(xì)節(jié)抽象為可以輕松集成到最終產(chǎn)品中的打包解決方案。- 蜜度索驥：以跨模態(tài)檢索技術(shù)助力“企宣”向上生長(zhǎng)
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