嵌入式技術領域五大關鍵趨勢

作者 : John Koon,EE Times Europe特約作者

展望未來,在每個嵌入式設計中,無線連結、更快的嵌入式處理和運算、更多的網路攻擊和反擊解決方案、更複雜的虛擬實境以及AI等技術將會出現更多的爆炸性成長。

嵌入式技術正在不斷發展——速度更快、更小巧、成本更低。一台配備繪圖處理單元(GPU)的超級電腦可以一手掌握,而且價格不到100美元;可以用於人工智慧(AI)開發和機器學習。自動駕駛車輛控制所需的AI模組現在能直接裝載於車上。以下讓我們看看嵌入式技術領域的五大趨勢。

1. 呈現爆炸性成長的無線連結

根據Grand View Research預測,到2025年,物聯網(IoT)市場規模將達到1兆美元。這代表著數量眾多的連結;這些連結將改善我們生活的許多領域,包括製造業、零售業、能源、智慧城市、醫療保健、交通運輸等等。而製造業領域的工業4.0計畫可能成為第一個受益者,透通過預防性維護、即時資料監控,以及IoT連結所生成的報告,智慧工廠將能以更少的成本生產更多的產品。

5G時代讓資料傳輸速率提升到20Gbps,6G的速度可望更快。隨著低功耗廣域網路(LPWAN)的普及,再加上NimbeLink、Sequans、MultiTech、Elektronik、Digi和Telit等供應商提供的晶片和設備,無線連接的爆炸性成長將繼續加速,IoT將無所不在。

2. 速度就是一切

多核心處理器性能更好,是因為它們可以將單個核心專門用以執行獨特的運算任務,例如繪圖處理。而幾乎每個人都熟悉8核心或16核心處理器,不過最近英特爾(Intel)和AMD一直在推銷128核心處理器。IP供應商Arm已將基於5奈米節點的192核心處理器開發列入其產品藍圖,決心要超越所有其他處理器,無怪乎GPU龍頭Nvidia要砸400億美元的高價收購Arm。

每個人都在追求5G上網的超級速度(目前已證明能夠達到10Gbps的下行鏈路速度,4G LTE則為0.5Gbps),處理器、網際網路和系統將不僅僅是變得更快,而是超級快。

此外,量子運算的使命是為科學研究和機器學習提供非常快速的運算能力。量子運算可以在幾秒鐘內解決問題,而不像傳統電腦需要好幾天解決類似的問題。量子運算的方法不是使用位元(bit)來表示0或1,而是使用量子位元(quantum bit,或稱qubit)來同時表示0和1。

儘管量子運算速度很快,但是量子位元的量測是一個挑戰。不過,最近有一個芬蘭阿爾托大學(Aalto University)的團隊,僅使用很少的能量就量測出了量子位元,這可望推動該技術的快速發展。

控制量子位元將採用的路徑是另一個挑戰。但是,美國麻省理工學院(MIT)和美國紐約城市大學(City University of New York)的研究人員報告指出,在基於氮化鋁(aluminum nitride)的光子IC平台上可以生成並直接整合量子發射器。

毫無疑問,量子運算將在提高運算速度方面扮演要角,但其廣泛應用仍需要幾年的時間。

3. 網路攻擊日漸頻繁和危險

網路攻擊事件層出不窮,儘管這類攻擊總是破壞程度不一,但它們將變得越來越危險。舉例來說,當新冠病毒疫情在春季蔓延,世界衛生組織(WHO)發出警訊表示他們所遭遇的網路攻擊事件比去年同期增加了五倍。對烏克蘭電網的攻擊導致20萬客戶斷電,這些對日常生活造成了重大破壞,而且這些都不是孤立的事件。

惡意軟體有許多不同類型。在勒索病毒攻擊(ransomware attacks)中,駭客會「綁架」一個系統,要求受害者支付贖金以取回控制權;勒索軟體駭客變得越來越老練,也越來越貪婪,他們不僅襲擊企業和政府機構,甚至攻擊醫院。

2020年9月,德國某醫院一名患者的死亡與網路攻擊直接相關,她當時需要緊急醫療救護,但是所在的杜塞爾多夫(Düsseldorf)醫院正遭受勒索軟體攻擊,導致醫院無法提供挽救生命的必要服務;該名病人被重新送到20英哩外的一家醫院,但為時已晚。這是這類悲劇第一次出現在新聞報導中,但恐怕不會是最後一次。

隨著連結的增加和更高的5G速度,這類攻擊事件可能會變得更加頻繁。為了因應,各方組織正在加緊努力部署網路安全措施;預計到2025年,網路安全市場規模將達到2,540億美元。嵌入式安全軟體和硬體呈倍數成長,新的硬體設計有越來越多內建安全晶片,Infineon、Microchip、ST、Micron和華邦(Winbond)等晶片廠商都在打造這類安全晶片。

可以預見,網路攻擊與對抗網路攻擊陣營之間的「鬥法」將更加激烈。

4. 虛擬實境走進現實世界

自從遊戲專屬的3D虛擬實境(VR)技術問世,VR及相關產品已經發展成為一個利潤非常可觀的市場。最初的VR概念已經演變為擴增實境(AR)、混合/融合實境(MR)以及擴展實境(XR),這些技術已經擴展到工業和商業應用領域。

AR特別適合應用於人員培訓。使用者配戴透明護目鏡,資訊則是疊加在鏡片上;這些資訊可以是諸如執行設備維修步驟之類的指令。MR比AR更進一步,可讓使用者查看實際場景和其他可能的場景,融合現實以及創建的影像。

XR則是終極應用,可以投射出看起來像是實體物品的類全息影像(holographic-like)。舉例來說,XR能為遠端會議提供新維度──與傳統視訊會議不同,XR能讓參與會議的人就像是出現在使用者面前,就像實際召開面對面會議那樣。

可以提高生產力的VR應用廣泛,包括醫療、製造、培訓和娛樂。例如,醫師培訓需要許多實際操作體驗,即便機會不難有、設置成本卻很高。借助VR,可以為醫學實習生設置模擬練習,不必冒著在真人患者身上犯下嚴重錯誤的風險。

 

HoloLens mixed-reality smart glasses

Microsoft的HoloLens混合實境智慧眼鏡。

(圖片來源:Microsoft)

 

投資VR的一線大廠包括Microsoft、Google和Intel等。市場觀察家們預期,未來幾個月將出現更多VR創新和商機。例如因為疫情持續蔓延,全息影像虛擬會議就可能會是僅次於面對面(實體)會議的最佳選擇。

5. AI將出現在每一個嵌入式設計

人工智慧及其實際應用──也就是機器學習──正在蓬勃發展;隨著時間推移,預計會有更多的嵌入式設計導入AI。今日的AI幾乎可以應用於任何一個你想得到的領域,包括零售、醫療保健、自動駕駛、電子商務、製造業、供應鏈、工業控制、娛樂和銀行等等。

舉例來說,基於AI的系統可以配備攝影機,確保工人在操作過程中正確穿戴防護裝備。如今,配備了IoT與AI技術的智慧工廠可以藉由即時監控,以及讓AI做出可避免操作錯誤的決策來提高生產力。從長遠來看,AI可以做的更多:讓我們設想一個未來工廠的場景,該工廠會使用AI和機器人技術即時自我改造,以支援另一種產品的生產;例如原本為醫療設備設置的生產線,可能第二天就改為生產智慧手錶。

AI還能讓銀行業務與其他交易更安全。例如一家台灣的開源區塊鏈機構Flowchain,提出了一種將IoT、AI和區塊鏈技術結合的方案,可以創建更安全的數據採礦方案。區塊鏈是一種相對較新的電子分類帳解決方案,可確保安全性;當交易待處理時,所有利益相關者都會得到通知,並且必須都同意交易才能進行。

AI方面的策略結盟還包括Nvidia與VMware的合作,後者是一家能幫助工業領域廠商連結多個雲端服務平台的軟體公司;兩家公司的結盟旨在提供端對端的AI企業平台。而Intel已與德國海德堡大學運算中心(Heidelberg University Computing Center)達成協議,以追趕Nvidia的腳步。

在此同時,有越來越多AI硬體以更合理價格的上市。如Nvidia最近發表了重新包裝的GPU模組,價格僅59美元,瞄準大眾市場。這款小巧的模組提供許多I/O埠,包括USB、HDMI和Gbit乙太網路,支援基於該模組的開放源碼專案。

 

Jetson Nano 2GB

Nvidia的2GB Jetson Nano

(圖片來源:Nvidia)

 

此外AI新創公司Hailo最近推出以自家研發Hailo-8晶片為基礎的的AI加速模組,意圖與Google和Intel競爭。其他AI應用還有很多,隨著AI硬體價格的下降,嵌入式設計可望添加更多AI功能。

展望未來

一場疫情迫使我們以不同的方式看待一切。部分產業已經被顛覆,並且可能被永久改變──例如旅遊和娛樂產業的許多公司在艱困中自我改造,但也有一些公司被迫永遠歇業。遠距醫療則蓬勃發展,這獲益於新一代醫療設備讓醫師與患者能透過網路連線,人們在家中就可量各種生命徵象,並讓醫師從遠端讀取資料。

嵌入式技術將繼續成長,即便疫情可能會改變其發展路徑。展望未來,在每個嵌入式設計中,無線連結、更快的嵌入式處理和運算、更多的網路攻擊和反擊解決方案、更複雜的虛擬實境以及AI等技術將會出現更多的爆炸性成長。

責編:Judith Cheng 本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年1月號

(參考原文:Top 5 Critical Trends in Embedded Technology,by John Koon)

 

 

 

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