湊齊物聯網關鍵拼圖　晶片商強推嵌入式處理/安全方案

全面鎖定物聯網　高效/省電MCU競出籠

安謀國際(ARM)投資人關係副總裁Ian Thornton表示，今年初國際消費性電子展(CES)、全球行動通訊大會(MWC)兩大展會皆聚焦物聯網，導引電子科技產業及相關半導體供應商技術發展風向；根據品牌業者和晶片商的發展腳步，預估2015年智慧家庭、車聯網、工業自動化和穿戴式電子(圖1)等物聯網設計將全面起飛，並將於未來幾年維持高速成長。

資料來源：Gartner 圖1 穿戴電子以腕帶式裝置成長最為亮眼，2015∼2019年出貨量可望翻倍。

Thornton進一步指出，ARM處理器核心在2014年的總出貨量達到六十四億顆，其中運用在家庭，以及工業、車用等嵌入式系統領域的比重高達39%，已相當接近行動裝置市場的45%水準，足見物聯網蓬勃發展已帶動龐大的嵌入式處理器導入需求(圖2)，因此ARM也持續拓展Cortex-M/R系列的微控制器(MCU)及數位訊號處理器(DSP)核心陣容，以提供業界更完整的設計支援。

圖2 智慧嵌入式系統設計無所不在，至2020年將帶動250億美元產值。

事實上，意法半導體(ST)、恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)、飛思卡爾(Freescale)、瑞薩電子(Renesas Electronics)和芯科實驗室(Silicon Labs)等MCU大廠也都嗅到物聯網商機，持續增加32位元低功耗Cortex-M0/M0+，或較高效能但仍兼顧電源效率的Cortex-M3、M4和M7核心的MCU產品線，積極圈地市場。

其中，意法半導體針對效能、安全性和記憶體容量需求較高的高端物聯網應用，已率先發布Cortex-M7 MCU；另一方面，恩智浦則祭出MCU混搭核心設計，透過整合高效能Cortex-M4F和低功耗Cortex-M0+方案，打造適用於行動裝置、穿戴式電子的感測器中樞(Sensor Hub)，以大幅提高系統電源效率。 無獨有偶，德州儀器也主打功耗及效能均衡設計，近期推出新一代結合Cortex-M4F、DSP引擎的高性能32位元MCU，並在晶片內導入直接記憶體存取(DMA)、唯讀記憶體編碼(ROM Code)，以及將驅動程式內建在ROM的DriverLib in ROM等省電機制，以減輕CPU搬移資料的功耗負擔。

德州儀器台灣業務與應用事業現場應用工程師總監詹勳琪(圖3)表示，大部分物聯網系統皆須兼顧效能與功耗，包括大量感測器鏈結、人機介面、嵌入式安全管理及影像相關應用，因此該公司近年集中火力發展32位元高效能MCU，並運用自身在類比製程、訊號鏈設計方面的深厚經驗，大幅降低晶片整體耗電量。

圖3　TI台灣業務與應用事業現場應用工程師總監詹勳琪認為，工業、醫療MCU亦逐漸興起高可靠度FRAM導入需求。

詹勳琪進一步指出，以該公司最新Cortex-M4F MCU為例，其啟動功耗和待機功耗分別只有95微安培(μA)/MHz和850奈安培，每瓦效能甚至超越以低功耗著稱的Cortex-M0+方案；箇中設計關鍵在於整合高速14位元1MSPS類比數位轉換器(ADC)、線性穩壓器(LDO)等類比元件(圖4)，同時可運作於1.6?3.7伏特(V)的寬電壓範圍，進一步優化功效和效能，有助系統設計人員改善工業/建築自動化、工業感測、安防控制台、資產追蹤和智慧手表等設計的效能與電源效率。

此外，詹勳琪提到，對MCU和物聯網系統開發商而言，嵌入式安全解決方案的重要性正與日俱增，因此德州儀器也在新款MCU中引入IP保護功能、進階加密標準(AES)256硬體加密加速器，可確保資料和程式碼安全性讓開發人員能妥善保護晶片和系統內部資料。

資料來源：TI官方網站 圖4 德州儀器最新Cortex-M4F MCU架構圖

破除物聯網資安疑慮　嵌入式安全設計需求火紅

ARM應用工程經理徐達勇(圖5)表示，隨著智慧汽車內部電子零組件數量不斷翻升，車廠和一級(Tier 1)供應商對系統功能性安全和可靠度要求更是滴水不漏；尤其高階車款內建聯網、感測器、控制器和電源管理晶片數量平均已達近兩百顆(圖6)，如何達成冗餘設計、保障資料安全且不影響既有機械式系統的運作，已成為相關業者最重要的課題。

圖5 ARM應用工程經理徐達勇提到，未來ARM將針對多系列處理器核心發布安全文件集。

不僅汽車對嵌入式功能安全趨之若鶩，醫療、工業設備等與個人或商業機密資料相關的應用亦然，因此ARM已在今年初針對Cortex-R5處理器核心發布一套全方位安全文件集，以推動各領域的嵌入式安全設計加速成形，讓晶片商和系統廠得以最具成本效益的方式部署先進的物聯網系統。徐達勇指出，由Cortex-R5打頭陣後，ARM將持續為其他Cortex系列處理器核心量身打造安全文件，幫助半導體廠商開拓汽車、醫療和工業市場版圖。

事實上，在IEC 61508、ISO 26262的嚴密規範下，功能性安全已是晶片業者進軍汽車、工業市場必備的入場券。對此，ARM提供Cortex-R5處理器，並新增通用安全文件，工程師將可取得更多功能安全必要資訊，以加速開發安全係數較高的汽車動力總成(Powertrain)控制系統、先進駕駛輔助系統(ADAS)或工業自動化解決方案。

圖6 汽車電子控制單元分布及控制元件需求

現階段，ARM處理器核心內建編譯器亦已通過TUV SUD認證，有助軟體開發商更快達到IEC 61508 SIL 3、ISO 26262 ASIL D的最高規格要求。徐達勇更透露，下一階段，該公司也計畫將Cortex-A高階處理器核心中的記憶體管理單元(MMU)，引進Cortex-R系列核心設計架構，進而實現更多元行動和嵌入式作業系統支援能力。

物聯網嵌入式安全邁向系統級設計

飛思卡爾亞太區行銷總監曹躍瀧(圖7)強調，物聯網持續發展，各種電子裝置未來都將具備專屬的IP位址，這看似美好的願景卻暗藏許多隱密資料外洩或駭客入侵等問題。過去聯網裝置應用領域集中，系統廠僅以軟體負責網路安全的概念，在萬物聯網的時代將愈來愈行不通。

圖7 飛思卡爾亞太區行銷總監曹躍瀧指出，Thread聯盟全方位研擬系統、無線傳輸和嵌入式安全設計，有助推動智慧家庭。

以阿里巴巴、百度等網路公司為例，其近期皆設立硬體部門，目的就是在聯網裝置類型更加發散、數量遽增之際，掌握關鍵嵌入式安全硬體技術，以確保每一個可連上後端網路的路徑，不會成為駭客能輕易發動攻擊的盲點。

據國際市場研究機構顧能(Gartner)報告，2015年連上網路的裝置將達到四十九億部，比2014年大幅增加三成，而這個數字到2020年時更將增加到兩百五十億。該分析機構同時預測，到2017年時，有五成的物聯網解決方案將來自創辦時間少於3年的初創企業，這些新興系統也形成資安隱憂。惠普(HP)報告即指出，目前多達七成的物聯網裝置都是以未經加密的網路服務來傳輸資料。

曹躍瀧分析，大部分物聯網裝置新創公司都是從消費性電子領域切入，不容易在短時間內掌握汽車、工業和醫療等高層級的功能安全設計知識，這在未來機器對機器(M2M)、裝置對裝置(D2D)的全面互連環境中，無疑埋下了許多資安未爆彈，因此，業界亟須發展出涵蓋軟硬體元件的系統級嵌入式安全方案，以便補強各個物聯網接取點的安全性。

為此，飛思卡爾近期宣布多項重大計畫，積極推動系統級嵌入式安全標準及產品。曹躍瀧提到，該公司已與嵌入式微控制器評估協會(EEMBC)合作，將探索嵌入式系統的重大安全缺失，以建立基本指引，協助物聯網裝置設計者及代工廠商在製造階段就能有效防堵許多資安漏洞。該協會將在5月召開開發人員大會，提出更進一步的安全規範。

此外，飛思卡爾也搶先業界建立安全實驗室，發展從雲端、網路傳輸到端點的整體性安全技術，同時針對Start-up合作夥伴開設專門的IoT安全實務設計課程。曹躍瀧表示，該公司針對智慧汽車應用產品，已支援硬體安全模組(HSM)、安全硬體擴展(SHE)等車用標準；在工業、智慧家庭領域則分別加入工業物聯網聯盟(IIC)和Thread聯盟，成為業界唯一跨足多重安全標準設計的半導體廠商，將能加速實現物聯網系統級嵌入式安全方案。