嵌入式處理與安全晶片炙手可熱。智慧家庭/城市,、車聯(lián)網(wǎng)、穿戴電子等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用火熱發(fā)展,,帶動(dòng)嵌入式處理器和安全晶片龐大需求,,因而吸引半導(dǎo)體廠商加緊研發(fā)新一代方案,以滿足系統(tǒng)廠提升處理效率,、安全性,,并降低整體功耗的多重需求。
嵌入式處理/安全技術(shù)導(dǎo)入需求急速增溫,。近年整個(gè)電子科技產(chǎn)業(yè)圍繞著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)氛圍,,從前不須涉獵聯(lián)網(wǎng)、感測(cè)和嵌入式安全應(yīng)用,,對(duì)功耗要求也沒那么嚴(yán)格的汽車,、家電或工業(yè)設(shè)備等系統(tǒng)開發(fā)商,亦受到這股風(fēng)潮的感染,,開始擴(kuò)大尋求低功耗嵌入式處理,、系統(tǒng)級(jí)資訊安全技術(shù),并將其視為進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的必備要素,,因而吸引半導(dǎo)體供應(yīng)商競(jìng)相布局相關(guān)解決方案,。
安謀國(guó)際(ARM)投資人關(guān)系副總裁Ian Thornton表示,今年初國(guó)際消費(fèi)性電子展(CES),、全球行動(dòng)通訊大會(huì)(MWC)兩大展會(huì)皆聚焦物聯(lián)網(wǎng),,導(dǎo)引電子科技產(chǎn)業(yè)及相關(guān)半導(dǎo)體供應(yīng)商技術(shù)發(fā)展風(fēng)向;根據(jù)品牌業(yè)者和晶片商的發(fā)展腳步,,預(yù)估2015年智慧家庭,、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化和穿戴式電子(圖1)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)將全面起飛,,并將于未來幾年維持高速成長(zhǎng),。
圖1 穿戴電子以腕帶式裝置成長(zhǎng)最為亮眼,2015?2019年出貨量可望翻倍,。 資料來源:Gartner
Thornton進(jìn)一步指出,,ARM處理器核心在2014年的總出貨量達(dá)到六十四億顆,其中運(yùn)用在家庭,,以及工業(yè),、車用等嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的比重高達(dá)39%,已相當(dāng)接近行動(dòng)裝置市場(chǎng)的45%水準(zhǔn),,足見物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展已帶動(dòng)龐大的嵌入式處理器導(dǎo)入需求(圖2),,因此ARM也持續(xù)拓展Cortex-M/R系列的微控制器(MCU)及數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)核心陣容,以提供業(yè)界更完整的設(shè)計(jì)支援,。
圖2 智慧嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)無所不在,,至2020年將帶動(dòng)250億美元產(chǎn)值,。
全面鎖定物聯(lián)網(wǎng) 高效/省電MCU競(jìng)出籠
事實(shí)上,意法半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)等MCU大廠皆嗅到物聯(lián)網(wǎng)商機(jī),,持續(xù)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(chǎn)品線,積極圈地市場(chǎng),。
其中,,意法半導(dǎo)體針對(duì)效能、安全性和記憶體容量需求較高的高端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,,已率先發(fā)布Cortex-M7 MCU,;另一方面,恩智浦則祭出MCU混搭核心設(shè)計(jì),,透過整合高效能Cortex-M4F和低功耗Cortex-M0+方案,,打造適用于行動(dòng)裝置、穿戴式電子的感測(cè)器中樞(Sensor Hub),,以大幅提高系統(tǒng)電源效率,。
無獨(dú)有偶,德州儀器也主打功耗及效能均衡設(shè)計(jì),,近期推出新一代結(jié)合Cortex-M4F,、DSP引擎的高性能32位元MCU,并在晶片內(nèi)導(dǎo)入直接記憶體存取(DMA),、唯讀記憶體編碼(ROM Code),,以及將驅(qū)動(dòng)程式內(nèi)建在ROM的DriverLib in ROM等省電機(jī)制,以減輕CPU搬移資料的功耗負(fù)擔(dān),。
圖3 TI臺(tái)灣業(yè)務(wù)與應(yīng)用事業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師總監(jiān)詹勛琪認(rèn)為,,工業(yè)、醫(yī)療MCU亦逐漸興起高可靠度FRAM導(dǎo)入需求,。
德州儀器臺(tái)灣業(yè)務(wù)與應(yīng)用事業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師總監(jiān)詹勛琪(圖3)表示,,大部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)皆須兼顧效能與功耗,包括大量感測(cè)器鏈結(jié),、人機(jī)介面,、嵌入式安全管理及影像相關(guān)應(yīng)用,因此該公司近年集中火力發(fā)展32位元高效能MCU,,并運(yùn)用自身在類比制程,、訊號(hào)鏈設(shè)計(jì)方面的深厚經(jīng)驗(yàn),,大幅降低晶片整體耗電量。
詹勛琪進(jìn)一步指出,,以該公司最新Cortex-M4F MCU為例,,其啟動(dòng)功耗和待機(jī)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,;個(gè)中設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于整合高速14位元1MSPS類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC),、線性穩(wěn)壓器(LDO)等類比元件(圖4),同時(shí)可運(yùn)作于1.6-3.7伏特(V)的寬電壓范圍,,進(jìn)一步優(yōu)化功效和效能,,有助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員改善工業(yè)/建筑自動(dòng)化、工業(yè)感測(cè),、安防控制臺(tái),、資產(chǎn)追蹤和智慧手表等設(shè)計(jì)的效能與電源效率。
此外,,詹勛琪提到,,對(duì)MCU和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)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(hù)功能,、進(jìn)階加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)256硬體加密加速器,可確保資料和程式碼安全性讓開發(fā)人員能妥善保護(hù)晶片和系統(tǒng)內(nèi)部資料,。
破除物聯(lián)網(wǎng)資安疑慮 嵌入式安全設(shè)計(jì)需求紅
ARM應(yīng)用工程經(jīng)理徐達(dá)勇(圖5)表示,,隨著智慧汽車內(nèi)部電子零組件數(shù)量不斷翻升,車廠和一級(jí)(Tier 1)供應(yīng)商對(duì)系統(tǒng)功能性安全和可靠度要求更是滴水不漏,;尤其高階車款內(nèi)建聯(lián)網(wǎng),、感測(cè)器、控制器和電源管理晶片數(shù)量平均已達(dá)近兩百顆(圖6),,如何達(dá)成冗余設(shè)計(jì),、保障資料安全且不影響既有機(jī)械式系統(tǒng)的運(yùn)作,已成為相關(guān)業(yè)者最重要的課題,。
不僅汽車對(duì)嵌入式功能安全趨之若鶩,,醫(yī)療、工業(yè)設(shè)備等與個(gè)人或商業(yè)機(jī)密資料相關(guān)的應(yīng)用亦然,,因此ARM已在今年初針對(duì)Cortex-R5處理器核心發(fā)布一套全方位安全文件集,,以推動(dòng)各領(lǐng)域的嵌入式安全設(shè)計(jì)加速成形,讓晶片商和系統(tǒng)廠得以最具成本效益的方式部署先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),。徐達(dá)勇指出,,由Cortex-R5打頭陣后,ARM將持續(xù)為其他Cortex系列處理器核心量身打造安全文件,,幫助半導(dǎo)體廠商開拓汽車,、醫(yī)療和工業(yè)市場(chǎng)版圖,。
事實(shí)上,在IEC 61508,、ISO 26262的嚴(yán)密規(guī)范下,,功能性安全已是晶片業(yè)者進(jìn)軍汽車、工業(yè)市場(chǎng)必備的入場(chǎng)券,。對(duì)此,,ARM提供Cortex-R5處理器,并新增通用安全文件,,工程師將可取得更多功能安全必要資訊,,以加速開發(fā)安全系數(shù)較高的汽車動(dòng)力總成(Powertrain)控制系統(tǒng)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)或工業(yè)自動(dòng)化解決方案,。
現(xiàn)階段,,ARM處理器核心內(nèi)建編譯器亦已通過TUV SUD認(rèn)證,有助軟體開發(fā)商更快達(dá)到IEC 61508 SIL 3,、ISO 26262 ASIL D的最高規(guī)格要求。
徐達(dá)勇更透露,,下一階段,,該公司也計(jì)畫將Cortex-A高階處理器核心中的記憶體管理單元(MMU),引進(jìn)Cortex-R系列核心設(shè)計(jì)架構(gòu),,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更多元行動(dòng)和嵌入式作業(yè)系統(tǒng)支援能力,。
飛思卡爾亞太區(qū)行銷總監(jiān)曹躍瀧(圖7)強(qiáng)調(diào),物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)展,,各種電子裝置未來都將具備專屬的IP位址,,這看似美好的愿景卻暗藏許多隱密資料外泄或駭客入侵等問題。過去聯(lián)網(wǎng)裝置應(yīng)用領(lǐng)域集中,,系統(tǒng)廠僅以軟體負(fù)責(zé)網(wǎng)路安全的概念,,在萬物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代將愈來愈行不通。
物聯(lián)網(wǎng)嵌入式安全邁向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)
以阿里巴巴,、百度等網(wǎng)路公司為例,,其近期皆設(shè)立硬體部門,目的就是在聯(lián)網(wǎng)裝置類型更加發(fā)散,、數(shù)量遽增之際,,掌握關(guān)鍵嵌入式安全硬體技術(shù),以確保每一個(gè)可連上后端網(wǎng)路的路徑,,不會(huì)成為駭客能輕易發(fā)動(dòng)攻擊的盲點(diǎn),。
據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)顧能(Gartner)報(bào)告,2015年連上網(wǎng)路的裝置將達(dá)到四十九億部,,比2014年大幅增加三成,,而這個(gè)數(shù)字到2020年時(shí)更將增加到兩百五十億,。該分析機(jī)構(gòu)同時(shí)預(yù)測(cè),到2017年時(shí),,有五成的物聯(lián)網(wǎng)解決方案將來自創(chuàng)辦時(shí)間少于3年的初創(chuàng)企業(yè),,這些新興系統(tǒng)也形成資安隱憂?;萜?HP)報(bào)告即指出,,目前多達(dá)七成的物聯(lián)網(wǎng)裝置都是以未經(jīng)加密的網(wǎng)路服務(wù)來傳輸資料。
曹躍瀧分析,,大部分物聯(lián)網(wǎng)裝置新創(chuàng)公司都是從消費(fèi)性電子領(lǐng)域切入,,不容易在短時(shí)間內(nèi)掌握汽車、工業(yè)和醫(yī)療等高層級(jí)的功能安全設(shè)計(jì)知識(shí),,這在未來機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M),、裝置對(duì)裝置(D2D)的全面互連環(huán)境中,無疑埋下了許多資安未爆彈,,因此,,業(yè)界亟須發(fā)展出涵蓋軟硬體元件的系統(tǒng)級(jí)嵌入式安全方案,以便補(bǔ)強(qiáng)各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)接取點(diǎn)的安全性,。
為此,,飛思卡爾近期宣布多項(xiàng)重大計(jì)畫,積極推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)嵌入式安全標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品,。曹躍瀧提到,,該公司已與嵌入式微控制器評(píng)估協(xié)會(huì)(EEMBC)合作,將探索嵌入式系統(tǒng)的重大安全缺失,,以建立基本指引,,協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)者及代工廠商在制造階段就能有效防堵許多資安漏洞。該協(xié)會(huì)將在5月召開開發(fā)人員大會(huì),,提出更進(jìn)一步的安全規(guī)范,。
此外,飛思卡爾也搶先業(yè)界建立安全實(shí)驗(yàn)室,,發(fā)展從云端,、網(wǎng)路傳輸?shù)蕉它c(diǎn)的整體性安全技術(shù),同時(shí)針對(duì)Start-up合作夥伴開設(shè)專門的IoT安全實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)課程,。曹躍瀧表示,,該公司針對(duì)智慧汽車應(yīng)用產(chǎn)品,已支援硬體安全模組(HSM),、安全硬體擴(kuò)展(SHE)等車用標(biāo)準(zhǔn),;在工業(yè)、智慧家庭領(lǐng)域則分別加入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)和Thread聯(lián)盟,,成為業(yè)界唯一跨足多重安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體廠商,,將能加速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)嵌入式安全方案,。