Tworzenie udanego Internet przedmiotów projektowanie wymaga dogłębnego zrozumienia przypadków użycia i długiej listy kompromisów między różnymi komponentami i technologiami, aby zapewnić najlepsze rozwiązanie we właściwej cenie.
Maksymalizacja cech i funkcji przy jednoczesnym minimalizowaniu kosztów to nieustanne równoważenie, a liczba wyborów może być przytłaczająca. Menu obejmuje wybór SoC, protokoły systemu operacyjnego i oprogramowania, opcje łączności bezprzewodowej i RF, korzystanie z sieci, zarządzanie energią i temperaturą, żywotność baterii i dostępne standardy IoT. Inne czynniki wpływające na te wybory to potrzeby w zakresie cyberbezpieczeństwa, częstotliwość operacyjna i szybkość transmisji danych, wymagania dotyczące czasu rzeczywistego i opóźnień, wielkość ładunku, bezpieczeństwo cybernetyczne, wytrzymałość zarówno dla konsumentów, jak i przemysłu, opakowanie i rozmiar, niezawodność systemu, sztuczna inteligencja i ogólne ograniczenia kosztowe.
„Projekty systemów IoT znajdują się pod ciągłą presją obniżania kosztów” — powiedział Ron Lowman, menedżer ds. marketingu strategicznego w firmie Synopsys. „Czasami trudno jest dodać nową funkcję, jeśli będzie ona kosztować więcej. Weźmy na przykład aparat słuchowy, który integruje bardzo zaawansowane możliwości zasilania w technologię, aby umożliwić przetwarzanie dźwięku o wiele niższej mocy w małym urządzeniu. Podczas gdy producenci aparatów słuchowych robią to od lat, reszta przestrzeni IoT nie przyjęła niektórych z tych technik, ponieważ wiąże się to ze zwiększonymi kosztami. Zawsze istniał kompromis między wydajnością energetyczną a niskimi kosztami, tak że zawsze pojawia się pytanie, ile klienci są skłonni zapłacić za dłuższą żywotność baterii. Istnieją zaawansowane technologie, techniki i optymalizacje, których opracowanie trwa zbyt długo lub są zbyt drogie. Dopóki dostawcy rozwiązań nie opracują zintegrowanych rozwiązań, które wyprzedzą powszechne aktualizacje przyrostowe nowej generacji dokonywane przez tradycyjnych dostawców półprzewodników, koszt będzie nadal głównym czynnikiem wpływającym na decyzje projektowe IoT SoC, w szczególności w zastosowaniach konsumenckich i przemysłowych.
Wpływ optymalizacji projektu na ogólny projekt
Optymalizacja projektu IoT jest specyficzna dla aplikacji i wpływa na ogólne parametry projektu. Na przykład w dużym przemysłowym zakładzie chemicznym monitorowanie temperatury jest ważne. Nieprawidłowo działający proces może być niebezpieczny, gdy temperatura jest zbyt wysoka, powodując niebezpieczne wycieki substancji chemicznych i wybuchy. IoT może służyć do monitorowania temperatury, a także wycieków.
W tym przypadku ogólne wymagania projektowe są w rzeczywistości dość proste. System IoT do monitorowania temperatury musi jedynie śledzić, czy temperatura przekracza ustalony limit. W przypadku wykrywania nieszczelności system musiałby po prostu wykryć, kiedy występuje nieszczelność.
W tym przypadku MCU w systemie wykrywania nieszczelności opartym na IoT musi wchodzić w interakcję z czujnikiem co 30 sekund lub krócej. W przypadku wycieku IoT wysyła alarm do serwera lub odpowiedzialnego menedżera, ale w przeciwnym razie pozostaje w trybie uśpienia. Nawet po ustawieniu alertu lub alarmu wymaga to tylko małego pakietu bez potrzeby dużej przepustowości. Można używać wielu sieci bezprzewodowych o niskim poborze mocy, takich jak Matter, LTE-M i Wi-SUN.
Podobnie w zastosowaniach do monitoringu, gdzie kamery są przechowywane w dużym zakładzie z konfiguracją wielozakładową, wymagane jest okresowe przesyłanie strumieniowe wideo za pomocą Wi-Fi lub podobnych technologii. W tym scenariuszu do obsługi wideo wymagana jest wyższa przepustowość. Dodatkowa moc potrzebna do obsługi większej przepustowości wpływa na ogólną żywotność baterii. Jeśli instalacje obejmują inteligentne światła uliczne lub sygnalizację świetlną, mniej jest obaw o żywotność baterii, ponieważ zwykle dostępne jest źródło zasilania.
„To, co napędza niektóre z tych działań, polega na tym, że natura sztucznej inteligencji zmienia całkiem sporo, jeśli chodzi o chipy specyficzne dla obciążenia” — powiedział Sailesh Chittipeddi, wiceprezes ds. Renesas. „Procesory nie wykonują już funkcji X, Y i Z, gdzie dla każdego obciążenia nie ma z tym żadnego narzutu. Tak już nie jest. Dlatego wszystkie te firmy stają się bardziej pionowe — aby dostarczać rozwiązania, których potrzebują. Wzajemne oddziaływanie między funkcjami elektrycznymi i mechanicznymi staje się coraz ważniejsze, a umiejscowienie konkretnego złącza może mieć znaczenie. Dlatego coraz więcej firm CAD angażuje się w wsparcie na poziomie systemu i projektowanie na poziomie systemu”.
Co chcesz osiągnąć?
Walt Maclay, prezes Voler Systems, firmy doradczej zajmującej się projektowaniem IoT, wskazał trzy ważne obszary optymalizacji urządzeń IoT — żywotność baterii, koszt i rozmiar. „Jest to szczególnie ważne w przypadku urządzeń do noszenia, ale większość urządzeń IoT ma te problemy” – powiedział. „Nigdy nie możesz mieć wszystkiego, czego zapragniesz. To kwestia wybierania kompromisów, a projektowanie inżynieryjne polega na kompromisach”.
Aby osiągnąć efektywność energetyczną, niezbędny jest wybór procesorów i czujników o niskim poborze mocy, ale musi też istnieć wystarczająca moc obliczeniowa lub szybkość do zadania, które ma wykonać urządzenie.
„Dodatkowo wybierz komunikację bezprzewodową o najniższej mocy, która będzie działać w aplikacji” — powiedział Maclay. „Bluetooth LE charakteryzuje się najniższym zużyciem energii w porównaniu ze standardową łącznością bezprzewodową, ale transmituje tylko na odległość od 10 do 30 stóp. Jeśli potrzebujesz transmitować do Internetu bez telefonu komórkowego, NB-IoT lub LTE-M to technologie bezprzewodowe o niskim zużyciu energii i niskiej prędkości, które przesyłają na wiele kilometrów”.
Ponadto oprogramowanie musi być starannie napisane i przetestowane, aby upewnić się, że jest to najniższa moc, jaką mogą zapewnić urządzenia. A zasilanie musi być wyłączone dla czujników, nadajników i innych części procesora, gdy nie są używane.
Rys. 1: Porównanie sieci rozległych małej mocy. Źródło: Voler Systems
Inne kwestie związane z projektowaniem wydajności energetycznej obejmują wybór najlepszych opcji przechowywania pamięci, rozmiar bloku pamięci, sprzężenie mocy obliczeniowej i pamięci, a także użycie akceleratorów sprzętowych AI, jeśli sztuczna inteligencja jest potrzebna. W zależności od zastosowania projekt może wymagać innej optymalizacji.
Maksymalizacja żywotności baterii IoT
Ponieważ IoT działa głównie na bateriach, optymalizacja żywotności baterii jest kluczem do utrzymania się w budżecie.
„Jedną z możliwości przedłużenia żywotności baterii jest aktywny i nieaktywny cykl pracy urządzenia” — powiedział Prakash Madhvapathy, dyrektor ds. Kadencja. „Gdy urządzenie działa tylko przez część dnia, element przetwarzający nie powinien być aktywny, nie generując danych z aktywnych czujników. Z drugiej strony ważne jest, aby przetwarzanie rozpoczynało się wkrótce po włączeniu urządzenia, co pozwala uniknąć ręcznej interwencji. Wymaganie nadzoru operatora może oznaczać utratę możliwości przetwarzania”.
Jeśli jednak element przetwarzający ma małą, energooszczędną część, która ma być zawsze włączona (AON), gdy główne przetwarzanie jest wyłączone, poziom naładowania baterii jest zachowany, gdy urządzenie jest nieaktywne.
„Część AON może wykryć włączenie urządzenia i obudzić główny blok przetwarzania” – powiedział Madhvapathy. „Kiedy kilka IIoT urządzenia wykorzystują tę technikę do wydłużania żywotności baterii, w zasadzie nie miały dostępu do architektur, które to umożliwiają. Przykładem kombinacji DSP, która umożliwia ten przypadek użycia, może być Cadence Tensilica HiFi 1 DSP wykonujący fuzję czujników w domenie AON w połączeniu z HiFi 5 DSP do przetwarzania domeny wydajności. HiFi 1 DSP został zaprojektowany do przeprowadzania fuzji czujników w trybie bardzo niskiego poboru mocy, szukając znaczącej aktywności czujnika. Utrzymuje HiFi 5 DSP w trybie wyłączenia, dopóki nie wykryje włączenia urządzenia. W tym momencie może włączyć HiFi 5 DSP, a HiFi 5 DSP może przetwarzać zgodnie z potrzebami w trybie aktywnym.
W tym samym duchu technologia Arm's Helium jest skierowana do projektów, które wymagają sztucznej inteligencji, a tym samym wyższej wydajności przetwarzania sygnału. „Na przykład technologia Helium w rdzeniach Cortex-M55 i M85 firmy Arm przyspiesza przetwarzanie sygnału i uczenie maszynowe, co będzie przydatne w przypadkach użycia, takich jak zaawansowane aplikacje wizyjne, które mogą wymagać zdolności uczenia maszynowego o wysokiej wydajności” — powiedział Thomas Lorenser, dyrektor obliczeń ogólnego przeznaczenia w Ramię. „Przypadki użycia, takie jak rozpoznawanie mowy, mają mniej wymagające obciążenia i mogą wymagać mniejszych możliwości uczenia maszynowego. Ponadto część chipa może być nieaktywna, co wpływa na ogólne zużycie energii przez chip. Wybór odpowiedniego IP dla aplikacji pomoże osiągnąć wyższą efektywność energetyczną w projekcie. Jeśli przepływy pracy projektowej wymagają uczenia maszynowego z przyspieszeniem przetwarzania sygnału, będzie to zużywać więcej energii”.
Energooszczędne chipy IoT
Aby umożliwić zespołom inżynierów projektowanie energooszczędnych produktów, pojawiają się nowe technologie, takie jak układ Wi-Fi + Bluetooth firmy InnoPhase. Z transmisją 81 mA, odbiorem 37 mA i bezczynnością około 150 uA (nominalnie), ma działać do roku.
Rys. 2: Założenia dotyczące energooszczędnego układu Wi-Fi. źródło: InnoPhase
Technologia Wi-SUN zaprojektowana z myślą o inteligentnych miastach, w tym inteligentnych sieciach energetycznych, ma specyfikację projektową żywotności baterii do 20 lat. Istnieje wielu dostawców chipów obsługujących Wi-SUN, w tym Texas Instruments i Silicon Labs. Chip Wi-SUN firmy Silicon Labs, który zawiera funkcję bezpieczeństwa „Secure Vault”, zużywa tylko 2.6 μA w trybie głębokiego uśpienia. Dla porównania, chip Texas Instruments Wi-SUN zużywa tylko 0.85 μA w trybie uśpienia przy pełnej pamięci i uruchomionych zegarach.
Aby uzyskać jeszcze dłuższą żywotność baterii, poprzez włączenie bloku zbierania energii do SoC IoT, możliwe jest wdrożenie IoT bez baterii lub zainstalowanie baterii, która wystarczy na całe życie” – powiedział Nick Dutton, starszy dyrektor ds. marketingu produktów w firmie Atmosic. „SoC może zbierać energię nie tylko ze światła, ale także z pobliskiej energii generowanej przez telefon komórkowy i tym podobne. Byłoby to idealne zastosowanie w sklepach detalicznych, gdzie elektroniczne metki cenowe mogą być aktualizowane bezprzewodowo.”
Ważną kwestią jest to, że baterie klasy konsumenckiej mają krótszy okres przydatności do spożycia i z czasem mogą wyciekać chemikalia. Do zastosowań IoT potrzebne są akumulatory klasy przemysłowej.
Rys. 3: Bezbateryjny SoC zawiera blok zbierania energii. źródło: atmosfera
Podczas gdy coraz więcej IoT obejmuje sztuczną inteligencję, ile jest naprawdę potrzebne?
Jak pokazano w powyższych przykładach, aplikacja do monitorowania wykrywania nieszczelności ma prosty, przewidywalny wzorzec. Albo jest wyciek, albo go nie ma. Projekt nie wymaga wysokowydajnego MCU. Jednak w zastosowaniach takich jak nadzór i ochrona instalacji sztuczna inteligencja może być wymagana. Aby zapobiec wejściu nieupoważnionego personelu, zainstalowane są kamery o wysokiej rozdzielczości w celu uwierzytelnienia tożsamości upoważnionego personelu. Może to wymagać karty identyfikacyjnej wraz z wykrywaniem twarzy lub odcisków palców. W zakładzie na wolnym powietrzu pracownicy mogą nosić rękawiczki. W tym przypadku wymagane jest wykrywanie twarzy, a co za tym idzie sztuczna inteligencja. Ale nie każda aplikacja wymaga sztucznej inteligencji.
Lowman z Synopsys wyjaśnił, że w przestrzeni IoT jest wiele innowacji. „Tradycyjnie programiści układów scalonych naciskają na wyższą wydajność i redukcję kosztów w miarę pojawiania się nowych produktów lub wydań na rynku” — powiedział. „Wyższe częstotliwości i kurczenie się węzłów procesowych nowej generacji pomagają uzyskać lepszą wydajność w stosunku do ceny. Kilka lat temu pojawił się nacisk na dodanie protokołów IoT, w tym technologii komórkowych, takich jak LTE-M, wąskopasmowy IoT i LoRaWAN. Nadal obserwujemy zmiany w nowych protokołach, z których najnowszy to Matter i aktualizacje Bluetooth”.
Obecnie więcej uwagi poświęca się aplikacjom, a zwłaszcza obciążeniom AI. „Jednym z największych czynników napędzających dzisiejszy rynek jest dostosowanie obciążeń AI, które napędzają projekty nowej generacji” — powiedział Lowman. „Może to być trudne, ponieważ urządzenia IoT mają bardzo mało pamięci i zasobów obliczeniowych. Wdrażając obciążenia sztucznej inteligencji, nigdy nie można uzyskać wystarczającej ilości wbudowanej pamięci SRAM, dlatego coraz więcej firm wdraża pamięci o dużej gęstości — od centrum danych aż po znacznie mniejsze urządzenia IoT. Obciążenia sztucznej inteligencji to funkcje intensywnie korzystające z matematyki. W ten sposób urządzenia IoT pobierają więcej energii. Jest to więc trudne wyzwanie projektowe — zmniejszyć moc i koszty, ale uwzględnić funkcję potrzebną dla „zabójczych aplikacji”.
Dodatkowym wyzwaniem jest to, że w większości przypadków najnowsze aplikacje nie są w pełni dojrzałe lub ciągle się zmieniają ze względu na szybkość innowacji. „Oznacza to, że cele projektowe można osiągnąć jedynie poprzez uwzględnienie określonych obciążeń sztucznej inteligencji i maksymalizację dostępnej wydajności obliczeniowej i pamięci w ramach pożądanego budżetu mocy i kosztów” — powiedział Lowman. „W rezultacie rozwiązania oparte na IoT muszą nadal ograniczać koszty i moc, jednocześnie starając się dostosować do intensywnej funkcji przetwarzania. Ten wysiłek przyspiesza przyrostowe zmiany w generowaniu przestrzeni IoT w ciągu generacji, zamiast wysoce destrukcyjnych zmian sprzętowych. Spodziewamy się, że nadal będziemy widzieć przyrostowe aktualizacje SoC, aby nadążyć za wyzwaniami związanymi z algorytmami i optymalizacją”.
Dodając sztuczną inteligencję do projektu IoT, ważne jest, aby uzyskać jak największą wydajność przy jak najmniejszej liczbie sprzętu.
„Używanie elastycznego sprzętu, takiego jak eFPGA, który można rekonfigurować w celu optymalnego wykorzystania sprzętu z różnymi operatorami wnioskowania, jest idealne”, zauważył Geoff Tate, dyrektor generalny FlexLogix. „Każda aplikacja jest inna, a posiadanie odpowiedniej ilości sztucznej inteligencji poprzez licencjonowanie odpowiedniej liczby kafelków zoptymalizuje wydajność i efektywność energetyczną w tym samym czasie”.
Bezpieczeństwo staje się kluczową cechą
Lista ataków złośliwego oprogramowania na IoT jest niemal nieograniczona. W nowym raporcie zatytułowanym „Technologie połączone z Internetem mogą poprawić jakość usług, ale wiążą się z ryzykiem cyberataków,Biuro Rachunkowe Rządu Stanów Zjednoczonych wskazało na długą listę rodzajów ataków, w tym botnety, naruszenia danych, ataki typu „odmowa usługi” (DDoS), złośliwe oprogramowanie, man-in-the-middle, ransomware, wstrzykiwanie języka zapytań strukturalnych (SQL) i zero -dzienny exploit. To dopiero początek. Wciąż pojawiają się nowe cyberataki.
Inteligentne systemy tryskaczowe w dużym kompleksie przemysłowym będą w stanie wykrywać deszcz, aby zamykać zawory i oszczędzać wodę. Jeśli system zostanie zhakowany, może dojść do podania zbyt dużej lub zbyt małej ilości wody. Rezultatem może być spragniona trawa z brązowymi plamami lub nadmierny rachunek za wodę. Ale hakerzy mogą również być w stanie użyć tego systemu zraszaczy do ataku na serwer, jeśli brama nie jest zabezpieczona. W aplikacji inteligentnego miasta włamanie do IoT może spowodować nieprawidłowe działanie sygnalizacji świetlnej lub zmianę trasy karetki pogotowia, co może mieć poważne, a nawet śmiertelne konsekwencje.
Wykazano, że hakerzy mogą potencjalnie użyć gadżetu hakerskiego o wartości 170 USD, takiego jak Flipper Zero, do kontrolowania sygnalizacji świetlnej poprzez zmianę jej koloru na zielony. Potencjalne szkody spowodowane kontrolowaniem sygnalizacji świetlnej wykraczają daleko poza hakowanie zraszaczy. Jest to analogiczne do zabezpieczania drzwi wejściowych. Ile zasuwek chcesz założyć na drzwi? Ile warstw ochrony chcesz wdrożyć w projektach IoT?
Wiele popularnych standardów IoT, w tym Matter, Wi-SUN, LoRaWAN, a nawet 5G, ma już wbudowane zabezpieczenia w swoje specyfikacje. Są one wystarczające dla większości aplikacji IoT. Aby chronić się przed wysoce wyrafinowanymi hakerami, może być konieczne wdrożenie dodatkowych warstw zabezpieczeń.
Maarten Bron, dyrektor zarządzający w Ryzykować, zauważyli, że liczba ataków IoT rośnie i że zwiększenie ochrony cybernetycznej może wymagać dodatkowych wysiłków. „Chociaż aplikacja IoT może być tak prosta, jak inteligentne oświetlenie sterowane głosem, może być również tak skomplikowana, jak system monitorowania stosowany w konserwacji zapobiegawczej w inteligentnej fabryce. W bardziej skomplikowanym systemie IoT chcesz zwiększyć cyberbezpieczeństwo, poddając projekty atakom złośliwego oprogramowania w laboratorium, aby sprawdzić, czy projekty mogą chronić przed takimi atakami przed rzeczywistymi wdrożeniami.
Biorąc pod uwagę, że projekty IoT wahają się od bardzo prostych do bardzo wyrafinowanych z przetwarzaniem brzegowym i sztuczną inteligencją z możliwościami analitycznymi, stopień bezpieczeństwa zależy od sposobu użytkowania. W przypadku aplikacji o ograniczonych kosztach wystarczą podstawowe zabezpieczenia, w tym bezpieczny rozruch, ochrona przed debugowaniem i aktualizacje oprogramowania układowego. „Jednakże w przypadku skomplikowanych projektów wymagających poważnej ochrony w zakresie bezpieczeństwa cybernetycznego potrzebne byłyby dodatkowe sprzętowe i programowe środki zaradcze” — zauważył Erik Wood, starszy dyrektor ds. Infineon Technologies. „Wydłużyłoby to czas przetwarzania i zużycie energii. Deweloperzy będą musieli nadać priorytet wyborom projektowym i ważne jest, aby zoptymalizować projekt bezpieczeństwa, aby zwiększyć efektywność energetyczną”.
Podczas gdy dodawanie zabezpieczeń i minimalizowanie kosztów jest ciągłym kompromisem, możliwe jest obejście tego problemu.
„Urządzenia IoT z niższej półki mają najmniejsze zabezpieczenia, ponieważ jest to przede wszystkim decyzja oparta na kosztach” — powiedział Bart Stevens, starszy dyrektor ds. Rambus. Chociaż dodanie zabezpieczeń do takich urządzeń chroni klientów, ostatecznie zwiększa koszty rozwoju i obniża wydajność i efektywność energetyczną samego urządzenia. Jednak w przypadku korzystania z dedykowanych akceleratorów kryptograficznych – te dwie ostatnie wady są eliminowane. W porównaniu z samym procesorem obsługującym obliczenia kryptograficzne, implementacje dedykowanego sprzętu kryptograficznego zużywają o 90% mniej energii do takich zadań, jednocześnie drastycznie poprawiając bezpieczeństwo bez zmniejszania wydajności obliczeniowej”.
Wnioski
Chipy i technologie IoT będą ewoluować. Będą bardziej energooszczędne, bardziej skalowalne przez sztuczną inteligencję, z lepszym bezpieczeństwem i integracją. Dopracowanie optymalizacji będzie nadal wyzwaniem, a zespoły inżynierów będą musiały skupić się na przypadkach użycia oraz sposobach zastosowania nowych technologii i podejść, aby spełnić swoje wymagania projektowe.
- Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
- Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
- Źródło: https://semiengineering.com/options-widen-for-optimizing-iot-designs/