Ustvarjanje uspešnega Internet stvari oblikovanje zahteva globoko razumevanje primerov uporabe in dolg seznam kompromisov med različnimi komponentami in tehnologijami, da se zagotovi najboljša rešitev po pravi ceni.
Povečanje funkcij in funkcij ob zmanjševanju stroškov je nenehno uravnovešanje, število izbir pa je lahko ogromno. Meni vključuje izbiro SoC, OS in protokole programske opreme, možnosti brezžične povezave in RF, uporabo omrežja, upravljanje napajanja in toplote, življenjsko dobo baterije in razpoložljive standarde IoT. Drugi dejavniki, ki vplivajo na te izbire, so potrebe po kibernetski varnosti, delovna frekvenca in hitrost prenosa podatkov, zahteve glede realnega časa in zakasnitve, velikost tovora, kibernetska varnost, robustnost za potrošniško in industrijsko kakovost, embalaža in velikost, zanesljivost sistema, umetna inteligenca in skupne stroškovne omejitve.
"Načrti sistemov interneta stvari so pod nenehnim pritiskom za zmanjšanje stroškov," je povedal Ron Lowman, vodja strateškega trženja pri Synopsys. »Včasih je težko dodati novo funkcijo, če bo stala več. Vzemimo za primer slušni aparat, ki vključuje nekaj zelo naprednih zmogljivosti napajanja v tehnologiji, da omogoči veliko nižjo moč za obdelavo zvoka v majhni napravi. Medtem ko proizvajalci slušnih aparatov to počnejo že leta, preostali prostor interneta stvari ni sprejel nekaterih teh tehnik, ker so s temi tehnikami povezani višji stroški. Vedno je obstajal kompromis med energetsko učinkovitostjo in nizkimi stroški, tako da vedno obstaja vprašanje, koliko so kupci pripravljeni plačati za daljšo življenjsko dobo baterije. Obstajajo napredne tehnologije, tehnike in optimizacije, katerih razvoj traja predolgo ali stane preveč. Dokler ponudniki rešitev ne bodo pripravili integriranih rešitev, ki bodo prehitele običajne postopne nadgradnje naslednje generacije, ki jih izvajajo tradicionalni prodajalci polprevodnikov, bodo stroški še naprej glavno gonilo oblikovalskih odločitev IoT SoC, zlasti za potrošniške in industrijske aplikacije.«
Učinek optimizacije oblikovanja na celotno zasnovo
Optimizacija zasnove IoT je specifična za aplikacijo in vpliva na splošne parametre zasnove. Na primer, v veliki industrijski kemični tovarni je pomembno spremljanje temperature. Nedelovanje postopka je lahko nevarno, če je temperatura previsoka, kar povzroči nevarno puščanje kemikalij in eksplozijo. IoT se lahko uporablja za spremljanje temperature in puščanja.
V tem primeru so splošne konstrukcijske zahteve pravzaprav precej preproste. Sistem IoT za spremljanje temperature mora samo slediti, ali temperatura presega vnaprej nastavljeno mejo. V primeru zaznavanja puščanja bi moral sistem samo zaznati, kdaj pride do puščanja.
Tukaj mora MCU v sistemu za odkrivanje puščanja, ki temelji na IoT, komunicirati s senzorjem le vsakih 30 sekund ali manj. Ko pride do uhajanja, IoT pošlje alarm strežniku ali skrbniku, sicer pa ostane v načinu mirovanja. Tudi ko je opozorilo ali alarm nastavljeno, zahteva le majhen paket brez potrebe po visoki prepustnosti. Uporabljajo se lahko številna brezžična omrežja z nizko porabo energije, kot so Matter, LTE-M in Wi-SUN.
Podobno je v nadzorni aplikaciji, kjer so kamere shranjene v velikem obratu z več obrati, potrebno redno pretakanje videa prek Wi-Fi ali podobnih tehnologij. V tem scenariju je za podporo videa potrebna večja prepustnost. Dodatna moč, potrebna za podporo večje pretočnosti, vpliva na celotno življenjsko dobo baterije. Če instalacije vključujejo pametne ulične ali semaforje, je manj skrbi glede življenjske dobe baterije, ker je običajno na voljo vir energije.
»Nekaj od tega povzroča narava umetne inteligence, ki precej spreminja stvari, ko gre za čipe, specifične za delovno obremenitev,« je dejal Sailesh Chittipeddi, izvršni podpredsednik pri Renesas. »CPU-ji ne izvajajo več funkcij X, Y in Z, kjer za vsako delovno obremenitev ni povezanih nobenih režijskih stroškov. Tako ni več. Zato vsa ta podjetja postajajo bolj vertikalna – da spodbujajo rešitve, ki jih potrebujejo. In medsebojno delovanje med električnimi in mehanskimi značilnostmi postaja veliko bolj pomembno, kjer bi lahko postavitev določenega priključka naredila razliko. Zato se vse več CAD podjetij vedno bolj ukvarja s podporo na sistemski ravni in načrtovanjem na sistemski ravni.”
Kaj želite doseči?
Walt Maclay, predsednik svetovalnega podjetja za oblikovanje IoT Voler Systems, je opozoril na tri pomembna področja pri optimizaciji naprav IoT – življenjsko dobo baterije, ceno in velikost. "To je še posebej pomembno za nosljive naprave, vendar ima večina naprav IoT te težave," je dejal. »Nikoli ne moreš imeti vsega, kar si želiš. Gre za izbiro kompromisov in inženirsko načrtovanje je vse o kompromisih.«
Za doseganje energetske učinkovitosti je bistvena izbira procesorjev in senzorjev z nizko porabo energije, vendar mora biti za nalogo, ki jo mora opraviti naprava, dovolj procesorske moči ali hitrosti.
»Poleg tega izberite brezžično komunikacijo z najmanjšo porabo energije, ki bo delovala v aplikaciji,« je dejal Maclay. »Bluetooth LE ima najnižjo porabo energije od standardnega brezžičnega omrežja, vendar oddaja le 10 do 30 čevljev. Če morate prenašati v internet brez mobilnega telefona, sta NB-IoT ali LTE-M brezžični tehnologiji nizke porabe energije in nizke hitrosti, ki prenašata kilometre.«
Poleg tega mora biti programska oprema skrbno napisana in preizkušena, da se zagotovi najmanjša moč, ki jo naprave lahko zagotovijo. Poleg tega je treba senzorje, oddajnike in druge dele procesorja izklopiti, ko jih ne uporabljate.
Slika 1: Primerjava prostranih omrežij z nizko porabo energije. Vir: Voler Systems
Drugi vidiki zasnove učinkovitosti porabe energije vključujejo izbiro najboljših možnosti zadrževanja pomnilnika, velikost pomnilniškega bloka, povezovanje računov in pomnilnika ter uporabo pospeševalnikov strojne opreme AI, če je potrebna AI. Odvisno od aplikacije bo morda treba zasnovo optimizirati drugače.
Povečanje življenjske dobe baterije IoT
Ker internet stvari večinoma deluje na baterije, je optimizacija življenjske dobe baterije ključnega pomena za ohranjanje proračuna.
»Ena priložnost za podaljšanje življenjske dobe baterije vključuje aktivni in neaktivni delovni cikel naprave,« je povedal Prakash Madhvapathy, direktor trženja izdelkov za avdio/glasovne DSP-je Tensilica pri Cadence. »Ko naprava deluje le del dneva, procesni element ne sme biti aktiven, medtem ko ne proizvaja nobenih aktivnih senzorskih podatkov. Po drugi strani pa je pomembno, da se obdelava začne kmalu po vklopu naprave, s čimer se izognete ročnemu posegu. Zahteva po nadzoru operaterja bi lahko pomenila zamudo priložnosti za obdelavo.«
Če pa ima procesni element majhen, energijsko varčen del, ki je vedno vklopljen (AON), medtem ko je glavna obdelava izklopljena, se napolnjenost baterije ohrani, ko je naprava neaktivna.
»AON del lahko zazna vklop naprave in prebudi glavni procesni blok,« je dejal Madhvapathy. »Medtem ko nekaj IIoT naprave uporabljajo to tehniko za podaljšanje življenjske dobe baterije, na splošno pa niso imele dostopa do arhitektur, ki bi to omogočale. Primer kombinacije DSP, ki omogoča ta primer uporabe, je lahko Cadence Tensilica HiFi 1 DSP, ki izvaja fuzijo senzorjev v domeni AON skupaj s HiFi 5 DSP za obdelavo domene zmogljivosti. HiFi 1 DSP je zasnovan za izvajanje fuzije senzorjev v načinu ultra nizke porabe energije, medtem ko išče smiselno aktivnost senzorjev. HiFi 5 DSP ohranja v načinu izklopa, dokler ne zazna vklopa naprave. Na tej točki lahko vklopi HiFi 5 DSP in HiFi 5 DSP lahko obdeluje, kot je potrebno za aktivni način.«
V istem smislu je Armova tehnologija Helium namenjena zasnovam, ki potrebujejo umetno inteligenco in zato zahtevajo višjo zmogljivost obdelave signalov. "Tehnologija helija v Armovih Cortex-M55 in M85 na primer pospešuje obdelavo signalov in strojno učenje, kar bo uporabno za primere uporabe, kot so vrhunske aplikacije za vid, ki morda zahtevajo visoko zmogljivo zmogljivost strojnega učenja," je dejal Thomas Lorenser, direktor splošnega računalništva pri Roka. »Primeri uporabe, kot je prepoznavanje govora, imajo manj zahtevne delovne obremenitve in morda potrebujejo manj zmogljivosti strojnega učenja. Poleg tega je lahko del čipa nedejaven, kar vpliva na skupno porabo energije čipa. Izbira pravega IP-ja za aplikacije bo pomagala doseči večjo energijsko učinkovitost pri načrtovanju. Če delovni tokovi načrtovanja zahtevajo strojno učenje s pospeševanjem obdelave signalov, bo porabilo več energije.«
Energetsko učinkoviti IoT čipi
Da bi inženirskim ekipam omogočili oblikovanje energetsko učinkovitih izdelkov, se pojavljajo nove tehnologije, kot je čip Wi-Fi + Bluetooth družbe InnoPhase. Z oddajanjem pri 81 mA, sprejemom pri 37 mA in mirovanjem okoli 150 uA (nominalno) naj bi zdržal do enega leta.
Slika 2: Predpostavke o uporabi energijsko učinkovitega čipa Wi-Fi. Vir: InnoPhase
Tehnologija Wi-SUN, zasnovana za pametna mesta, vključno s pametnimi električnimi omrežji, ima konstrukcijsko specifikacijo življenjske dobe baterije do 20 let. Obstaja več dobaviteljev čipov, ki podpirajo Wi-SUN, vključno s Texas Instruments in Silicon Labs. Wi-SUN čip iz Silicon Labs, ki vključuje varnostno funkcijo "Secure Vault", porabi samo 2.6 μA v načinu globokega spanja. Za primerjavo, čip Texas Instruments Wi-SUN porabi samo 0.85 μA v načinu mirovanja s polno hrambo pomnilnika in aktivnimi urami.
Za še daljšo življenjsko dobo baterije je z vključitvijo bloka za pridobivanje energije v IoT SoC možno uvesti IoT brez baterije ali namestiti baterijo, ki bo trajala celo življenjsko dobo,« je povedal Nick Dutton, višji direktor trženja izdelkov pri Atmosicu. »SoC lahko pridobiva energijo ne le iz svetlobe, ampak tudi iz bližnje energije, ki jo ustvari mobilni telefon in podobno. To bi bila popolna aplikacija v maloprodajnih trgovinah, kjer je mogoče brezžično posodabljati elektronske cenike.«
Pomemben dejavnik je, da imajo potrošniške baterije krajši rok uporabnosti in lahko sčasoma puščajo kemikalije. Za aplikacije IoT so potrebne baterije industrijskega razreda.
Slika 3: SoC brez baterije vključuje blok za zbiranje energije. Vir: Atmosic
Medtem ko vedno več IoT vključuje AI, koliko je v resnici potrebno?
Kot je prikazano v zgornjih primerih, ima aplikacija za spremljanje odkrivanja puščanja preprost, predvidljiv vzorec. Pušča ali ne pušča. Zasnova ne zahteva visoko zmogljivega MCU. Toda v aplikacijah, kot sta nadzor in varnost rastlin, bo morda potrebna umetna inteligenca. Za preprečitev vstopa nepooblaščenemu osebju so nameščene kamere visoke ločljivosti za preverjanje identitete pooblaščenega osebja. To lahko zahteva osebno izkaznico skupaj z zaznavanjem obraza ali prstnih odtisov. V obratu na prostem lahko delavci nosijo rokavice. V tem primeru je potrebno zaznavanje obraza in s tem tudi AI. Vendar vsaka aplikacija ne zahteva AI.
Lowman iz Synopsysa je pojasnil, da je na področju IoT veliko inovacij. »Tradicionalno si razvijalci IC še naprej prizadevajo za večjo zmogljivost in znižanje stroškov, ko na trg vstopajo novi izdelki ali izdaje,« je dejal. »Višje frekvence in krčenje procesnih vozlišč naslednje generacije pomagajo doseči izboljšano zmogljivost za ceno. Pred nekaj leti je prišlo do prizadevanj za dodajanje protokolov IoT, vključno s celičnimi tehnologijami, kot so LTE-M, ozkopasovni IoT in LoRaWAN. Še naprej opažamo spremembe z novimi protokoli, zadnji je Matter in nadgradnje na Bluetooth.«
Danes se več razmišljanja posveča aplikacijam, zlasti delovnim obremenitvam AI. "Eden največjih dejavnikov na današnjem trgu je prilagoditev delovnih obremenitev umetne inteligence, ki spodbujajo načrtovanje naslednje generacije," je dejal Lowman. »To je lahko izziv, ker imajo naprave IoT zelo malo pomnilnika in računalniških virov. Pri izvajanju delovnih obremenitev z umetno inteligenco nikoli ne morete dobiti dovolj SRAM-a na čipu, zato opažamo, da vedno več podjetij uporablja pomnilnike visoke gostote – od podatkovnega centra pa vse do veliko manjših naprav IoT. Delovne obremenitve AI so matematično intenzivne funkcije. Tako naprave IoT porabijo več energije. Torej obstaja težak izziv pri načrtovanju – zmanjšajte moč in stroške, vendar prilagodite funkciji, potrebni za 'ubijalske aplikacije'.«
Dodaten izziv je, da v večini primerov najnovejše aplikacije niso povsem zrele ali pa se vedno spreminjajo zaradi hitrosti inovacij. "To pomeni, da je cilje zasnove mogoče doseči le s prilagajanjem specifičnim delovnim obremenitvam umetne inteligence in maksimiranjem razpoložljive računalniške in pomnilniške učinkovitosti v okviru želenega proračuna za moč in stroške," je dejal Lowman. »Posledično morajo rešitve, ki temeljijo na IoT, še naprej zniževati stroške in moč, hkrati pa poskušati prilagoditi funkcijo intenzivnega procesiranja. Ta prizadevanja pospešujejo postopne spremembe v generaciji prostora interneta stvari za generacijo in ne zelo motečih premikov strojne opreme. Pričakujemo, da bomo še naprej videli postopne nadgradnje SoC, da bomo kos algoritmu in izzivom optimizacije.«
Pri dodajanju umetne inteligence k oblikovanju interneta stvari je pomembno, da kar najbolje izkoristite najmanj strojne opreme.
»Uporaba prilagodljive strojne opreme, kot je eFPGA, ki jo je mogoče znova konfigurirati za optimalno uporabo strojne opreme z vsakim drugim operaterjem sklepanja, je idealna,« je dejal Geoff Tate, izvršni direktor podjetja Flex Logix. "Vsaka aplikacija je drugačna in prava količina umetne inteligence z licenciranjem pravega števila ploščic bo hkrati optimizirala zmogljivost in energetsko učinkovitost."
Varnost postaja ključna lastnost
Seznam zlonamernih napadov na IoT je skoraj neomejen. V novem poročilu z naslovom "Tehnologije, povezane z internetom, lahko izboljšajo storitve, vendar se soočajo s tveganjem kibernetskih napadov,” Računovodski urad ameriške vlade je pokazal na dolg seznam vrst napadov, vključno z botneti, vdori v podatke, zavrnitvijo storitve (DDoS), zlonamerno programsko opremo, človeka v sredini, izsiljevalsko programsko opremo, vbrizgavanjem strukturiranega poizvedovalnega jezika (SQL) in nič -dnevni izkoriščanje. To je šele začetek. Novi kibernetski napadi se kar vrstijo.
Pametni brizgalni sistemi v velikem industrijskem kompleksu bodo lahko zaznali dež in zaprli ventile za varčevanje z vodo. Če pride do vdora v sistem, se lahko uporabi preveč ali premalo vode. Posledice so lahko žejna trava z rjavimi lisami ali previsok račun za vodo. Toda hekerji lahko tudi uporabijo ta sistem škropilnikov za napad na strežnik, če prehod ni zavarovan. V aplikaciji pametnega mesta lahko vdor v IoT povzroči nepravilno delovanje semaforjev ali preusmeritev reševalnih vozil, kar ima lahko resne ali celo smrtonosne posledice.
Dokazano je bilo, da lahko hekerji potencialno uporabijo hekerski pripomoček v vrednosti 170 USD, kot je Flipper Zero, za nadzor semaforjev tako, da jih prižgejo zeleno. Morebitna škoda, povzročena z nadzorom semaforjev, daleč presega vdor v brizgalne naprave. To je analogno zavarovanju vhodnih vrat. Koliko zapahov želite namestiti na vrata? Koliko slojev zaščite želite implementirati pri zasnovah IoT?
Številni običajni standardi IoT, vključno z Matter, Wi-SUN, LoRaWAN in celo 5G, že imajo varnost vgrajeno v svoje specifikacije. To zadostuje za večino aplikacij IoT. Za zaščito pred zelo sofisticiranimi hekerji bo morda treba uvesti dodatne plasti varnosti.
Maarten Bron, generalni direktor pri Riscure, je opazil, da so napadi interneta stvari v porastu in da bodo morda potrebna dodatna prizadevanja za večjo kibernetsko zaščito. »Medtem ko je aplikacija interneta stvari lahko tako preprosta kot glasovno vodena pametna luč, je lahko tudi tako zapletena kot nadzorni sistem, ki se uporablja pri preventivnem vzdrževanju v pametni tovarni. V bolj zapletenem sistemu interneta stvari želite povečati kibernetsko varnost tako, da zasnove izpostavite napadom zlonamerne programske opreme v laboratoriju, da vidite, ali lahko zasnove zaščitijo pred takšnimi napadi pred resničnimi uvedbami.«
Glede na to, da se zasnove interneta stvari gibljejo od zelo preprostih do zelo sofisticiranih z robnim računalništvom in umetno inteligenco z analitičnimi zmogljivostmi, je v kolikšni meri varnost odvisna od uporabe. Za aplikacije z omejenimi stroški zadostuje osnovna varnost, vključno z varnim zagonom, zaščito pred odpravljanjem napak in posodobitvami vdelane programske opreme. »Vendar pa bi bili za sofisticirane modele, ki potrebujejo resno zaščito kibernetske varnosti, potrebni dodatni varnostni strojni in programski protiukrepi,« je opozoril Erik Wood, višji direktor za varnost izdelkov IoT, IoT, Compute, Wireless Business in Connected Secure Systems pri Tehnologije Infineon. »To bi povečalo čas obdelave in porabo energije. Razvijalci bodo morali dati prednost oblikovalskim izbiram in pomembno je optimizirati varnostno zasnovo za povečanje energetske učinkovitosti.«
Medtem ko sta dodajanje varnosti in zmanjševanje stroškov nenehen kompromis, lahko pride do rešitve.
»Naprave interneta stvari nižjega cenovnega razreda imajo najmanj varnosti, ker je to predvsem stroškovna odločitev,« je dejal Bart Stevens, višji direktor trženja izdelkov za varnost IP pri Rambus. Čeprav dodajanje varnosti takšnim napravam ščiti stranke, navsezadnje poveča stroške razvoja ter zmanjša zmogljivost in energetsko učinkovitost same naprave. Pri uporabi namenskih kriptografskih pospeševalnikov pa sta zadnji dve pomanjkljivosti odpravljeni. V primerjavi s CPE-jem, ki sam upravlja kriptografske izračune, implementacije namenske kriptografske strojne opreme porabijo 90 % manj energije za takšna opravila, hkrati pa drastično izboljšajo varnost brez zmanjšanja računalniške zmogljivosti.”
zaključek
Čipi in tehnologije interneta stvari se bodo še naprej razvijali. Energetsko učinkovitejši bodo, bolj razširljivi z AI, z boljšo varnostjo in integracijo. Izpopolnjevanje optimizacij bo še naprej izziv, inženirske ekipe pa se bodo morale osredotočiti na primere uporabe ter na to, kako uporabiti nove tehnologije in pristope za izpolnjevanje svojih načrtovalskih zahtev.
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- vir: https://semiengineering.com/options-widen-for-optimizing-iot-designs/