無線物聯(lián)網(wǎng)SoC內(nèi)部有什么？
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物聯(lián)網(wǎng)不斷擴(kuò)展，但工程師們?nèi)栽谂?yīng)對一系列挑戰(zhàn)：分散的標(biāo)準(zhǔn)、對功率和空間的嚴(yán)格限制以及性能和成本之間的不斷權(quán)衡。然而，新一波無線 SoC 正在解決這些問題。Silicon Labs 首席技術(shù)官 Daniel Cooley 表示，通過將無線連接、計(jì)算和安全性結(jié)合在一起，這些物聯(lián)網(wǎng)芯片可以幫助降低從嵌入工廠車間的傳感器到智能家居設(shè)備等各種設(shè)備的硬件復(fù)雜性和上市時間。
“你最終不會擁有一個沒有某種程度處理的無線應(yīng)用程序，”他在上個月在德克薩斯州奧斯汀舉行的 Silicon Labs 2025 Works With 會議上說。
上個月，Silicon Labs 推出了其 Series 3 平臺中的首批芯片——其對物聯(lián)網(wǎng) SoC 未來的愿景。新芯片將支持廣泛的長距離和短距離無線協(xié)議，包括 Wi-Fi、藍(lán)牙和 Thread。其中許多是專門為與 Matter 標(biāo)準(zhǔn)配合使用而設(shè)計(jì)的，以彌合它們之間的差距。
該公司表示，通過從 40 納米升級到 22 納米，Series 3 在計(jì)算、連接性和安全性方面帶來了代際優(yōu)勢，在不取代 Series 2 平臺的情況下超越了其 Series 2 平臺的功能。
沒有一種芯片能夠完美地適合每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備——設(shè)計(jì)要求過于多樣化。但 Cooley 解釋說，Series 3 平臺具有將這些設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)建塊。這些包括：
無線連接，包括射頻收發(fā)器以及功率放大器 （PA）、射頻開關(guān)、LNA 和大多數(shù)或所有其他射頻前端組件以及與外部 PA 的接口。
應(yīng)用處理器，通常是 Cortex-M MCU，越來越多地用于運(yùn)行實(shí)時作系統(tǒng) （RTOS），并搭配更多的片上存儲器來管理復(fù)雜性。
AI 加速器，通過神經(jīng)處理單元 （NPU） 或硬件加速器，比在 MCU 上運(yùn)行的軟件更有效地運(yùn)行 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 模型。
硬件安全，基于充當(dāng)硬件信任根 （RoT） 并運(yùn)行加密作以幫助阻止黑客進(jìn)入系統(tǒng)的安全飛地。
傳感器接口，包括串行接口和通用 I/O，輔以模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和模擬前端 （AFE） 的其他部分來捕獲數(shù)據(jù)。
外圍設(shè)備，用于節(jié)省 PCB 空間并降低集成外部組件的成本。例如，它在 SiMG301 中集成了 LED 預(yù)驅(qū)動器，以控制智能照明中的調(diào)光。
SiMG301 內(nèi)部是首批基于 Silicon Labs 系列 3 平臺的芯片之一。
Cooley 表示，通過專注于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求，它將 Series 3 中的所有內(nèi)容（從 SiXG301 和 SiXG302 開始）提煉成一個專為安全、強(qiáng)大、智能連接而構(gòu)建的平臺，而無需過多的功耗和成本。
“我們專注于物聯(lián)網(wǎng)連接，我們完全專注于這個市場，”Cooley 指出?！拔覀儞碛凶顝V泛的無線技術(shù)組合，我們相信我們是該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。”
Silicon Labs 押注其對物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注使其比其他將研發(fā)分散在多個不同市場的公司更具工程優(yōu)勢。“就對公司的投資水平而言，我們沒有這些干擾，因此在芯片級工程方面，我們不必稀釋我們正在做的事情，”庫利說。“我們做出技術(shù)決策是因?yàn)槲覀兇_切地知道我們要做什么。我們正在做的沒有什么是我們的競爭對手做不到的，但從長遠(yuǎn)來看，我們認(rèn)為我們領(lǐng)先了。
向多協(xié)議無線 SoC 的轉(zhuǎn)變
Cooley 表示，物聯(lián)網(wǎng)正在遇到無線復(fù)雜性的墻，最新的 SoC 可以解決這一問題。
如今，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用各種在重疊或非常接近的頻段運(yùn)行的無線協(xié)議，這可能會導(dǎo)致射頻干擾、信號衰減和延遲增加。每種協(xié)議都扮演著獨(dú)特的角色：例如，在連接的門鎖中，用戶可以通過藍(lán)牙將其與智能手機(jī)配對;遠(yuǎn)程控制它并使用 Wi-Fi 將其連接到云端;并通過 Thread 將其集成到家庭自動化中以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須在協(xié)議之間快速切換或同時運(yùn)行它們。
“這是一個多協(xié)議世界，”庫利說。“永遠(yuǎn)不會有一個無線協(xié)議來統(tǒng)治所有這些?！?/p>
為了解決無線技術(shù)的混亂，公司正在競相推出可以同時處理多種不同協(xié)議的芯片——集成 Wi-Fi 和藍(lán)牙、藍(lán)牙和 Thread，以及 Wi-Fi、藍(lán)牙、Thread 和 Zigbee 等。這些芯片旨在降低硬件復(fù)雜性和節(jié)省 PCB 空間，這對于緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要，同時管理復(fù)雜的協(xié)議棧并減少它們之間的射頻干擾。
首款多協(xié)議系列 3 SoC SiMG301 將藍(lán)牙 LE、Zigbee 和 Thread 整合到一個芯片中，該芯片針對智能照明和其他線路供電的智能插頭、傳感器、開關(guān)和控制器。
其核心是高性能 2.4 GHz 無線電，可提供高達(dá) +10 dBm 的發(fā)射 （TX） 功率，同時支持 -98.6 dBm 的藍(lán)牙接收 （RX） 靈敏度和 -106.3 dBm 的 Thread 和其他使用 2.4 GHz 頻段的協(xié)議。這減少了干擾對智能家居等日益擁擠的射頻區(qū)域的影響。
“如果你能聽到 2.4 GHz 頻段中發(fā)生的事情，聽起來就像咔噠聲和啁啾聲的刺耳聲音，”庫利說?！拔覀儞碛蟹浅８咝阅?、耐擁塞的無線電。”
它使用單獨(dú)的無線電 CPU 內(nèi)核來控制所有無線連接，從協(xié)議棧到固件，使其能夠在協(xié)議之間動態(tài)切換或使用其“并發(fā)多協(xié)議”技術(shù)同時運(yùn)行 Zigbee 和 Thread 等協(xié)議。無論使用何種協(xié)議，這都可以在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行持續(xù)通信，并允許向后兼容。通過將藍(lán)牙和 Matter over Thread 整合到單個芯片中，它為 Wi-Fi 等其他集成節(jié)省了空間。
該SIMG301具有可擴(kuò)展的PA架構(gòu)。在高功率模式下，PA提供+10 dBm輸出，以實(shí)現(xiàn)最大范圍或信號強(qiáng)度;在低功耗模式下，PA輸出為0 dBm，以優(yōu)化功率。
將射頻 SoC 轉(zhuǎn)變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng) SoC
第一代物聯(lián)網(wǎng)無線電需要外部協(xié)處理器來運(yùn)行應(yīng)用程序。但現(xiàn)在大多數(shù)無線 SoC 都配備了專用處理器，這使得工程師可以更輕松地開發(fā)支持 Matter 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
與許多主要的物聯(lián)網(wǎng)芯片公司一樣，Silicon Labs 押注 Matter 成為智能家居通信的標(biāo)準(zhǔn)方式。它將團(tuán)結(jié)一個長期以來因不同制造商的設(shè)備之間缺乏兼容性而分散的市場，并通過不同的無線協(xié)議鏈接。此類兼容性問題促使蘋果、谷歌、三星和眾多半導(dǎo)體公司（包括 Silicon Labs）通過連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟 （CSA） 創(chuàng)建開放標(biāo)準(zhǔn)。
該標(biāo)準(zhǔn)最初是 Project Connected Home over IP （Project CHIP） 的一部分，使從智能恒溫器到智能門鎖、開關(guān)和照明的所有設(shè)備都可以在本地連接，而無需使用云。
SiMG301 是 CSA Matter 合規(guī)平臺認(rèn)證計(jì)劃中的首批芯片之一，因?yàn)樗鋫淞艘粋€軟件開發(fā)套件 （SDK），該套件已通過硬件認(rèn)證，可用于核心 Matter 功能。Silicon Labs 表示，通過在經(jīng)過認(rèn)證的平臺上進(jìn)行構(gòu)建，工程師可以繼承預(yù)先測試的調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)和安全性，從而降低產(chǎn)品認(rèn)證所需的復(fù)雜性、成本和時間。
Series 3 基于多核架構(gòu)，將應(yīng)用程序處理與無線連接和安全分開，為處理更大的無線協(xié)議堆棧和計(jì)算密集型作業(yè)提供了空間。SiMG301 采用主頻高達(dá) 150 MHz 的 Cortex-M33，并輔以相對大量的內(nèi)存：高達(dá) 4 MB 的共封裝閃存用于程序存儲器和 512 kB 的片上 RAM。
Silicon Labs 表示，Series 3 平臺帶來了連接性、計(jì)算和安全性方面的升級。
它還集成了更多通用 I/O，以與嵌入在許多邊緣設(shè)備中的傳感器以及其他 AFE 組件連接，以轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)來自傳感器的模擬信號。
Silicon Labs 計(jì)劃將其第二代矩陣矢量處理器集成到其多個 Series 3 SoC 中，以實(shí)現(xiàn)快速、節(jié)能的 AI 執(zhí)行。這與它對其最先進(jìn)的 Series 2 SoC MG26 所做的工作相似。它使用硬件加速器將機(jī)器學(xué)習(xí)作從主 CPU 上卸載出來，特別是用于音頻、視覺和其他傳感器驅(qū)動的功能（例如關(guān)鍵字發(fā)現(xiàn)和運(yùn)動檢測）的作。NPU 的速度比單獨(dú)的 CPU 快 10 倍，同時功耗降低 80%，從而大大降低了無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗。
Series 3 在片上集成了電源管理單元 （PMU） 以提高效率，這在 Silicon Labs 將于 2026 年推出的用于電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 SiXG302 系列中必將更加重要。
物聯(lián)網(wǎng)的硬件安全連接
Cooley 說，隨著越來越多的未連接的“事物”連接到物聯(lián)網(wǎng)，硬件級別的安全性變得至關(guān)重要。
SiXG301 系列采用該公司最新的物聯(lián)網(wǎng)安全安全保險(xiǎn)庫。安全飛地附帶了 Silicon Labs 所謂的第一個 PSA 4 級認(rèn)證，這是 PSA 認(rèn)證認(rèn)可的最高級別。
Silicon Labs 表示，安全保險(xiǎn)庫通過防御激光故障注入、側(cè)信道分析、微探測和電壓縱等物理攻擊，“提高了邊緣保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)”。它結(jié)合了強(qiáng)化的 RoT、生命周期控制和安全的 OTA 更新，適用于一次可部署十年的設(shè)備。3 系列 SoC 還具有具有運(yùn)行時身份驗(yàn)證和加密功能的四通道 SPI （QSPI） 內(nèi)存接口。
Series 3 SoC 中的安全保險(xiǎn)庫可幫助開發(fā)人員遵守新興法規(guī)，包括歐盟的 RED 和 CRA 以及美國網(wǎng)絡(luò)信任標(biāo)志等。
“我們的零件已經(jīng)為這一切做好了準(zhǔn)備，”Cooley 談到日益嚴(yán)格的物聯(lián)網(wǎng)安全法規(guī)時說道?！拔覀儾槐刂匦略O(shè)計(jì)整個產(chǎn)品組合，因?yàn)樗枰獙㈦娐飞钊氲接布小Ｄ枰锢聿豢煽寺」δ?（PUF），需要硬件信任根，并且需要加密密鑰管理。這些不僅僅是軟件解決方案。
其最新創(chuàng)新之一與就地執(zhí)行 （XIP） 有關(guān)，其中處理器直接從外部閃存執(zhí)行代碼，而不是先將其復(fù)制到片上存儲器。Series 3 安全保管庫在代碼進(jìn)入處理器時對其進(jìn)行身份驗(yàn)證。
“在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功能更加豐富并采用實(shí)時作系統(tǒng)的世界中，你必須啟用內(nèi)存擴(kuò)展，所以現(xiàn)在我們基本上擁有世界上最安全的串行內(nèi)存接口，我們可以證明這一點(diǎn)，”Cooley 說。
物聯(lián)網(wǎng) SoC 的未來在于集成
隨著對無線連接的需求不斷增長，公司正在為這些 SoC 添加更多東西，從無線電和內(nèi)存到處理器，以實(shí)現(xiàn)更智能的連接，同時平衡功耗和成本。雖然其他人正在采用 FD-SOI，但 Silicon Labs 表示，它正在升級到 22 nm 等更先進(jìn)的 CMOS 節(jié)點(diǎn)，不僅可以減少面積，還可以節(jié)省空間，以在同一封裝中集成更多功能和更多內(nèi)存。
庫利表示，未來將有更高程度的整合?！拔覀兡軌蚶媚柖傻暮锰帯５@是最后一個批量 CMOS 節(jié)點(diǎn)，然后就落到了 FinFET。
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