物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴張，但工程師仍需應(yīng)對一系列復(fù)雜挑戰(zhàn)：標(biāo)準(zhǔn)碎片化、嚴(yán)苛的功耗與空間限制，以及性能與成本之間的持續(xù)權(quán)衡。不過，新一代無線系統(tǒng)級芯片（SoC）正逐步破解這些難題。Silicon Labs 首席技術(shù)官 Daniel Cooley 表示，這類物聯(lián)網(wǎng)芯片整合了無線連接、計算與安全功能，能降低硬件復(fù)雜度，縮短從工廠嵌入式傳感器到智能家居設(shè)備等各類產(chǎn)品的上市時間。

“最終，所有無線應(yīng)用都將具備一定程度的處理能力，” 他在上個月于得克薩斯州奧斯汀舉行的 Silicon Labs 2025 年 Works With 大會上向記者透露。

Silicon Labs 上月推出了其 Series 3 平臺的首批芯片 —— 這是該公司對物聯(lián)網(wǎng) SoC 未來的愿景落地。新芯片支持多種長距離和短距離無線協(xié)議，包括 Wi-Fi、藍牙和 Thread，其中多款專為適配 Matter 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，以打通不同協(xié)議間的壁壘。

通過從 40 納米工藝升級至 22 納米，Series 3 在計算、連接和安全方面實現(xiàn)了代際飛躍，性能超越 Series 2 平臺，但不會取代后者。

物聯(lián)網(wǎng) SoC 的核心組成模塊

沒有任何一款芯片能完美適配所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 —— 設(shè)計需求的多樣性實在過高。但 Cooley 解釋道，Series 3 平臺具備物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)所需的核心構(gòu)建模塊，具體包括：

• 無線連接模塊：包含射頻收發(fā)器、功率放大器（PA）、射頻開關(guān)、低噪聲放大器（LNA）等大部分或全部射頻前端組件，同時提供與外置功率放大器的接口。

• 應(yīng)用處理器：通常是 ARM Cortex-M 系列微控制器（MCU），越來越多地用于運行實時操作系統(tǒng)（RTOS），并配備更大的片上內(nèi)存以應(yīng)對復(fù)雜任務(wù)。

• 人工智能加速器：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）或硬件加速器實現(xiàn)，相比在 MCU 上運行軟件，能更高效地執(zhí)行人工智能和機器學(xué)習(xí)（ML）模型。

• 硬件安全模塊：基于安全飛地（secure enclave）構(gòu)建，作為硬件信任根（RoT），執(zhí)行加密運算以抵御黑客入侵。

• 傳感器接口：包括串行接口和通用輸入輸出接口（GPIO），輔以模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和模擬前端（AFE）其他組件，用于采集傳感器數(shù)據(jù)。

• 外設(shè)模塊：用于節(jié)省印刷電路板（PCB）空間并降低外部組件集成成本。例如，其 SiMG301 芯片中集成了 LED 預(yù)驅(qū)動器，可控制智能照明的調(diào)光功能。

Cooley 表示，通過聚焦物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心需求，Series 3（從 SiXG301 和 SiXG302 開始）被精簡為專為安全、穩(wěn)健、智能連接設(shè)計的平臺，無需額外消耗過多功耗和成本。

“我們專注于物聯(lián)網(wǎng)連接領(lǐng)域，全心投入這一市場，”Cooley 指出，“我們擁有最廣泛的無線技術(shù)產(chǎn)品組合，且堅信自己是該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。”

Silicon Labs 認(rèn)為，對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的專注使其相比那些分散研發(fā)資源于多個市場的公司，具備工程優(yōu)勢?！霸诠就度雽用?，我們沒有這些分散精力的業(yè)務(wù)，因此在芯片級工程設(shè)計上無需分散資源，”Cooley 說，“我們的技術(shù)決策目標(biāo)明確。競爭對手能做到的，我們都能做到，但從長遠來看，我們認(rèn)為自己處于領(lǐng)先地位。”

多協(xié)議無線 SoC 的發(fā)展趨勢

Cooley 表示，物聯(lián)網(wǎng)正面臨無線技術(shù)復(fù)雜性的瓶頸，而最新的 SoC 已具備解決這一問題的能力。

如今，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采用的無線協(xié)議種類繁多，許多協(xié)議的工作頻段重疊或極為接近，這可能導(dǎo)致射頻干擾、信號衰減和延遲增加。每種協(xié)議都有其獨特作用：例如，智能門鎖可通過藍牙與智能手機配對，通過 Wi-Fi 實現(xiàn)遠程控制和云連接，通過 Thread 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)集成到智能家居系統(tǒng)中。許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須能快速在不同協(xié)議間切換，或同時運行多種協(xié)議。

“這是一個多協(xié)議共存的世界，”Cooley 說，“永遠不會有一款無線協(xié)議能一統(tǒng)天下。”

為擺脫無線技術(shù)的混亂局面，各企業(yè)正競相推出能同時支持多種協(xié)議的芯片 —— 包括整合 Wi-Fi 與藍牙、藍牙與 Thread、Wi-Fi 與藍牙與 Thread 與 Zigbee 等多種組合。這些芯片的核心價值在于：降低硬件復(fù)雜性、節(jié)省 PCB 空間（這對緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要），同時管理復(fù)雜的協(xié)議棧并減少協(xié)議間的射頻干擾。

Series 3 首款多協(xié)議 SoC——SiMG301，將藍牙低功耗（BLE）、Zigbee 和 Thread 集成于單芯片，瞄準(zhǔn)智能照明、有線供電智能插座、傳感器、開關(guān)和控制器等應(yīng)用場景。

其核心是高性能 2.4 吉赫茲射頻模塊，發(fā)射功率最高可達 + 10 dBm，藍牙接收靈敏度為?98.6 dBm，Thread 及其他 2.4 吉赫茲頻段協(xié)議的接收靈敏度為?106.3 dBm。這在智能家居等射頻環(huán)境日益擁擠的場景中，能有效降低干擾影響。

“如果能聽到 2.4 吉赫茲頻段的聲音，那會是一陣雜亂的咔嗒聲和 chirp 聲，”Cooley 說，“我們的射頻模塊性能卓越，具備抗擁擠能力?！?/p>

該芯片采用獨立的射頻 CPU 核心控制所有無線連接，從協(xié)議棧到固件，使其能通過 “并發(fā)多協(xié)議” 技術(shù)動態(tài)切換協(xié)議，或同時運行 Zigbee 和 Thread 等協(xié)議。這確保了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間無論使用何種協(xié)議，都能實現(xiàn)持續(xù)通信，并支持向后兼容。通過將藍牙和基于 Thread 的 Matter 集成于單芯片，為 Wi-Fi 等額外功能的集成節(jié)省了空間。

SiMG301 具備可擴展功率放大器架構(gòu)：高功率模式下，功率放大器輸出 + 10 dBm，以實現(xiàn)最大傳輸距離或信號強度；低功率模式下，輸出 0 dBm，以優(yōu)化功耗。

從射頻 SoC 到物聯(lián)網(wǎng) SoC 的轉(zhuǎn)型

第一代物聯(lián)網(wǎng)射頻芯片需要外部協(xié)處理器來運行應(yīng)用程序，但如今大多數(shù)無線 SoC 都配備了專用處理器，這讓工程師更容易開發(fā)支持 Matter 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

與許多主流物聯(lián)網(wǎng)芯片企業(yè)一樣，Silicon Labs 堅信 Matter 將成為智能家居通信的標(biāo)準(zhǔn)方式。長期以來，不同廠商設(shè)備間的兼容性問題（由不同無線協(xié)議導(dǎo)致）導(dǎo)致市場碎片化，而 Matter 標(biāo)準(zhǔn)將整合這一市場。正是這類兼容性問題，促使 Apple、Google、Samsung 以及包括 Silicon Labs 在內(nèi)的眾多半導(dǎo)體企業(yè)，通過 Connectivity Standards Alliance（CSA）共同制定了這一開放標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)源自 “基于 IP 的互聯(lián)家庭項目”（Project CHIP），支持智能恒溫器、智能門鎖、開關(guān)和照明等設(shè)備在本地互聯(lián)，無需依賴云平臺。

SiMG301 是 CSA 的 Matter Compliant Platform Certification 項目中的首批芯片之一，其配套軟件開發(fā)工具包（SDK）已通過硬件核心 Matter 功能認(rèn)證。Silicon Labs 表示，基于認(rèn)證平臺開發(fā)，工程師可直接沿用經(jīng)過預(yù)測試的調(diào)試、組網(wǎng)和安全功能，降低產(chǎn)品認(rèn)證的復(fù)雜性、成本和時間。

Series 3 基于多核架構(gòu)，將應(yīng)用處理與無線連接、安全功能分離，使其有足夠能力處理更大的無線協(xié)議棧和計算密集型任務(wù)。SiMG301 搭載主頻高達 150 兆赫茲的 Cortex-M33 內(nèi)核，配備大容量內(nèi)存：最高 4 兆字節(jié)的共封裝閃存（用于程序存儲）和 512 千字節(jié)的片上隨機存取存儲器（RAM，用于數(shù)據(jù)存儲）。

該芯片還集成了更多通用輸入輸出接口，用于連接許多邊緣設(shè)備中嵌入的傳感器，以及其他模擬前端組件，以轉(zhuǎn)換和調(diào)理傳感器的模擬信號。

Silicon Labs 計劃在多款 Series 3 SoC 中集成第二代 Matrix Vector Processor，以實現(xiàn)快速、低功耗的人工智能執(zhí)行 —— 這與該公司最先進的 Series 2 SoC（MG26）的設(shè)計思路一致。它通過硬件加速器將機器學(xué)習(xí)運算從主 CPU 卸載，尤其是音頻、視覺和其他傳感器驅(qū)動的功能（如關(guān)鍵詞識別和運動檢測）。相比僅使用 CPU，NPU 的速度提升高達 10 倍，功耗降低 80%，大幅減少無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的耗電量。

Series 3 將電源管理單元（PMU）集成于芯片內(nèi)，以提升能效 —— 這對于 2026 年即將推出的面向電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 SiXG302 系列而言，將更為重要。

物聯(lián)網(wǎng)的硬件安全連接技術(shù)

Cooley 表示，隨著越來越多 “孤立設(shè)備” 接入物聯(lián)網(wǎng)，硬件級安全正變得至關(guān)重要。

SiXG301 系列搭載了該公司最新的物聯(lián)網(wǎng)安全防護模塊（secure vault）。這一安全飛地獲得了 Silicon Labs 所稱的首個 PSA Level 4 認(rèn)證 —— 這是 PSA Certified 體系中的最高級別。

Silicon Labs 表示，該安全防護模塊通過抵御激光故障注入、側(cè)信道分析、微探測和電壓操縱等物理攻擊，“提升了邊緣設(shè)備的防護標(biāo)準(zhǔn)”。它集成了加固型信任根、生命周期控制功能，以及支持設(shè)備十年部署周期的安全空中下載（OTA）更新功能。Series 3 SoC 還具備四通道串行外設(shè)接口（QSPI）內(nèi)存接口，支持運行時認(rèn)證和加密。

Series 3 SoC 中的安全防護模塊幫助開發(fā)者滿足新興法規(guī)要求，包括歐盟的無線電設(shè)備指令（RED）、網(wǎng)絡(luò)彈性法案（CRA）以及美國的網(wǎng)絡(luò)信任標(biāo)記（Cyber Trust Mark）等。

“我們的產(chǎn)品已做好應(yīng)對所有這些法規(guī)的準(zhǔn)備，”Cooley 在談到日益嚴(yán)格的物聯(lián)網(wǎng)安全法規(guī)時表示，“我們無需重新設(shè)計整個產(chǎn)品組合，因為這些法規(guī)要求的功能需要深入硬件層面的電路支持。你需要物理不可克隆功能（PUF）、硬件信任根和加密密鑰管理，這些都不僅僅是軟件解決方案?！?/p>

該公司最新的創(chuàng)新之一與就地執(zhí)行（XIP）技術(shù)相關(guān) —— 處理器直接從外部閃存執(zhí)行代碼，無需先將其復(fù)制到片上內(nèi)存。Series 3 的安全防護模塊會在代碼進入處理器時對其進行認(rèn)證。

“在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功能日益豐富、普遍采用實時操作系統(tǒng)的背景下，必須支持內(nèi)存擴展，因此我們打造了基本上是全球最安全的串行內(nèi)存接口，而且我們能證明這一點，”Cooley 說。

物聯(lián)網(wǎng) SoC 的未來：集成化是核心

隨著無線連接需求的增長，各企業(yè)正為 SoC 添加更多組件 —— 從射頻模塊、內(nèi)存到處理器，以實現(xiàn)更智能的連接，同時平衡功耗和成本。Silicon Labs 表示，盡管其他企業(yè)采用全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）工藝，但該公司選擇升級至 22 納米等更先進的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝，不僅能減小芯片面積，還能在同一封裝內(nèi)節(jié)省空間，集成更多功能和內(nèi)存。

Cooley 表示，未來物聯(lián)網(wǎng) SoC 的集成度將進一步提高?！拔覀兡軌虺浞掷媚柖傻膬?yōu)勢。但這是最后一代體硅 CMOS 工藝，接下來將轉(zhuǎn)向鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）工藝。”