首頁Top區塊
- Advertisement -
智慧建築應用腳步加快 BIoT創新技術扮要角
數位協定取代傳統管路
最早的建築物自動化系統是氣動式的,透過在大樓裡鋪設複雜的銅導管,再根據氣動感測器的輸入訊號來切換氣動致動器和閥門的開關,以控制每個房間的空調系統。之後,氣動系統被效能更佳的電子開關所取代,直到最近,則被數位控制器取代。
在建築物自動化系統的推演過程中,可控制的系統已從冷暖空調(HVAC)系統擴展到更廣泛的範圍。現今,藉由BIoT創新技術將帶來無限的發展可能性,潛在的智慧建築應用除了恆溫器、照明和安全基礎設施,還包括窗戶、門鎖以及室內和室外電子看板等。而且,智慧建築的應用範圍,還在持續擴展中.
雖然,傳統的建築物自動化系統僅能部署在像是商業大樓的大型建築才符合經濟效益,但現在,新興的BIoT技術已為中小型建築業主帶來了具成本效益的解決方案。透過利用低成本的連接、感測與雲端運算能力,以及充裕的資料儲存能力,已推動了智慧建築市場的快速成長。
現代建築物的建造時間大約從五十年前開始,但採用的技術往往每十年就會汰換一次,頂多維持二十年。對房地產業主來說,不可能一有新技術出現就拆掉舊建築,更換新設施,必須依照需求來逐步更新。
一棟大樓一開始可能是先安裝數位控制的HVAC系統,然後再增加安全攝影機網路、接著是中央控制的照明和百葉窗、電子鎖,甚至考慮用數位看板來管理緊急情況。每次安裝的系統都是來自不同的供應商,因為很少公司能夠同時在不同的領域中保有優勢。
開放標準協訂整合度更高
上述情形造成彼此不相容的複雜網路和技術組合。雖然每個系統都有其各自用途,但要管理這些系統並使其協調運作,變得更困難。最後,開放的標準協定,包括BACnet、LonWorks,以及Tridium的Niagara框架的興起,便取代舊有技術協定。
雖然這些標準提供更高程度的整合,但它們在互通性、成本以及開放性等方面也都各有限制,沒有單一系統能夠完全滿足建築物自動化中最常用標準的需求。根據一份針對建築物自動化系統進行的學術評估報告指出,為彌補各系統不足,導致非標準化解決方案的發展,這反而更進一步阻礙系統之間互通性。
BIoT為中小企業量身打造
透過擴大建築物監控與管理的範圍,並降低擁有成本,BIoT技術顛覆了現有的遊戲規則。因此,在美國,佔98%商業建築市場以及65%樓板面積的中小企業也能跨入此一市場。為了簡化部署與維護成本,業者一直期望能實現無線部署的目標。而現在,歸功於低成本的無線感測裝置,且能將多種感測器整合到單一封裝中,因此使建置成本大幅降低(圖1)。
圖1 BIoT的創新技術顛覆了現有的遊戲規則,透過利用低成本的連接、感測與雲端運算能力,以及充裕的資料儲存能力,推動智慧建築市場的快速成長。
但是,BIoT系統不僅是硬體部署,從感測器收集到的數據也同樣具有價值,因此需要藉助系統的分析功能。新的商業模式,例如基礎設施即服務(Infrastructure-as-a-Service, IaaS)、平台即服務(Platform-as-a-Service, PaaS)、以及軟體即服務(Software-as-a-Service, SaaS),提供了不同的商業模式,讓業者擴展至存取雲端的數據分析與儲存服務,輕鬆地管理所需的雲端技術。
值得一提的是,這些系統可以無縫整合到智慧手機中,讓人們可直接從遠端監控住家或房產。透過友善的介面提供監控、分析和控制功能,BIoT系統可大幅降低對專業知識和培訓的需求,進而最佳化使用者的智慧建築室內體驗、且維護基礎架構,並進而節省能源成本。
從歷史上來看,每個建築物的自動化功能都是獨立開發完成的。因此,就技術、平台和架構來說,今天的智慧建築硬體生態系統仍是各自為政。由於業者期望能把多項功能整合到單一的全方位解決方案,因而帶動了多個趨勢的興起。
另一方面,業者已經體認到,需要建立強大的聯盟來整合和簡化他們的產品。在Memoori發布關於智慧商業建築BIoT的報告中,說明了建築系統製造商、主要ICT供應商的IoT平台解決方案,以及軟體、應用程式和平台領域之間的合作夥伴關係和策略聯盟擴展。這些聯盟通常是來自於不同的利基市場,包括智慧照明、HVAC和電梯業者。
在管理服務和架構方面則是另一種方法,旨在使各種不能互通的解決方案能夠協同運作。服務導向架構,如BACnet網路服務和oBIX,可透過在已部署的建築物自動化技術和客戶端IoT應用程式之間增加抽象層(Abstraction Layer)來執行。
接下來的挑戰是需克服IoT應用的網路安全和數據隱私問題,BIoT也不例外。隨著越來越多的元件連接到日益複雜的解決方案中,網路安全的威脅也變得越來越具挑戰性,唯有當系統中最脆弱環節也具備應有的安全性時,才能達到真正的安全。
根據Memoori的估計,到2022年,智慧商業建築的新興網路安全市場將以超過15%的年複合成長率增加,這是市場發展的必然結果。
智慧連網建築新興技術湧現
隨著智慧建築市場的興起,也帶動了許多技術試圖競逐此商機,但目前尚未有「一體適用」(One-size-fits-all)的解決方案出現。即使是具有從數十個到數百個感測器的小型連網建築物,平均也會用到三種不同的通訊技術。而且,隨著建築物的規模變大,系統也越來越複雜。現階段,專有和開放技術正相互競爭,試圖以單一的統一標準來整合不同系統的努力也在進行中。
除了通訊技術的創新之外,我們也看到了基於網狀和毛細管網路的新架構出現,能夠進一步最佳化頻寬使用,並降低擁有和維護成本。新興的室內定位技術和創新的感測方案,也推動了智慧建築新使用案例的實現,像是資產追蹤、正確的訪客人數計算等。此外,透過人工智慧的應用把更多的分析功能從雲端帶到終端裝置,也降低對頻寬的需求。
雖然室內通訊的骨幹仍可能是利用TCP/IP 或乙太網路等有線技術,但無線技術正在擴大其在智慧建築中的應用。其中,常見的是短距離無線技術,它可提供連網功能並實現無線感測器網路。廣泛內建於智慧型手機和平板電腦中的藍牙技術,則是控制智慧家庭裝置的必然選擇。
由於對配置裝置零需求,在建築物的警報面板應用中,蜂巢式技術也很常見。LTE Cat 1可提供串流語音和視訊、以及智慧量表所需的足夠頻寬。4G低功耗廣域網路(LPWAN)技術,包括LTE-M和NB-IoT,已成為對智慧量錶更具吸引力的蜂巢式技術,可滿足其極低的頻寬需求。這些通訊連接技術方案在5G世代中,也將以大規模機器型態通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)形式持續發展。
最終,通訊技術的最佳選擇,仍需取決於實際的使用案例需求。雖然蜂巢式裝置易於安裝,但由於需要行動數據方案,因此大規模部署的成本較高。而針對更高密度的部署,例如智慧照明、暖氣節電器、以及無線室內感測器網路等,藍牙網狀網路可以發揮其短距離通訊的技術優勢。透過與閘道器連結,藍牙網狀網路能以無線的方式把分散式裝置與內部的建築物自動化系統或雲端服務相連。
此外,2019年初,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)宣布,為其定位服務解決方案推出了增強功能。基於藍牙的定位技術已長期用來協助使用者利用藍牙標籤(Bluetooth Tag)尋找物品。透過在建築物內的固定位置安裝藍牙接收器,房產業主可提供即時定位服務,以支援追蹤人員、資產與其他物品的功能。此外,信標設置也是在大型建築物中提供引導服務的常見解決方案。針對這些使用案例,新的增強功能可增加尋找方位應用,實現準確度小至公寸級(Decimeter-level)的室內定位服務與其他應用。
無線通訊模組選得好 加速產品開發設計
要為多樣化的使用案例選擇適當的無線通訊技術是相當具挑戰性的,需考慮節點間的互通性、覆蓋範圍、可擴充性以及安全性,而採用預先通過測試與認證的通訊模組,更可協助製造商輕鬆地完成設計並加速產品開發週期。
u-blox擁有涵蓋GNSS定位、蜂巢式以及短距離無線電技術的完整產品組合,且在全球各地建立了許多的應用實績,不僅是個別技術的供應商,更能以豐富的經驗與技術支援能力,成為結合這些技術的整體解決方案供應商,提供智慧建築應用所需的各種無線通訊方案,能助力業者加速智慧建築應用的實現。
此外,基於產品都是專為使用週期長的應用而開發,加上靈活的套疊式(Nested Design)設計概念,讓產品可隨著標準演進輕易地無縫升級到新技術,降低智慧建築應用產品世代更迭的風險、支出和維護費用,也是業者在設計產品時不可不考慮的重點,方能在新的智慧時代保持領先優勢。
(本文作者為u-blox台灣區總經理)
2024年功率模組材料市場規模將達22億美元
產業研究機構Yole Développement的功率電子團隊近期發布了對功率電子產業的一項樂觀分析。與 2017年相比,功率元件市場2018年的成長為13.9%。作為功率轉換器和逆變器中的關鍵元素,功率模組市場在2018年至2024年間的CAGR有6.6%,在2024年前達到60億美元市場規模。同時,Yole也認為2024年功率元件封裝市場價值將達到22億美元。 除了產業規模,最重要的一點或許就是EV/HEV市場所顯示出來 的持續成長。
在過去,封裝需求是由產業應用驅動的,但今天市場已經發生了轉變,未來將會不一樣,EV/HEV將會是主角。Yole相信EV/HEV將在2024年前成為最大的功率模組市場,且市值將達到25億美元。因此,功率模組封裝材料市場將在2018年到2024年間以7.8%的CAGR成長,在2024年前達到22億美元的產業規模。在這樣充滿活力的背景下,材料領域將占據功率模組市場的三分之一以上。2018年最大的封裝材料領域是底板(Baseplate),其次是基板(Substrate)。另外的32%是晶粒黏著(die-attach)和基板黏著(Substrate-attach)材料。因此,這些區隔市場中的主要技術選擇會迅速影響到整個功率模組封裝市場。
在晶粒黏著中採用銀燒結的市場比重在增加,特別是由於EV/HEV的推動。這項技術比傳統的焊接材料昂貴,而晶粒黏著市場在2018年至2024年間的CAGR超過10.8%,遠高於其他區隔市場。成長速度第二的是互聯市場。Yole公布的2018年至2024年CAGR為8.7%。緊隨這一細分市場之後的是基板,2018~2024年間的CAGR為8.5%。自從汽車電氣化的初期至今,功率模組一直扮演著關鍵 的角色,尤其是在從逆變器到雙向轉換器的優化上。由於多方面的技術因素,如熱效率和系統整合,這些模組的封裝在如今至關重要。
因應物聯網布建三大挑戰 微軟/宜鼎連手提對策
物聯網正在逐漸改變企業與社會運作的方式,但同時也帶來三大挑戰。萬物聯網固然創造出許多新的應用,提高了便利性跟效率,但無處不在的聯網設備,也對物聯網系統的管理者帶來資訊安全、裝置管理與後續維修服務的問題。有鑑於此,微軟(Microsoft)與工業儲存業者宜鼎攜手合作,推出基於Azure Sphere的固態硬碟解決方案,在確保資安的前提下,讓物聯網管理者有更多工具來因應物聯網設備大量布建所帶來的難題。
物聯網規模膨脹帶來遠端管理/維護難題
宜鼎國際董事長簡川勝指出,物聯網正在快速滲透到人們生活的各個領域,從工控市場起家的宜鼎,也感受到工業物聯網(IIoT)的強勁需求。但隨著物聯網節點的數量急速成長,加上布建場域可能極為分散,如何有效確保物聯網系統的資訊安全,簡化管理作業與降低後續維護成本,已經是業界共同面臨的挑戰。
宜鼎國際董事長簡川勝表示,目前物聯網實施的最大挑戰之一,就在於如何管理、維護分散在全球各地,數量龐大的邊緣設備。
從宜鼎的角度來看,萬物智慧化與邊緣運算概念的興起,為物聯網大量布署所衍生出的問題提供了解答。為了讓節點裝置變成智慧裝置,硬體必然要搭載功能更完整的作業系統,應用開發者才能開發出各種智慧應用;而作業系統的存在,則會使得固態硬碟(SSD)在各垂直產業的普及率跟著上升。這為物聯網裝置管理帶來契機,因為智慧化設備可允許使用者透過遠端管理機制來管理這些分散各地的節點設備。
舉例來說,現在生活周遭四處可見的數位看板、便利商店裡的Kiosk,本質上都是工業電腦與物聯網的應用,而大家想必都看過這類設備故障、甚至系統當機的情況。在沒有遠端管理功能的情況下,物聯網管理者往往得等到現場工作人員通報,才知道設備出狀況。有了遠端管理之後,管理者可以在第一時間就知道設備出狀況,並嘗試進行遠端維護。
但這是不夠的,如果作業系統已經整個當掉,現有的遠端維護功能將無法運作,得派出維修人員到現場才能解決。因為遠端管理是應用程式,在作業系統已經當機的情況下,應用程式將無法運作。
OOB技術結合Azure Sphere 系統維運成本可望降低
針對這類遠端管理跟維護問題,目前的科技是有辦法解決的,例如伺服器主機板上的主機板管理控制器(BMC),就是用來處理這類問題。但對許多物聯網裝置來說,BMC是太過昂貴的解決方案。
因此,宜鼎決定跟微軟合作,將Out-of-Band(OOB)管理功能整合到宜鼎的SSD產品中,這樣一來,即便作業系統已經當機了,管理者還是可以透過網路直接對遠端硬體下達重開機或其他復原指令,讓設備恢復正常運作。
這是一個很方便,但實作上必須十分謹慎的功能,因此在這個SSD系統中,除了SSD控制器之外,還額外添加了一顆通過微軟Azure Sphere安全認證的晶片,來執行OOB管理。這顆晶片有獨立的I/O跟網路連線功能,並內建微軟提供的安全機制。此外,Azure Sphere晶片只負責跟系統管理有關的控制功能,不會存取到儲存在SSD裡面的資料,因此可讓使用者在資安無虞的情況下使用OOB管理功能。
微軟Azure Sphere首席產品規劃師Josh Nash表示,安全是物聯網應用的前提,因此微軟在設計Azure Sphere作業系統時,對物聯網安全做了通盤考量,除了將各種安全功能內建到作業系統中,也僅有通過Azure Sphere認證的微處理器晶片才能執行Azure Sphere。目前第一款通過驗證的微處理器是由聯發科提供的MT3620,接下來恩智浦(NXP)、高通(Qualcomm)等晶片大廠,也會針對不同應用市場推出通過Azure Sphere驗證的處理器產品。
據知情人士透露,恩智浦最高階的嵌入式處理器i.MX8系列,將有部分會通過Azure Sphere驗證,至於高通的情況,目前則尚不明朗。
VESA DP 2.0 8K解析度輕鬆達標 USB 4納入Alt Mode
美國視訊電子標準協會(VESA)於2019年6月發表DisplayPort(DP)影音標準。DP 2.0是DisplayPort標準自2016年3月發布以來的第一次重大更新,除了提供較前一版DisplayPort(DP 1.4a)高出達3倍的資料頻寬效能,還加入多項新功能以因應傳統顯示器未來將面臨的效能需求。另外,8月分發表的USB 4.0版本,也納入DP Alt Mode,支援目前業界主流傳輸介面。
VESA合規計畫經理Jim Choate表示,支援DP 2.0的產品預計在2020年以後上市。
DP 2.0可以支援8K解析度(7680×4320)、60Hz更新率、全彩4:4:4色度採樣、包括30像素位元(Bits Per Pixel, BPP);在更高解析度下提供更高的畫面更新率並支援高動態範圍(HDR)、改善對多螢幕組態的支援以及提升擴增/虛擬實境(AR/VR)顯示器的使用者體驗,支援4K與4K以上的VR解析度。不論是採用原生DP連接器或USB Type-C連接器都能發揮DP 2.0的優點─透過DisplayPort Alt Mode傳遞DP影音訊號。VESA合規計畫經理Jim Choate表示,DP 2.0也支援前向錯誤更正(FEC)的視覺無損顯示串流壓縮(DSC)、HDR詮釋資料(metadata)傳輸與及其他進階功能。透過USB-C連接器傳輸的由DP 2.0所改善的視訊頻寬效能,可以在不犧牲顯示效能的情況下同時高速傳輸USB資料。
此外,DP 2.0新規範的資料速率附帶顯示串流資料映射協定(Data Mapping Protocol),單流傳輸與多流傳輸皆適用。這種通用的映射進一步促進了DP 2.0裝置對於多流傳輸的支援,只需透過訊號源裝置上的單個DP埠,搭配擴充塢座或菊鏈串接就能同時驅動多台螢幕。Choate指出,支援DP 2.0的產品預計在2020年以後上市。
USB...
調研:蘋果5G 手機2020 現身將直取龍頭?
2020年5G產業即將火熱開打,面對插旗的黃金時段,中國移動日前公布5G服務資費,並將5G手機銷售目標訂在1億支;產業研究機構Strategy Analytics則發表研究預測,對於市場最期待的5G iPhone,蘋果依然於2020年第三季才會正式參賽,並且隨即躍居5G智慧手機的領先地位。在前幾大手機品牌廠中,蘋果將是最晚推出5G手機的廠商,卻也被看好將在新興智慧手機技術領域占據主導地位。
三大手機品牌5G產品市占率表現 資料來源:Strategy Analytics(10/29)
Strategy Analytics表示,目前看來,沒有5G手機的蘋果將能夠超越當前5G市場的領導者三星和華為,似乎違反直覺。但是明年將有三款新的5G iPhone問世。目前,三星是5G智慧手機的市場領導者,但是隨著2020年兩個最大的5G市場權面商轉,預期這兩個廠商明年將在5G領域處於領先地位。
儘管預計蘋果將在2020年實現5G的強勁成長,但從長遠來看,三星將重獲5G桂冠。隨著更多市場進入5G,三星將憑藉其在整個智慧手機產業的主導地位,以及從低階到高階完整的「機海」產品線,維持其市占率龍頭的寶座。
在華為部分,該公司5G智慧手機銷售方面的潛力受到美國技術貿易禁令的限制。Strategy Analytics認為,華為在中國占主導地位,並且很可能仍將如此。但是在禁令解除之前,華為在其他區域市場的5G智慧手機銷售前景有限。
另外,2019年10月底,大陸三大電信營運商分別公布5G資費,正式拉開了大陸5G全面商轉的序幕。中國移動指出,2019年已經銷售百萬台5G終端,5G預約客戶超過1000萬,中國移動豪情壯志的喊出,到2020年擁有7000萬的5G用戶,完成3億筆5G業務,銷售1億部5G手機、5000萬台家庭泛智慧終端以及1500萬產業模組。
防止駭客攻擊 汽車安全需日新又新
也因此,現今的車輛也有著越來越多的應用聯網,但這也增加攻擊面(攻擊媒介的總和,代表駭客的潛在路徑和攻擊者利用漏洞),每個連接選項表示一個潛在的進入點(圖1)。
圖1 隨著汽車愈來愈電子化,安全也備受威脅。
與此同時,駕駛也希望獲得更多的安全保障、舒適性,以及便利性。顯而易見的,此一需求也增加了汽車解決方案的複雜性。現代車輛的大部分功能都是由電子系統控制的,舉例而言,在高階車款有著200個以上的電子控制單元(Electronic Control Units, ECU)和2億行以上的程式碼,使其成為每天使用的最複雜的系統之一(圖2)。
圖2 高階汽車往往配備200個以上的電子控制單元。
全自動車輛的廣泛使用似乎是遙遠的未來,但接管汽車控制權的威脅比大多數人想像的要近。著名的吉普駭客(研究人員從他們的地下室遠端控制車輛)是三年前 (2015年),此後公布了多個駭客攻擊。
安全防護對個人/國家而言都十分重要
對於自動駕駛汽車來說,安全問題最為明顯,但所有車輛都必須得到保護。駕駛不僅想阻止駭客控制汽車(特別是當坐在車裡時),也希望汽車是安全的,以防罪犯覬覦(例如安裝勒索軟體)。
隱私越來越受到關注,因為越來越多的敏感訊息儲存在汽車本身或連接到汽車的雲中。駕駛使用上線服務,相互溝通並使用信用卡付款,而汽車可以顯示人們的位置、駕駛習慣和其他敏感訊息。目前各國政府已採取行動強化隱私保護,例如歐盟的通用數據保護條例(GDPR),加利福尼亞的加州消費者隱私法(CCPA)或SPY汽車法(汽車法中的安全和隱私法),但日常生活的汽車也必須有足夠智慧和安全以保護個人隱私。車輛必須採取強有力的安全措施,以阻止恐怖分子接管汽車並將其武器化;運輸是關鍵基礎設施的一部分,保護運輸必須成為每個國家的國家安全戰略的一部分。
安全是駭客和防護間相互競爭
沒有完美的安全保障方案,如果有足夠的資源(時間、金錢、設備等),一切都會被打破。在過程中,安全保護措施必須足夠強大,才能使攻擊者相信不值得嘗試攻擊受保護資產。攻擊者分析成本(花費的金錢和時間、所需的技術訣竅和設備、被抓住的風險等)與利益(贓物或數據資料、宣傳等)以及損益平衡,如果可以遠程執行攻擊,或者可以輕鬆地將其擴展到車隊,則可以獲得更具吸引力的投資回報。
攻擊方法隨著時間的推移而逐漸變得越來越便宜,使犯罪分子和恐怖分子更加負擔得起並且可能有利可圖。汽車安全也因而必須不斷發展,這意味著汽車製造商必須支援車輛內外及其供應商的可更新、可升級的安全性(例如韌體/軟體空中更新)。當然,可能會在行車現場發現新的漏洞,因為與攻擊是一直持續的,必須能夠在車輛的使用壽命期間應用安全修復程序,這比大多數其他消費品的使用壽命更長。
強化安全人人有責
之前提到的吉普駭客很快就被遺忘了(研究表示聽說過它的人中,只有一半的人在一年後仍記著這件事)。在技術論壇上,新的駭客和解決方案不斷發布,但消費者在經銷商處要求提供汽車安全資訊的情況仍然不常見。
一個共同商定且獨立、客觀地對安全級別進行分類的框架目前並不存在,各國政府正在積極運行,就像聯邦調查局對汽車駭客攻擊的公開警告一樣,但達到消費者對現有威脅和解決方案的適當認識水準仍需時間。
到目前為止,成功的駭客大多是由研究人員和產業從業人員自己執行的,而不是犯罪分子或恐怖分子。但消費者、產業和整個社會現在必須採取行動,當為方便起見,為未來的汽車提供更多的功能和連接選項時,必須實施匹配措施,以確保在這個更加複雜、危險的環境中的安全和保障。
政府/產業致力解決安全問題
汽車整車廠(OEM)及其供應商正在定義未來車輛系統的安全架構和必要的基礎設施適用功能,如V2X(車輛到基礎設施通訊)、雲服務和空中更新。安全性是新設計不可或缺的一部分。政府的舉措在確保自主車輛的安全方面發揮著重要作用,例如美國DoT自動車輛3.0,專注於從SAE自動化1級(駕駛員協助)到5級(完全自動化)的各種自動化車輛(圖3)。
圖3 自動駕駛等級分類
目前正在制訂標準。2016年出版的網路物理車輛系統網路安全指南(SAE J3061)描述了一個可用於將網路安全構建到車輛系統中的流程框架。SAE的車輛電氣系統安全委員會正在製定SAE J3101(地面車輛應用的硬件保護安全要求),以確定一套共同的要求。
新興標準ISO/SAE 21434(道路車輛--網路安全工程)定義了一個框架,以確保一致、明確以及穩健的方法來培養網路安全文化,並且管理整個車輛生命週期中的網路安全風險,以適應不斷變化的威脅形勢和建立網路安全管理系統。因此,它將解決產品工程中的安全問題,類似於ISO 26262如何解決功能安全問題,ISO/SAE 21434計劃於2020年出版,且它可能會取代SAE J3061。
汽車製造商和供應商之間建立了聯盟,為需要整個產業合作的發展提供平台。從許多重要的論壇來看,重點是強調Auto-ISAC,它是重要的全球網路安全專注社群之一(共享情報和提供最佳實踐指南)和C2C-CC(Car 2 Car Communication Consortium),專注於合作智慧運輸系統和服務(C-ITS)的部署。
實施可靠原則以解決汽車安全挑戰
汽車產業透過最先進的安全原則,並將其應用於汽車設計來應對這些安全挑戰,汽車製造商必須設計和開發專注於整個系統的端到端解決方案,包括汽車如何與其環境和其他車輛互動。用適當的安全設計方法以確保安全性不是事後的想法,而是從第一天開始就被設計到每個組件中。OEM定義的系統安全概念整合了來自多個供應商的元素,因此透過複雜的供應鏈有效地推動該系統安全概念是成功的重要因素。
必須應用於所有系統的另一個原則是縱深防禦或多層安全性,這意味著如果違反了一層安全性,則下一層必須繼續保護系統。舉例來說,如果訊息娛樂系統被駭客入侵,那麼內部防火牆仍將保護安全相關系統,如轉向控制和制動器,以防止未經授權的侵入(圖4)。
圖4 汽車安全須從多種面向進行保護。
如前所述,重要的是確保汽車安全解決方案在車輛壽命期間保持有效,組件必須具有固有的更新路徑,使安全解決方案保持最新狀態,並解決未來可能存在的潛在漏洞。例如,可以在當地經銷商處或通過無線更新應用這些升級。
保護的級別和性質必須與車輛中不同功能域、應用和組件中的威脅一致。ECU的保護等級取決於多個參數,包括攻擊面,在其上實施的功能重要性以及受保護的資產。具有外部連接功能的組件,例如訊息娛樂系統或閘道器,便需要比大多數車身控制模組更高級別的保護。
潛在易受攻擊的組件應與安全關鍵功能隔離開來,因此成功攻擊的影響可能會受到限制。如果檢測到成功的攻擊,則必須維護和保護核心功能以確保汽車保持功能和安全,但是可以禁用附加功能(例如直播視訊串流)以減少潛在影響。
汽車供應鏈中的所有公司都必須準備好不斷投資於網路安全解決方案,以便始終領先於隨時可能發生的威脅,而這需要一個全面的汽車網路安全計劃,其中包括:具有內置安全功能的產品、整合到正常開發流程中的安全產品工程流程、內部/外部安全評估和認證、產品安全事件響應團隊和系統方式分享威脅情報。隨著安全性成為產品設計不可或缺的一部分,構建和維護安全意識組織至關重要。
為此,汽車元件供應商積極研發相關產品。像是恩智浦旗下的S32處理平台提供基於4+1汽車安全框架(圖5)。4層網路安全解決方案為外部世界提供了一個安全的介面,可用於M2M(機器到機器)通訊、區域隔離的安全閘道器、內部和外部消息傳輸的安全網路,以及ECU上的安全處理等;而與安全的汽車門禁系統一起使用,則可以在整個車輛中實現縱深防禦保護。
圖5 多層防護有助於提升安全性
設計安全性至關重要,這就是為什麼作為S32平台的一部分開發的產品提供全面安全功能,在稱為硬體安全引擎(HSE)的專用安全子系統中實現安全啟動、對稱和非對稱加密服務、散列、高質量隨機數生成、密鑰管理服務、側訊道保護和故障阻抗;硬體加速已到位,可滿足安全關鍵型汽車系統的即時要求。
同時,該產品可以提供廣泛的應用(車身、舒適性、動力總和、車輛動力學、安全性、駕駛員輔助和駕駛員更換、閘道器、域控制器等),確保產品易於使用,並具有易於重複使用通過相容的安全API,所有產品均符合AUTOSAR標準,完全符合SHE和EVITA Full規範的功能目標。
總結來說,現今進入市場的任何解決方案,都必須提供一種在車輛使用期間都必須不斷保持更新的安全解決方案,因此透過安全(加密)支援離線、無線固體、軟體更新非常重要;必須在所有領域提供可更新、可升級的安全性,以支援從設計到報廢的車輛。
業界正在努力設計和維護汽車安全系統,使汽車製造商能遵循良好的安全措施,例如使用強密碼並報告他們觀察到的可疑故障。汽車及其安全系統非常複雜,有多個切入點。需要深入的安全專業知識來保護敏感資料,並確保車輛的安全運行。
汽車產業必須為現有和未來的車主提供足夠的安全解決方案,同時政府也可以發揮作用,例如,通過確定獨立評估我們車輛安全能力的法律,車主可以且應該要求經過驗證的高安全性解決方案,以及舒適性和安全性。提高消費者意識和需求有助於加快所需步驟,因此安全實施可以滿足高度連接車輛或自動駕駛快速成長的安全要求。
總結來說,目前一切都在考驗消費者能否相信自己的車輛嗎,特別是當看到越來越多的自動駕駛機器人時。答案是,如果將安全性視為整體車輛設計的一個組成部分,並準備在可更新和可升級的安全性方面領先於駭客攻擊技術,就可以相信自己的車。
重要的是,政府、產業參與者和車主都該盡自己的一份力量,要求提供有關汽車安全功能的訊息應該成為常規,就像今天學習安全性,駕駛參數和便利性一樣;而供應商必須使用最先進的技術支援這一目標,讓每個人都可以安全可靠地行駛在路上。
(本文作者任職於NXP)
效能追求無止境 FPGA轉向Chiplet/矽光子
隨著線路微縮的難度不斷增加,採用最先進製程的資金門檻也變得越來越高,而且未必能帶來晶片尺寸縮小,量產成本下降的經濟利益。事實上,在人工智慧(AI)風起雲湧,運算效能需求逐年倍增的情況下,為了滿足使用者需求,許多高效能處理器的晶片尺寸都變得越來越大,並開始對生產良率造成嚴重影響。這使得業界開始思考其他替代方案,例如近年非常熱門的異質整合跟Chiplet設計,就是因此應運而生。
賽靈思晶片技術副總裁吳欣(圖1)表示,摩爾定律(Moore’s Law)在技術跟經濟層面,正面臨巨大的挑戰。就技術層面而言,隨著線寬越來越細,電晶體本身占用的面積也要隨之縮小,因此其結構設計已經從平面轉為立體,也就是大家所熟知的鰭式場效電晶體(FinFET)。從16奈米製程節點開始,晶圓代工廠如台積電已經開始改採FinFET結構;預計到3奈米時,電晶體結構還會面臨一次重大轉變,改採環繞式閘極(Gate All Around, GAA)結構。
圖1 賽靈思晶片技術副總裁吳欣認為,摩爾定律雖正面臨技術與經濟的雙重挑戰,但仍會緩步向前推進。
而在曝光技術方面,193奈米浸潤式曝光技術已經走到尾聲,接下來將由極紫外光(EUV)曝光技術接受。根據晶圓代工業者的技術發展路線圖,5奈米跟3奈米製程都將改用EUV,目前已經量產的7奈米製程,日後也可能改用EUV機台來曝光。
但對線路微縮來說,目前最棘手的挑戰還是在後段線路製程,主要是金屬互連。由於線路的寬度跟阻抗值成反比,線路越細,阻抗越大,因此金屬互連的微縮是非常困難的工程挑戰,如果沒有改善的對策,金屬互連可能會成為製程微縮的最大限制。
也正因為線路微縮的道路上存在重重險阻,為了達成目標,晶圓代工廠跟晶片設計團隊深度合作,同步在製程技術、設計與晶片架構上進行最佳化,是必然的結果。以賽靈思為例,因為跟台積電保持密切合作,因此在同一個製程節點上,雙方花了超過半年時間不斷進行設計迭代,取得了相當亮眼的成果。如果拿16奈米製程做為參考基準,第一個10奈米設計的晶片面積只比16奈米縮小了30%,但半年多之後,已經縮小了53%。
然而,若把經濟因素納入考量,只依賴線路微縮,將無法滿足客戶對下一代產品的效能要求。因為人工智慧等應用需要極高的運算能力及大量記憶體,如果要將所有功能整合在單一晶片上,將使晶片面積暴增,量產良率跟著急遽下滑。
因此,賽靈思多年前就開始跟台積電合作,利用先進封裝技術所提供的高速互連能力,一方面將FPGA分割成多顆Chiplet,以提高生產良率,另一方面也藉此技術將FPGA與高頻寬記憶體(HBM)整合,讓FPGA可以更快速地存取儲存在HBM上的資料,提升整體運算效能。事實上,目前業界容量最大的FPGA--Xilinx VU-19P,就是基於Chiplet的設計概念,用4枚基於16奈米製程的Chiplet組合成整顆FPGA,提供使用者高達900萬個邏輯單元的容量,而不是用最先進製程來生產。
不過,吳欣也提醒,並不是所有電路都適合套用這種設計概念,因此設計人員應該先審慎評估自己的電路設計,再決定是否採用Chiplet。此外,對所有半導體產業的工程師來說,功率密度還是一個必須小心應對的議題。不管是Chiplet或線路微縮,追求的目標都是縮小晶片面積,但晶片面積越小,功率密度就越高,散熱問題也越需要從系統層級著手處理。
面對功率高牆 SERDES轉向矽光子
接續功率議題,賽靈思有線/無線事業群工程副總裁張琨永指出,基於傳統電子訊號的高速串列/解串列(SERDES)通訊技術,將在112Gbit/s世代畫上休止符,如果要繼續將頻寬往上推,勢必得轉向矽光子。因為若繼續採用現有的SERDES技術實現下一代收發器,光是通訊所消耗的電力便將超過200W,這是一個大到無法接受的數字。
張琨永解釋,每一款晶片都受到功率預算的限制。在功率預算內,晶片必須做完所有事情,例如通訊、運算、讀寫記憶體等。若僅通訊就要占用200W功率預算,晶片的其他功能恐怕都沒辦法運作了(圖2)。
圖2 受限於功率預算,未來晶片對外的通訊頻寬若要進一步提升,必然得朝矽光子技術發展。
此外,隨著訊號速度越快,訊號衰減的問題也會變得越棘手。基於銅導線的傳統SERDES,已經很難把10Gbit/s的訊號傳送到10公尺外,如果速度再往上加,傳輸距離只會更短,這對許多應用來說,也是無法接受的。
綜合功耗、頻寬、傳輸距離等因素,未來高效能運算所使用的晶片,在通訊方面轉向矽光子收發器,已經是不得不然的選擇,賽靈思也已經投入相關技術研發多年。
矽光子通訊最大的優勢在於可以實現長達兩公里的傳輸距離,同時減少晶片互聯的功耗,把功耗預算留給運算任務,而且延遲(Latency)也比基於電氣訊號的傳統互聯來得低,這點對於高效能運算非常關鍵。此外,矽光子具有跟FPGA主晶片整合在同一個封裝內的可能性,可以進一步提高FPGA的通訊頻寬,並縮小尺寸、進一步降低功耗。
賽靈思早在2016年就開始與愛美科(imec)、Samtec合作,藉由在FPGA晶片外的光通訊晶片實現50Gbit/s的矽光子通訊連線。目前賽靈思正試圖將矽光子收發器與FPGA整合在同一個封裝內,也已經有初步成果。未來光纖將可以直接拉到FPGA上,而不是FPGA外的收發器(圖3)。
圖3 導入矽光子之後,未來FPGA晶片將直接透過光纜進行外部通訊。
如圖3所示,矽光子晶片跟FPGA的異質整合,還可以進一步細分成三種,其中兩種屬於On Package/Pluggable,第三種則是In Package/Unpluggable。目前賽靈思的技術進展是實現On Package,並藉由在封裝上預留連接器,讓外部光纖可以直接連線到FPGA上。這種設計有個好處,就是使用者可以更換光纖,如果做成In Package,則光纖介質會直接拉進封裝體內,光纖將無法更換。但這種設計會帶來更低的功耗與更小巧的外觀尺寸,而且整合度更高,只需要搭配外部雷射元件就能實現矽光子通訊。
這會是一個很重要的設計抉擇,因為在實際應用上,系統需要使用的光纖長度不一,如果光纖是封裝的一部分,更換難度會大幅提升,應用上的彈性也會受到限制。如果採取可插拔式設計,對使用者來說是比較方便的。
此外,賽靈思在設計矽光子通訊時,還必須考慮到很多真實世界的問題。例如資料中心、超級電腦這類系統,除非是在維修狀態,否則基本上是不會停機的,這意味著系統上搭載的晶片會持續發熱,光纜材料能否長時間耐受高溫而不劣化,會是一個大問題。此外,如果要更換光纜,FPGA封裝上一定要有對應的光纜插座,這種插座要如何設計才能做到可靠耐用?這些都是賽靈思目前還在努力克服的挑戰。
張琨永總結說,目前矽光子技術的發展,還有四大挑戰需要克服。首先是生態系統的建立,包含電子晶片的設計製造、光通晶片的設計製造、封裝、如何外掛光纖、雷射光源,乃至所有異質整合都需要的KGD測試等,這些配套都要到位。
其次是可靠度問題。光通訊所使用的元件,例如光纖、光纖連接器、雷射光源等,可靠度都比矽晶片來得低。
第三是能源效率,矽光子的能源效率一定要比傳統基於電氣訊號的互聯技術高出非常多,才值得導入。
最後則是成本問題,目前矽光子所使用光通訊元件還沒有規模經濟效益,因此成本還是偏高。但如果相關元件進入大量生產階段,成本問題將有機會獲得解決。
2020年AMOLED面板站穩高階智慧手機市場
根據TrendForce光電研究(WitsView)最新觀察,隨著AMOLED面板產能持續增加,加上品牌客戶採用意願提升,AMOLED機種占整體智慧型手機市場的比重有機會從2019年的32.8%提升至2020年的38.0%。而LTPS機種的比重則微幅下滑,從41.3%下降至38.6%。AMOLED與LTPS機種不排除出現交叉的可能。
TrendForce指出,近兩年來三星顯示器(Samsung Display)因價格策略得宜,有效提升了客戶對AMOLED面板的採用意願,加上AMOLED面板是目前搭載屏下指紋辨識方案的唯一選擇,因此在高階手機市場取得優勢地位。除了Samsung與Apple之外,中國一線品牌客戶對AMOLED面板的採用態度也更加積極,加快中國面板廠往AMOLED面板產能布局的速度。
雖然中國的AMOLED面板產能持續增加,但目前新增的產能大部分是生產難度較高的可撓式AMOLED面板,代表絕大部分的剛性AMOLED產能依舊掌握在三星顯示器手中。由於剛性AMOLED面板產品較成熟,成本與良率表現也較佳,成為三星顯示器用來主動爭搶市占的利器,並壓縮了LTPS面板在中高階市場的空間。TrendForce認為,在剛性AMOLED產能不再大舉擴充的情況下,加上中國的柔性AMOLED產品還未具備足夠的競爭力,一旦2020年客戶對剛性AMOLED面板需求持續增加,屆時剛性AMOLED面板的供需有可能呈現平衡到略為吃緊的狀態。
而原本佔據中高階手機市場的LTPS面板,在AMOLED面板需求大舉出籠下,受到不小的衝擊,市場價格競爭激烈,廠商利潤空間快速被壓縮。不過在今年窄邊框的趨勢下,由於搭載Dual Gate TDDI IC的a-Si HD In-Cell面板量產速度不如預期,讓電子遷移率與邊框設計規格更佳的LTPS面板有了切入的機會,部分產能開始轉往生產LTPS HD機種,從中低階市場彌補在中高階市場損失的市占率。另一方面,部分手機客戶結構不佳的LTPS面板廠,也開始進行產能的調整,透過關閉部分產線或是積極轉往其他非手機應用,來減輕LTPS需求受到AMOLED面板擠壓帶來的壓力。
TrendForce認為2020年後,全球智慧型手機市場中AMOLED機種的比重將持續攀升,主要來自於柔性AMOLED面板需求的提升。至於剛性AMOLED面板受限於供給,成長幅度有限。值得關注的是,部分未能得到滿足的剛性AMOLED面板需求,是否可能會轉而使用LTPS面板,而支撐LTPS面板供需趨於平衡狀態。
邊緣運算話題正夯 邊緣伺服器發展大異其趣
這五項邊緣運算伺服器的發展趨勢分別為:「超融合技術與功能介面整合」、「靈活運算架構與節點多層化」、「軟體定義與虛擬化技術強化」、「開放化硬體架構與軟體堆棧」、「小型與防震型等環境適應力」。上述趨勢將持續牽引2019年第三、第四季之後的邊緣運算伺服器產品,與整體產業生態系的發展走向。
超融合技術與功能介面整合
智慧聯網需求差異性高,邊緣位置必須在離線、沒有核心數據中心的支持情境之下,還能夠獨立執行現場的分析、分派任務;此外,為了讓客戶或使用者可以更加便捷地使用伺服器設備,因此,如何降低使用的成本與使用複雜性成為關鍵因素,這也推動邊緣運算伺服器產品朝向「超融合」(Hyperconvergence)發展。
包括思科(Cisco)的PowerEdge R740、XR2與聯想的ThinkSystem SE350等產品皆應用了「超融合」來陳述自身的產品,大約可以分為兩種主要內涵:
第一,運算、儲存、網路功能的超融合,此三種技術的融合形成了「超融合基礎建設」(Hyperconverged Infrastructure, HCI),此一架構具有快速布署、彈性擴充特性。
第二,隨著現場數據量的大量增加,並且在運算成本的考量下,藉由分散式系統軟體,將多個邊緣運算伺服器形成「叢集」是相對較佳的解決方案,然而,此一種叢集化的解決方案,賴於是否能依據現場的環境資源與使用模式(如工控、電源配置模式),進行靈活性調度與處理,這進一步推動了資訊技術(Information Technology)與操作技術(Operation Technology, OT)的融合,邊緣運算伺服器便是融合的載體。
上述兩項內涵之中,又以IT、OT的融合最為重要,其更被視為邊緣運算能否在不同「現場」(Field)進行大規模布署與管理的關鍵因素,尤以是在設備、次系統數量愈多、愈複雜的場域,更尤其需要IT、OT端的融合。「超融合」的發展趨勢之下,除了將影響了邊緣運算伺服器產品設計,也將整合企業內部IT、OT(如工業控制)原先屬於不同部門的合作與分工模式。
靈活運算架構與節點多層化
邊緣運算伺服器與傳統地方型伺服器的差別之一,在於邊緣運算伺服器所強調的並非封閉性的系統情境,而是可以按照不同的設備、通訊需求,進行多層的運算架構設計;也就是藉由數據、服務品質來判斷資訊數據分析與運算位置,並且因應不同的事件類型,運算位置可在雲端、邊緣來進行靈活性的調整與分派。
AWS的Snowball Edge產品,便是靈活型運算架構的具現,然而,不僅AWS此種雲端服務提供商,幾乎所有邊緣運算伺服器布局業者,皆強調「伺服器」是介於雲端、終端之間的「節點」。屬於「雲端服務提供商」、「網通設備提供商」的不同業者,對於靈活型運算架構有兩種不同內涵:
第一,雲端服務提供商,對於邊緣運算伺服器功能,特重於雲端與邊緣的資料遷移能力,對於雲端服務而言,邊緣運算伺服器所能提供的服務,較類似於「朵雲」(Cloudlets),也就是考量客戶負擔的成本,以及就近客戶布署的需求,所創造的雲端服務延伸。
第二,網通設備提供商,對於邊緣運算伺服器的功能,則較強調現場基礎建設建構,因此,相對於雲端服務提供商,比較側重於如何藉由「叢集」來串聯終端的運算資源池。
上述兩項不同的內涵,在2019年之後已有匯流的情況,並且「雲端服務提供商」、「網通設備提供商」在5G、智慧製造等情境之下,已有日益增加的策略合作。不過,值得注意的是,不同使用情境的設備、數據異質性差異甚大,因此不同的服務情境將會有不同的層級架構,如何掌握現場設備數據生成與傳輸特性,藉由擬定「數據政策」來設計多層級運算架構,會是延伸課題所在。
軟體定義與虛擬化技術強化
藉由邊緣運算功能介面來觀察,可以發現邊緣運算與雲端運算,架構上最大差異之一在於邊緣運算除了有「垂直」層級關係,亦有「水平」層級關係,然而複雜層級關係已非傳統伺服器、閘道器、路由器所能因應,因此「虛擬化」與「軟體定義」便成為依賴的技術選項。
包括研華、Supermicro、聯想等對於自身邊緣運算伺服器產品的陳述,皆直接聚焦在虛擬化、軟體定義兩項技術,兩者主要目標,皆是希望超過硬體限制,讓整體網路中的運算效率提升。兩項技術內涵縱然不同,但彼此卻密不可分。
虛擬化技術,可以進一步將運算、儲存與網路資源虛擬化,在邊緣的位置上形成一個資源池,最常應用的是網路功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV),其將網路節點分割成為數個功能區塊,有利於動態規劃「封包傳輸路徑」,達到動態負載平衡。
軟體定義技術則可以視為是整體基礎建設的軟體控制機制,藉此可以將上述的「虛擬資源」分配給資源取用者,可進一步分為軟體定義網路(Software Defined Storage, SDS)與軟體定義儲存(Software Defined Network, SDN)。
虛擬化與軟體定義技術被視為5G電信數據封包核心網路(Evolved Packet Core Networks, EPC)的主幹,會有這樣的演變,除了設備異質性提高之外,主要推動力是服務提供商必須針對不同使用者需求,來彈性設定傳輸網路與傳輸路徑。邊緣運算伺服器作為基礎建設重要的節點,需要支援或具備「虛擬化」與「軟體定義」技術,讓整體網路更具備彈性化與可擴充性,同時也可降低運算基礎建設的建置成本。
開放化硬體架構與軟體堆疊
強調去中心、分散化的邊緣運算架構,也嘗試定義新的產業生態系,而受到開源文化影響開放硬體、開源軟體思考逐漸被電信服務提供商、雲端服務提供商所接納,影響下世代邊緣運算伺服器產品設計思考,主要目標在於建構具有協同作業的架構與環境,以及增加設備與平台的互通性。
諾基亞(Nokia)在2018年提出的Airframe Open Edge...
專訪CEA-Leti執行長Emmanuel Sabonnadiere SOI將成邊緣AI重要推手
CEA-Leti執行長Emmanuel Sabonnadiere表示,SOI技術有多種衍生型,從適合邏輯電路與類比電路使用的FD-SOI,到適合射頻元件使用的RF-SOI、以及專為功率半導體應用需求開發的Power-SOI, SOI材料的應用涵蓋範圍極大,並獲得意法半導體(ST)、恩智浦(NXP)、格芯和三星(Samsung)等半導體業者採用。
雖然格芯近期已宣布停止發展先進製程技術,但CEA-Leti跟SOI生態圈裡的眾多合作夥伴,還是會持續推動SOI製程微縮,並搭配其他新的技術,如嵌入式非揮發記憶體、3D整合跟新的設計工具,讓SOI繼續往前邁進。
事實上,邊緣AI晶片很適合使用SOI製程來生產,因為邊緣AI晶片對功耗/性能比的要求很高,而且常常涉及到運算跟感測器的整合,這些需求都與SOI的特性跟優勢正好一致。此外,相較於FinFET,FD-SOI有一個很重要的特色,就是可以動態調整邏輯電路的工作點,不像FinFET,在設計階段就必須在高效能跟低功耗之間做出取捨。這對於簡化類比電路設計,也能帶來很大的優勢。
不過,半導體產業終究是一個需要規模經濟來支撐的產業,如果沒有健全的生態系統,即便技術特性再優異,還是很難在商業上取得進一步成功。因此,CEA-Leti未來會跟合作夥伴推出更多配套技術,讓SOI製程的應用得以更加普及。
CEA-Leti執行長Emmanuel Sabonnadiere指出,SOI製程有許多特性,正好迎合邊緣AI應用的需求。












