今天嵌入式系統無處不在，以至于我們幾乎已經忘記什么是嵌入式系統，正如硅谷知名嵌入式專家Jack Ganssle說過一句話：在使用微處理器之前，考慮將計算機添加到產品中是不切實際事情。現在電子產品沒有嵌入式智能的已經很少看見。

物聯網、大數據和人工智能，技術創新一波接著一波，嵌入式系統作為連接芯片-產品-應用之間的紐帶作用不可替代。物聯網催生了嵌入式向無線、低功耗和輕量化方向發展，人工智能和邊緣計算讓嵌入式向智能計算領域邁進。嵌入式系統一直在創新中求發展，每次技術革命都將帶動嵌入式系統邁入新的臺階，今天依托物聯網和5G 產業發展，擁抱人工智能技術， 嵌入式系統正在走向智聯網（AIoT） 時代。

什么是AIoT ？

嵌入式計算雜志主編Richard Nass說：AIoT 是把AI 技術嵌入到IoT 設備之中。從市場層面我們看到AIoT是 AI技術與IoT在實際應用中的落地融合，比如智慧城市，物聯網農業，智能制造和新零售。傳統的嵌入式和IoT 是包含計算機的機器系統，AIoT系統里的人機交互走向人機融合，系統都會包含控制和決策部分，從系統架構看AIoT 更多是與邊緣計算連接與互動，人機融合的AIoT系統，功能安全更加重要，AIoT從傳統封閉系統走向開放互聯網世界，封閉系統的安全應對開放的挑戰，信息安全依然重要， 封閉系統實時性和確定性如何在開放系統中實現均是AIoT 面臨的挑戰，總之AIoT 不完全等同 AI+IoT。

AIoT 的技術挑戰

1?AIoT 一個技術挑戰是開發高效低耗AI 芯片。背靠云計算的“算力”，物聯網帶來的“大數據”和AI 的“算法”，三大要素匯集到AI芯片，尤其是SoC AI芯片，將成為AIoT 系統的靈魂。AIoT 系統設計 選擇何種AI 芯片 不僅是芯片本身，看軟件和生態環境，目前GPU 在通用AI 有優勢， SoC 在嵌入式端側AI 有優勢，比如市場流行的嘉楠K210和瑞芯微RK1808是通用性AI SoC芯片。華米科技最近發布的“黃山2號” 設計了AI本地生物數據計算NPU，采用卷積神經網絡加速技術，提升本地AI數據計算的性能，加快了識別速度。華米稱，基于心率數據“黃山2號”的房顫識別速度是“黃山1號”的7倍，是市面上其它軟件算法的26倍， 這是典型的嵌入式AI專用芯片。

2?AIoT一個技術挑戰就是軟件，過去30年，集成電路在摩爾定律推動下快速發展，遺憾的是軟件發展遠遠滯后了！以自動駕駛為代表的AIOT應用驅動功能安全（Safety）需求旺盛，硬件超速發展，軟件需適配多核異構、AI 和GPU等不同處理器體系架構，微內核操作系統發展提速，規模應用需要虛擬化和容器技術以及新一代的編譯技術。比如， 大眾汽車一款車型目前有70個控制單元，來自200個不同供應商使用不同操作系統軟件，大眾開發的vx.OS軟件平臺將為大眾旗下所有品牌提供核心功能，推動同一軟件平臺，適應電動化和自動化的需求，首款搭載vw.OS操作系統的車型是純電動汽車ID.3，該車計劃在2020年開始正式交付，見下圖1。

3?AIoT另外一個技術挑戰是“安全”，嵌入式系統功能安全 （如汽車電子系統）技術已經比較成熟，但IoT安全（security）還遠未獲得廣泛的重視，IoT 安全隱患不少，系統防護措施不夠。保護代碼、數據和系統功能是實施IoT 安全性三大目標，安全架構上無外乎硬件和軟件兩個方面，硬件，比如目前流行基于ARM TrustZone芯片，比如， 基于TrustZone for Armv8-M針對IoT 芯片。軟件：安全協議和OTA安全升級，，因為團隊里面并不是有安全專家，服務安全和工具需求增加。

RISC-V 處理器的機遇

RISC-V是一種開源指令集架構，它不是處理器芯片也不是軟核，甚至不是指令集，指令集架構就是規范和標準，目前RISC-V協會公開了兩份各200多頁PDF 文檔。RISC-V 源自加州大學伯克利分校的暑期研究項目， Krste Asanovic 教授和他的學生希望開發出一個更理想的處理器架構。RISC-V的指令集最大的特色是模塊化結構，最基本也是唯一強制要求實現的指令集是由整數指令子集I 指令，比如GD32VF103 芯片內核 RV32IMAC，意味著除了I 指令，實現了M-乘法除法指令，A-原子指令和C- 壓縮指令。

RISC-V指令集中一組，它沒有預定義的指令，設計人員可以為他們想要加速應用程序添加所需的任何指令，它不會破壞軟件兼容性，為行業應用帶來無與倫比的新體驗。產業界對指令擴展的擔心是軟件生態碎片化，目前擴展指令數量不大，在內嵌匯編中使用.insn 模板描述定制化指令或者手寫宏定義，如果指令較多的確會比較繁瑣，比如，開源GCC和IAR embeddd workbench 編譯器可以支持指令擴展。

市場上可以看到RISC-V AIoT 芯片有K210 ，從內核架構看64GC ， 它是基礎I 指令集外的標準擴展，MFD-乘除，單雙精度指令。此外K210 做了KPU 通用神經網絡處理器，FFT 硬件加速器 ，SHA256 加速器都在RISC-V 架構基礎實現。K210 已經成功應用在人臉識別和智能抄表等機器視覺和機器聽覺領域。

IoT 保護的一種通用的途徑是分層，分為信任執行環境（TEE）和非信任環境。RISC-V ISA的設計將TEE硬件要求定義為標準規范的一部分，可以在任何RISC-V 芯片上實現，包括配置物理內存保護（PMP），PMP類似 ARM MPU- 內存保護單元。HEX-FIVE 公司在RV32 Core 做了IoT 分區保護的應用案例。

小結

在許多針對 AIoT 應用 新型RISC-V 芯片紛紛問世的同時，我們看到，ARM借助生態系統優勢AIoT技術發展迅速，比如，ArmNN是Arm開源的基于Arm嵌入式設備的inference框架，Arm 在與Google 合作 ，使用TensorFlow Lite 在Arm M系列低功耗的微處理器上開發人工智能應用。可以預測，未來相當長時間內， ARM和RISC-V將同行發展， 嵌入式系統將迎來AIoT發展的新一輪熱潮，嵌入式端側AI 產品將給用戶帶來全新的體驗， RISC-V 處理器也將進入黃金發展時期。

作者： 何小慶是嵌入式系統知名專家，嵌入式系統聯誼會秘書長，單片機與嵌入式系統雜志副主編，長期從事嵌入式與物聯網技術、產業和教育方面工作。何小慶出版有《嵌入式操作系統風云錄-歷史演進與物聯網未來》等著作，在科技期刊上發表論文80余篇，并在高校和企業兼職授課。
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