基于ArmCortex-M架构的芯片出货量迄今已超过700亿颗,并仍在持续增长中。根据MordorIntelligence的数据,物联网芯片的平均复合年增长率(CAGR)将在2026年达到近15%。为顺应这一增长机遇,Arm专注于确保生态系统能不断地处于加速物联网创新的前沿。

 

如果说华为鸿蒙系统和谷歌的FuchsiaOS代表了操作系统从手机时代进入到了IOT时代。那么Arm近日推出的物联网全面解决方案(ArmTotal Solutions for IoT),包括ArmCorstone、Arm虚拟硬件目标、ProjectCentauri 三大重点部分,则让嵌入式开发发生了革命性变化,带来了物联网时代的软硬件开发方式。

 

 物联网时代的软硬件开发面临哪些挑战?

 

物联网时代的软硬件开发具有什么特点呢?首先是成本更加敏感。物联网市场潜力巨大,但万物互联意味着应用场景的多样化与碎片化,从而导致每一款芯片的应用场景也就相对有限,芯片的批量生产被严重碎片化。这就使得芯片定制的成本成为影响其可行性与普及度的重要因素。物联网的严重碎片化导致了极高的成本敏感性,包括芯片流片的成本敏感以及应用市场的成本敏感,除此之外,芯片的快速开发迭代与上市也成为客户关注的焦点。客户希望快速将产品推向市场,然而普遍面临成本压力和物联网人才缺口。市场上缺乏足够的物联网软件开发人员,即使有少数开发人员,也要面对很多自己不擅长的领域,诸如物联网领域的安全问题、连接问题、机器学习的能力、嵌入式设计、应用设计和针对云服务的开发等问题。

 

其次是可定制化。物联网应用场景多样化和差异化导致了芯片产品的定制化需求。物联网应用场景的多样化和差异化使得不同应用领域对芯片方案的细节要求有所不同。由于物联网下游应用领域极度碎片化,芯片设计也更加多元,定制化需求旺盛。

 

物联网市场也催生出了更多的设计需求,导致市场进入门槛降低,芯片设计公司的数量大幅增长,很多与以往传统的芯片厂商不同的非典型客户(如互联网公司)开始涌现,这种类型的客户往往缺乏足够的嵌入式开发经验。

 

 

Arm物联网兼嵌入事业部副总裁MohamedAwad回顾了物联网的演进历史,并将其分为三个阶段。他认为目前物联网正进入智能化时代,尽管物联网的智能化具有巨大潜能,但从产业观点来看,发展的速度仍然不够快。那么,是什么阻碍了物联网的发展呢?

 

MohamedAwad认为主要有三大原因:1.缓慢的产品设计,由于开发的连续性,要将最新的技术设计到产品中需要花费五年甚至更久。

2.效率低下的软件开发,物联网开发需要基于实体硬件进行开发与测试,嵌入式开发也依循着一样的方式。

3.缺乏规模化,这导致软件与服务无法轻易地跨平台使用。 

 

 

如今市面上大约有数百万个手机app、数千种手机型号,如果每一位手机app开发者需要购买所有的手机来适配APP,那么APP开发者一定大大减少。物联网领域也是一样,如果开发物联网的软件也需要适配各种不同的硬件终端,那么物联网的开发将变得困难重重。事实上,很多非典型的开发者,虽然他们不是嵌入式开发者,但是同样在进行物联网的创新,他们迫切需要Arm解决这些开发中面临的痛点或挑战。

 

这也是Arm为什么要发布物联网全面解决方案(ArmTotal Solutions for IoT),也只有Arm有可能解决这些难题。原因有几点:第一,目前有超过700 亿颗基于Cortex-M的芯片出货到市场,可以说大部分的物联网终端基于Arm架构来运行;第二,Arm一直致力于加速产品设计中的软硬件开发,并且已经引入了持续集成和可扩展的基于云的测试;第三,Arm拥有与生态伙伴携手解决这些挑战的经验。

 

 虚拟硬件目标

 

据介绍,Arm物联网全面解决方案是一套专为特定用例而设计的完整解决方案,让开发者可以专注在真正重要的部分,也就是跨不同应用和设备的创新与差异化。它具备简化设计流程与产品开发所需的一切,包括硬件IP、软件、机器学习模型、先进的工具(例如全新虚拟硬件目标)、应用程序特定的参考代码,以及来自全球最大的物联网生态系统的支持。

 

 

Arm物联网兼嵌入事业部副总裁Mohamed Awad表示,Arm®物联网全面解决方案(ArmTotal Solutions forIoT)将采用更加现代的软件开发方法,并轻松地为构建物联网的多样化硬件进行创新。他特别强调,Arm将从底层彻底地变革物联网软件开发的方式,同时将变革物联网市场。实现这一切将不需要他们转型为嵌入式开发者就可以达成。Arm物联网全面解决方案将加速产品设计周期,最多可缩减两年。

 

 

 

Arm®物联网全面解决方案(ArmTotal Solutions for IoT)主要由几部分构成,其中一部分是Arm虚拟硬件目标。

 

Arm虚拟硬件是业内首创,它使得软件开发可以在云端完成,这彻底改变了物联网软件开发的方式。该基于云的新服务可提供Corstone子系统的虚拟模型,使得软件开发无需基于实体芯片进行。Arm虚拟硬件为物联网及嵌入式平台带来现代化敏捷的软件开发方法,包括持续集成/持续开发(CI/CD)、DevOps与MLOps,免去投资复杂的硬件农场。这也意味着数百万软件开发者不需要转型为嵌入式开发人员,就能为物联网开发创新助力。。

 

MohamedAwad也表示,Arm虚拟硬件的概念就是要把现有简化的移动应用的开发模式、加上基于云端的形式,让软件开发产商和开发人员能更好地进行物联网应用的开发,也是这套解决方案强大的地方,这是FPGA所做不到的。FPGA解决方案通常是用于初级的嵌入式开发,开发一个专用该设备,要大规模进行测试有难度,而且成本高昂。反观Arm虚拟硬件目标,它是基于云端、并提供给第三方软件厂商或者软件开发者进行使用,他们过去可能是做智能手机应用或是云服务应用的开发,有了Arm虚拟硬件可以帮助他们扩展到物联网领域的应用开发。

 

通过基于Arm架构SoC的准确模型提供了模拟内存与外设等机制,软件的开发与测试现可在芯片完备之前就着手进行,如此一来,典型的产品设计周期可以从平均的五年,最多缩短为三年。通过这些新的工具,机器学习的开发者不再需要转型为嵌入式开发者,他们可以使用虚拟硬件,在云端进行模组优化。他们能运行持续集成的工作流,并在虚拟硬件上验证他们的算法。

 

 

这让Arm芯片伙伴能在芯片流片前,取得客户对芯片的反馈,同时协助整个物联网价值链,能在芯片推出之前,轻松地开发并测试基于最新IP的代码。在左边,有一个机器学习开发的工作流程,其中为边缘进行的神经网络优化会在云端、通过虚拟硬件运行。往右边,在中间的部分是软件开发集成。而实际的开发将在虚拟硬件中进行,你无需担忧你的设备群或是硬件设备农场。直到你已经准备就绪,可以部署到真实的硬件上,那时你就可以全面部署。这种跨工作流的优化级别不仅增加了生产力,也允许更多新的玩家可以进入这个市场,加速创新。

 

 

MohamedAwad同时也表示,从软件的角度来看,Arm虚拟硬件的关注点和初期用例大部分都聚焦在DevOps,也就是针对软件进行持续集成/持续开发(CI/CD)。而机器学习DevOps也就是优化机器学习模型,部署于终端设备。如今市场上,除了物联网领域,其他领域的机器学习开发基本都是基于云端进行,而机器学习的开发需要特别的专业知识储备。当Arm物联网全面解决方案把基于云端开发的方式引入到物联网,可以预期在物联网上将看到更多更智能化的应用。他以亚马逊为例,亚马逊就应用到了Arm虚拟硬件来做Alexa唤醒词的测试。和亚马逊以往的方式相比,可以更快速地把Alexa唤醒测试用于150种不同的设备。另一个案例是Himax,他们正在利用Arm 物联网全面解决方案,加速他们新的人工智能开发时程,他们为新的处理器配置的专用Arm 虚拟硬件抢先在芯片完成前,提供给开发者使用。

 

 

这一切将始于Arm Corstone,ArmCorstone子系统是预先设计、预先集成、并且预先验证的硬件子系统。Corstone是根据特定用例而打造,Arm直接向芯片设计伙伴提供这项技术。Corstone专门为芯片设计伙伴与OEM 厂商而设计,使其能专注于差异化。方法是通过将CPU、NPU、系统IP以及其他关键技术整合到一个预先集成、预先验证且可随时运行的子系统中。据了解,Corstone已为Arm芯片伙伴超过150个设计项目加速产品上市进程。Arm虚拟硬件现可在AWSMarketplace获取,并计划于2022年在中国推出。

 

 

 Cortex-M 的生态系统计划Project Centauri

 

Arm®物联网全面解决方案(ArmTotal Solutions for IoT)的另一部分是针对Cortex-M的生态系统计划 ProjectCentauri。该项目旨在通过针对设备开机、安全与云集成提供一套设备与平台的标准和参考实作,为广泛的ArmCortex-M软件生态系统,达成类似ProjectCassini为Cortex-A生态系统作出的贡献。ProjectCentauri的API包括对PSA认证与Open-CMSIS-CDI的支持,这是一套标准的云到设备规范,能最大限度地减少启动不同的云解决方案和实时操作系统所需的开发工作量。ProjectCentauri将降低工程开发成本、加速上市进程、实现大规模物联网部署,并强化Cortex-M生态系统的安全性。

 

 

这是Arm物联网全面解决方案的产品路线图,目前第一个物联网全面解决方案已经推出。它针对的是包括关键字辨识在内的机器学习用例,基于Corstone-300、采用了Cortex-M55 和Ethos-U55。

 

 

通过Arm 物联网全面解决方案,Arm的愿景是为每个人加速产品开发以及提高投资回报率,包括OEM 厂商、物联网产品与服务提供商、以及结合传统和现代物联网开发实践的新一代物联网开发者。MohamedAwad表示,传统的开发流程,包括IP选取、芯片设计,再到硬件制造,而软件开发只能在驱动程序开发、板级支持包和应用程序开发之后才能启动,整个流程耗时多达五年。而通过Arm物联网全面解决方案赋能开发者后,可以在硬件开发的同时启动软件开发,可以将产品推新周期从五年缩减为三年。

 

 

 总结

 

Arm智能手机的业务是基于Arm的嵌入式技术开展的,目前物联网的业务也是源于嵌入式技术。Arm在智能手机时代受益匪浅,也积累了大量的经验。Arm智能手机的腾飞是基于生态系统能够通过一个共同的方式进行软件开发,从而推动了硬件的创新。

 

现在,这一状况正在物联网领域重新发生。MohamedAwad认为,Arm物联网全面解决方案最重要的一点就是把移动领域所驱动的创新同水平地移植到物联网领域,通过降低软件的投资,扩大可服务的市场,从而促进广大的软件资源投入到物联网市场。MohamedAwad相信,新型的物联网经济将被驱动,而它的规模与蓬勃一定会超过智能手机市场。

 

Arm物联网兼嵌入事业部副总裁MohamedAwad表示:“通过彻底改变系统的设计方法,Arm的独特定位可以推动新的物联网经济,其形态、速度与规模等方面都足以与智能手机应用市场经济相媲美。Arm物联网全面解决方案改变了我们为整个生态系统提供关键技术的方法,并展现了我们在软件方面重大且持续的投资,进而赋能开发者开展创新,扩展全球影响力。”

 

笔者认为,Arm在面对物联网时代的软硬件开发特殊性,对自身产品进行的重构。Arm希望将自己在移动领域的开发方式复制到物联网领域,帮助更多的客户将产品设计周期最多缩短两年,同时更好的应对RISC-V这样的开源架构带来的挑战。最后,笔者认为,有了这套全面解决方案作为设计,Arm的生态伙伴可以更好地聚焦创新,提升自己的投资回报率。通过标准化,让合作伙伴能够更好的实现自己在细分领域的差异化,他们可以充分利用自己的投资去解决市场上新的挑战,而无需浪费在重复已经做过的工作上。