物聯網是一個快速發展的行業，其締造了一個處處相連的世界，使數十億設備之間及設備與人之間得以自由互通。對于2020年時物聯網設備數量的預估，各方態度不一，如林利集團保守估計這個數量為60億，而英特爾提供的數據2000億則更為驚人。
物聯網市場充滿商機，在我的另一篇文章中會針對物聯網市場進行探討。本文我將集中談論集成了傳感器、處理器和連接性的物聯網新設備，包括可穿戴設備、手機或家庭娛樂設備及連接汽車、智能農業、能源、醫療和其他M2M應用程序。
部署在連接設備內部的處理器類型在很大程度上受到目標應用程序所需的傳感類型的影響。例如，一些設備只對溫度、濕度、壓力或重力等數據集進行有限的處理，然而更復雜的系統卻需要處理（多個）高分辨率的聲音或視頻流。
最近，許多消費類及工業物聯網設備重新啟用半導體產品，這些產品的設計初衷原是針對移動或嵌入式應用市場。越來越明顯的是，物聯網市場被細分為五大類別（如下所示）。因此在多個細分市場中，相比重用舊的解決方案，為每個不同的物聯網設備類別定制SoC則更具有優勢。
盡管SoC單個的需求完全不同，但就整體而言卻有兩大總體趨勢。
首先，因為絕大多數的物聯網設備都需要某種形式的無線連接，所以在芯片上集成無線基帶已逐漸成為慣例。通過在Soc上集成多個通信標準如Wi-Fi、藍牙或蜂窩數據，整體的BOM成本以及功耗將明顯降低，使得更多可用設備的電池使用壽命更長。
圖1 物聯網市場被細分為五大類別
其次，在系統層便實現硬件安全性能可使創建的技術框架經受住未來的考驗，而這正是物聯網設備所需要的，其可以確保消費者及公司的敏感數據和應用程序將不會面臨風險。
讓我們詳細地了解五大類型的物聯網設備。
智能傳感器和低功耗M2M應用程序
智能傳感器實際上是連接微控制器，為傳感集成了各種不同的模擬接口。CPU性能需求通常是50~100 DMIPS，而連接包括節能標準，如低功耗Wi-Fi （802.11 n或802.11 ah）、智能藍牙、低功耗蜂窩（如Cat-M LTE）或基于802.15.4的協議（如ZigBee，、Thread、6LoWPAN、Z-Wave等）。
圖2 Standing Egg設計了一款基于MIPS的MCU用于傳感器融合和M2M應用程序
連接音頻和視頻
連接音頻也是一大類型的物聯網設備，其范圍廣泛，從基于藍牙的揚聲器到高端家庭影院系統（如條形音箱）無不囊括。由于目標應用程序不同，從300~500DMIPS的高性能MCU到1000DMIPS面積優先的應用處理器，CPU均需要處理。就連接性方面而言，大多數無線音頻應用程序的半導體設備都集成了藍牙（經典或智能）及Wi-Fi。
圖3 JBL Go Smart是一款基于MIPS的連接揚聲器
是否選擇特定的802.11協議取決于目標應用程序。例如，與亞馬遜Echo Dot類似的連接揚聲器不需要802.11 n Wi-Fi。對于更復雜的設置（即多空間、多渠道的杜比全景聲家庭影院）則需要802.11ac，以確保有足夠的帶寬來滿足整個網狀網絡。
連接視頻片段是指類似于Chromecast的設備及分別用于視頻流的連接相機或用于視頻錄制的IP相機。IP相機通常有一個基礎的UI，因此不需要可以渲染3D圖像的嵌入式GPU。
圖4 Quanta WebRTC IP相機支持VP8及H.264編碼，并集成了MIPS CPU
IP相機芯片的內部結構看起來與連接音頻SoC 非常相似——其唯一顯著的差別是在芯片上集成了視頻引擎并具有無線連接接口（如以太網）。與此同時，無線顯示便是終端界面，其僅僅顯示了更為復雜智能設備的表面。
高性能計算設備
多媒體設備需要的是一款具有處理當下復雜工作所需的全方位處理能力的應用處理器，這需要集成多核CPU、強大的3 D圖像、多重標準的視頻編碼器和解碼器并具有全方位的連通性。同上述幾大類別的設備一樣，其每個芯片的具體配置如何則取決于特定的應用程序。
例如，大多數視頻分析平臺對數據進行本地化處理后再發送至云端。因此，這些系統需要一個非常強大且高度集成的多媒體管道，這個管道應該具有多核GPU或專門的能夠處理高級人工智能算法的視覺硬件。比如智能相機SoC可以覆蓋高速無線網絡 （如802.11 ac 2×2）。
然而，對于ADAS應用程序，基于V2X的蜂窩通信（802.11 p）才是最佳選擇。
圖5 ELVEES ELISE SoC進行視頻分析（芯片上集成了MIPS + PowerVR + Ensigma）
對于具有高分辨率顯示和豐富UI的連接家庭設備，其必須在處理需求、功耗和成本之間進行一個適當的權衡。例如對于智能電視和機頂盒，其整個系統的成本是主要驅動因素之一。對于這一類產品，一款具有面積效率以圖像為導向的GPU也許更加合適，當然多核CPU或無線處理器也同樣適用。如果系統設計者可以把數字電視和無線連接集成在一個單一的SoC-ready方案中，便可以明顯降低成本且不需要為每個協議采購專用的芯片。
另一方面，可穿戴設備SoC設計的宗旨是盡量減少功耗。根據目標市場和實例，可以將可穿戴設備配置為一個獨立的設備或依附在智能手機上，因此系統設計師也面臨著許多重要的系統選擇。這就意味著將無線標準的范圍縮小至藍牙、Wi-Fi和LTE，并采用CPU和GPU配置以優化功耗。
圖6 Ingenic M200是基于MIPS的超低功耗的可穿戴設備芯片
高密度計算節點是最近比較火熱的一個類別。目標應用程序包括綠色運算系統（如網絡和存儲系統、云計算或大規模數據中心），其必須在一個功能強大的外殼中提供超高的性能。
圖7 高密度計算節點是異構的CPU架構
通常，高密度計算節點被定義為一個更專業的架構，其集成了多核CPU及其他硬件加速器（如GPU、DSP、FPGA）用于壓縮、數據過濾及其他復雜的算法。本文不會集中探討SoC，但我想強調特定功能的多核CPU：硬件多線程。計算節點SoC的設計者通常會在啟動多核之前便啟動每個CPU中的各個線程，這樣可以傳輸更佳的性能。這種異構的CPU計算方案可以顯著提升面積效率和功效。
總結
物聯網將創造新的商業模式，解決目前我們面臨的全球性挑戰。可擴展方案的設計目標是物聯網設備和系統，并針對一些典型的問題提供解決方案，如：管理無線通信帶寬以平衡控制和數據傳輸的需要、提供充足的本地處理資源以豐富圖形用戶界面或進行視頻及圖像處理、控制能耗和效率并確保一定層次的網絡和數據安全。
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本文標題：物聯網處理器五大類型應用的選型指南
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