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加速推進安全物聯網部署:從晶片到雲端
 

【作者: Nandan Nayampally】   2017年02月14日 星期二

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網路上關於物聯網的討論層出不窮,大家對物聯網抱持著希望、期待,也有未如預期的挫折感。物聯網的整個概念是結合感測技術,連網化嵌入式智能,以及雲端上的學習功能,在日趨多樣化的領域提供各種智能化的服務。


這樣的連網化嵌入式智能已融入到人們生活的各個層面。個人層面,裝置或設備能進行更深入的分析;而在產業層面,發展出更智慧化的控制與自動化;最後在社會層面–不光是更聰明的城市與建築,還包括自主運行的資料蒐集,匯集更有關連性的訊息,從中判斷出趨勢,藉此發揮效率讓生活更美好。


以ARM為例,現今的物聯網幾乎都是在該公司研發的架構上運行。去年ARM授權晶片出貨量超過150億顆,從感測器一路涵蓋到伺服器等各個層面。物聯網經驗要跨入下一波轉型,業界除了需要更好的效率與更高的安全性,還必須能擴充供應鏈的每個層面,從裝置、軟體一直到服務。



圖一 : 2015年採用ARM技術的晶片出貨量累積150億顆,從感測器一路覆蓋到伺服器。
圖一 : 2015年採用ARM技術的晶片出貨量累積150億顆,從感測器一路覆蓋到伺服器。

從晶片一路到雲端 全面防護物聯網

ARM的全新物聯網技術能無縫搭配運行,讓客戶快速部署各種物聯網解決方案與服務。這對各種受限制的環境尤其重要,部署的腳步通常早於智慧手機連至網路的進程。



圖二 : 泛用型32位元MCU處理器成為保護各種嵌入式應用的首選。
圖二 : 泛用型32位元MCU處理器成為保護各種嵌入式應用的首選。

圖三 : 專為小型化省電物聯網與嵌入式產品量身設計。
圖三 : 專為小型化省電物聯網與嵌入式產品量身設計。

全球前十大微控制器供應商大多數都取得授權,加上全球第一的嵌入式產業體系作為後盾,使Cortex-M23與Cortex-M33成為現今微控制器的選擇方案之一。M23與M33是第一批採用ARMv8-M架構的處理器,並將TrustZone安全功能導入最小的嵌入式裝置。ARMv8-M專屬TrustZone帶來一項標準,讓安全軟體與安全除錯解決方案能輕易部署,進一步擴展Cortex-M產業體系中安全軟體與工具的版圖。


效率、安全、彈性

Cortex-M33核心將是保護各種嵌入式應用的泛用型32位元MCU處理器。其體積比ARM Cortex-A5縮小80%,成為所有支援TrustZone技術的處理器中最小巧的晶片。它的用途非常多元–單一處理器就能覆蓋各式各樣的功能。它提供可自設的支援,包含TrustZone、DSP、浮點運算等技術,支援各種先進音效與連網堆疊。它的新型協同處理器介面,可用來擴增緊密耦合的客製化處理功能,同時仍保有工具產業體系的所有利益。



圖四 : 為製造商提供單一化解決方案,能運用在多種市場。
圖四 : 為製造商提供單一化解決方案,能運用在多種市場。

圖五 : 加快啟動並為終端使用者提供即時反應的流暢經驗。
圖五 : 加快啟動並為終端使用者提供即時反應的流暢經驗。

Cortex-M23體積更小,事實上它比新推出的Cortex-M33還小75%,而且省電性比Cortex-M33高50%,因此運行時更省電,續航力更久。它專為微型化、超省電的物聯網與嵌入式產品量身設計。它將功能性延伸至各種體積最小、功耗最低的裝置,不僅為它們提供安全性,更提升效率、效能、以及擴充性,能在各種限制最嚴苛的情境中進行部署。


針對嵌入式裝置打造的系統IP


圖六 : 本身為ARM標準型低功耗無線IP解決方案家族的一員。
圖六 : 本身為ARM標準型低功耗無線IP解決方案家族的一員。

安全需要的不僅是一顆CPU,而是一整個系統解決方案。CoreLink SIE-200 嵌入式裝置專屬系統IP提供許多IP模塊,這些建構在AMBA 5 AHB5介面之上的模塊將TrustZone的安全性延伸至整個系統。可自設的互連與TrustZone控制器提供一種硬體執行的隔離機制,用來分隔安全與非安全應用,並支援多種系統架構,讓設計者能針對特定應用設計專屬的方案。


CryptoCell-312進一步強化方案,使其成為全方位防護的安全解決方案,能服務各式各樣的使用情境,並讓供應鏈在各種電力與空間受限的裝置上建立信任關係。



圖七 : 簡化SoC的設計與實現; 縮短從矽元件到裝置實現的時間。
圖七 : 簡化SoC的設計與實現; 縮短從矽元件到裝置實現的時間。

它不僅補強TrustZone的功能,速度與安全性也比純軟體解決方案高出一個量級,這對於讓這些超低耗電的裝置能減少耗電以及快速開機來說至關重要。再搭配TrustZone,CryptoCell-312就能建立平台的安全性,提供包括真隨機數產生、密鑰管理、安全啟動、以及各種信任根等功能。想進一步瞭解TrustZone CryptoCell技術。


無線IP延伸對新Bluetooth 5藍牙傳輸標準以及802.15.4的支援,後者也是ZigBee與Thread兩種快速成長裝置所採用的標準。Cordio是一款功能完備的解決方案,提供一個從低功耗的射頻電路至軟體堆疊的完整解決方案,能支援多家晶圓代工廠與製程世代。此外這種全新高彈性可自行設定的架構,進一步凸顯作為供電電壓低於一伏特及其在超省電無線傳輸元件的特色。


ARM物聯網POP IP除了透過實體層IP與參考設計方案加快物聯網SoC實現的時間,還提供專業知識協助客戶開發具備最佳化效能與佔用最少空間的設計。設計團隊能針對處理器、常時啟動子系統、以及系統其餘部分,在低漏電與動態功耗兩項要求之間取得平衡點。


物聯網POP IP專為搭配採用台積電40ULP製程的Cortex-M33與CoreLink SSE-200進行設計,並提供簡單易用的參考設計方案,不僅解說關鍵的實體IP,還附有走線設計建議,協助優化功耗配置。



圖八 : 滿足系統開發商的一切需求,簡化設定與建置方面的工作。
圖八 : 滿足系統開發商的一切需求,簡化設定與建置方面的工作。

結合上述元素,CoreLink SSE-200嵌入式裝置專屬子系統建構出一個完善基礎,讓SoC設計者能開發新一代安全型物聯網產品。它不僅經過測試,還針對Cortex-M33處理器、CoreLink SIE-200、Cordio Bluetooth無線電、TrustZone CryptoCell-312、Artisan物聯網POP IP,以及mbed作業系統和Cordio無線電軟體堆疊等元件進行預先整合。


為確保能在SoC中快速整合子系統,ARM提供一整套描述檔與技術手冊,簡化設定與建置的工作。由於CoreLink SSE-200是一款完全驗證的IP,因此不需花費時間驗證其內部行為;設計者能專注於設計工作,為其應用加入真正的價值。


擴充連網部署 裝置管理的難題

隨著物聯網計畫進一步擴充,物聯網業者多達86%認為裝置管理,像是產品生命週期的各個階段執行偵測、連結、供裝、以及運行等作業,將會是成功推展的一項關鍵障礙。ARM熟悉終端裝置與嵌入式產業體系,使其佔據獨特優勢有能力克服這方面的難題。


在極為成功ARM mbed物聯網裝置平台的基礎上開發而成的mbed Cloud帶來裝置端的雲端環境,本身獨立於各種分析功能之外,並能在任何資料雲端中安全地管理任何裝置。


mbed Cloud內含多個套件,讓開發者更容易克服挑戰,為裝置提供安全連網、供裝、以及更新服務,而且端至端全面防護


mbed Cloud:支援任何裝置、任何雲端,每個月作業系統編譯次數超過100萬,全球20萬個開發者組成的mbed Cloud社群讓企業能夠:


‧連結各家廠商的元件,不受IP連結技術種類的限制。基於標準化方案,除了實作CoAP LWM2M+ (plus)協定,還提供許多額外的最佳化,為網路中的裝置提供高效率的快取功能


‧在裝置端生命週期的各個階段,讓系統能辨識與信任裝置


‧協調聯繫受信任的各方與裝置,讓他們能存取感測器的資料


‧簡化裝置軟體更新的流程,透過網狀網絡(mesh network)或星狀拓撲網路(star network)下載韌體資料


‧確保這樣的更新作業不會出錯(fail-safe)而且省電


裝置端的各項功能透過mbed OS 5進行強化提升,這個專為物聯網設計的新平台作業系統讓開發者的生產力提高10倍。全球各地的用戶每個月編譯次數累積超過100萬,構建出成員多達20萬的開發者社群。


釋放物聯網的潛能


圖九 : 第一款ARM安全裝置管理服務,以SaaS模式提供給用戶。
圖九 : 第一款ARM安全裝置管理服務,以SaaS模式提供給用戶。

ARM的物聯網方案讓新創公司、OEM廠商、服務供應商、甚至經驗豐富的矽元件廠商得到一個最佳化的安全起點,藉以降低風險並加快產品上市時程。mbed Cloud帶來一個同樣重要的元件服務平台,讓廠商藉由這個平台提供各種加值物聯網服務。


正如同TrustZone透過標準API提升安全性,並藉由API來簡化與擴大安全機制的應用層面,TrustZone也為ARMv8-M與mbed Cloud提供平台,協助業者擴充解決方案與服務,從而實現物聯網的發展願景。


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