【TWINHOW推好高質(zhì)量發(fā)展聯(lián)盟（平臺(tái)）科技觀察：Edge-AI】

1、Edge-AI邊緣-人工智能是指在硬件設(shè)備上本地處理的人工智能算法，可以在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下處理數(shù)據(jù)。這意味著可以在無(wú)需流式傳輸或在云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)創(chuàng)建等操作。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槌霈F(xiàn)了越來(lái)越多的設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)法依賴云端處理的情況。比如，工廠的機(jī)器人和自動(dòng)駕駛汽車都需要以最小的延遲高速處理數(shù)據(jù)。

2、從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，嵌入式存儲(chǔ)能夠?yàn)镋dge-AI實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣和普及鋪平道路。從某種意義上來(lái)講，嵌入式存儲(chǔ)將有助于人類進(jìn)入下一個(gè)文明時(shí)代。

 

 

 

Nando Basile：是誰(shuí)在拉動(dòng)嵌入式存儲(chǔ)的技術(shù)革新和市場(chǎng)擴(kuò)張？

 

 

 

作者：Nando Basile, X-FAB NVM與AI方案市場(chǎng)經(jīng)理

 

近年來(lái)，受到全球半導(dǎo)體產(chǎn)能短缺、新冠疫情以及季節(jié)性需求等因素的影響，存儲(chǔ)器件的價(jià)格呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)態(tài)勢(shì)。

 

J.P. Morgan, Gartner and Deloitte等主要行業(yè)分析機(jī)構(gòu)的分析師都預(yù)測(cè)了半導(dǎo)體產(chǎn)能的短缺將持續(xù)整個(gè)2022年，甚至更長(zhǎng)。根據(jù)WSTS的數(shù)據(jù)分析，2022年全球存儲(chǔ)器件市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到1716.82億美元，較之前預(yù)估的2022年增加135.21億美元，同比增長(zhǎng)將會(huì)達(dá)到8.5%。

 

圖 | WSTS的電子元器件市場(chǎng)預(yù)測(cè)（2021年11月）

圖源：WSTS

 

作為占半導(dǎo)體芯片行業(yè)大約30%的存儲(chǔ)器件，其需求增長(zhǎng)速度是快于半導(dǎo)體行業(yè)的。是什么在拉動(dòng)存儲(chǔ)器件的市場(chǎng)需求？目前來(lái)看，類似于5G、物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)等主流應(yīng)用將繼續(xù)成為傳統(tǒng)存儲(chǔ)市場(chǎng)的助推器；電動(dòng)車市場(chǎng)的爆發(fā)推動(dòng)了汽車電子市場(chǎng)對(duì)于存儲(chǔ)的需求；可穿戴醫(yī)療應(yīng)用又對(duì)于存儲(chǔ)的尺寸、功耗和品質(zhì)提出極為苛刻的要求；人工智能的快速崛起則將傳感、存儲(chǔ)和運(yùn)算牢牢地綁在了一起。這些新興的應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)疑將要更加依賴于嵌入式存儲(chǔ)的技術(shù)發(fā)展。

 

嵌入式存儲(chǔ)在和傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件的對(duì)比中，有著一些自己獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。而不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)于嵌入式存儲(chǔ)的方案有著各自的需求。X-FAB，這家總部位于歐洲，全球領(lǐng)先的模擬、混合信號(hào)半導(dǎo)體晶圓廠，給出了他們自己在這個(gè)市場(chǎng)的答卷---成為一家一站式提供全系列嵌入式存儲(chǔ)解決方案的車規(guī)級(jí)晶圓代工廠：其中包括OTP/MTP/EEPROM/EFLASH等不同存儲(chǔ)IP，并且所有的嵌入式存儲(chǔ)IP都通過(guò)了最高規(guī)格的車規(guī)級(jí)別，工作溫度能達(dá)到-40℃到+175℃之間。

 

目前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)能都處于極為短缺的狀態(tài)，對(duì)于那些使用獨(dú)立式存儲(chǔ)器件，并通過(guò)后端SiP集成的設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)，他們不得不面對(duì)來(lái)自多家供應(yīng)商潛在的產(chǎn)能風(fēng)險(xiǎn)。從更好地分配芯片產(chǎn)能的角度來(lái)講，利用SoC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)加入嵌入式存儲(chǔ)IP，無(wú)疑將獲得更有效的產(chǎn)能利用。嵌入式解決方案搭配產(chǎn)能的提前布局，將極大地增加新產(chǎn)品第一時(shí)間投入市場(chǎng)量產(chǎn)的信心，從而搶占市場(chǎng)先機(jī)。同時(shí)比起SiP的方案來(lái)講，嵌入式方案更省面積，這也意味著整體設(shè)計(jì)的總成本也能得到相應(yīng)優(yōu)化。

 

能解決存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)供不應(yīng)求的燃眉之急，又能獲得更優(yōu)的時(shí)間和價(jià)格成本，同時(shí)還能順應(yīng)系統(tǒng)方案小型化趨勢(shì)，如此一舉三得的嵌入式存儲(chǔ)到底是什么東西？

 

以嵌入式非易失性存儲(chǔ)器為例，也就是我們常說(shuō)的eNVM，它是存儲(chǔ)芯片的一種類型。相對(duì)于獨(dú)立存儲(chǔ)器而言，嵌入式非易失性存儲(chǔ)器芯片被嵌入芯片內(nèi)部作為其功能的一部分。按原理結(jié)構(gòu)的不同，嵌入式存儲(chǔ)器又可分為一次可編程（OTP）存儲(chǔ)器，多次可編程（MTP）存儲(chǔ)器，閃存（Flash）和電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM），每種嵌入式存儲(chǔ)器由于特性不同，適用的領(lǐng)域也有所不同。

 

圖 | 不同類型eNVM性能及應(yīng)用場(chǎng)景&寫入次數(shù)對(duì)比

圖源：東方證券研究所

 

前面我們提到，驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的有5G、AI、云端、車用電子和物聯(lián)網(wǎng)，那么拉動(dòng)增長(zhǎng)的“三駕馬車”又是什么呢？下面我們就來(lái)聊聊嵌入式存儲(chǔ)的真切市場(chǎng)需求與技術(shù)變革。

 

如果要問(wèn)這個(gè)世界的信息處理機(jī)制是怎樣的？那么最簡(jiǎn)化的流程無(wú)非就是感知、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信，而說(shuō)到近些年最熱的詞，一定是傳感和人工智能（Edge-AI），我們不妨從這兩個(gè)角度來(lái)探討一下嵌入式傳感器的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)。

 

首先是傳感器，今天越來(lái)越多的應(yīng)用正在依賴智能傳感設(shè)備，而智能傳感器對(duì)于智能化的要求也在不斷增加，這個(gè)趨勢(shì)通常被稱為“智能傳感器遷移”。當(dāng)傳感器不再是簡(jiǎn)單的傳感后，對(duì)SoC芯片的要求也不再是僅僅簡(jiǎn)單執(zhí)行傳感或者驅(qū)動(dòng)這類的執(zhí)行操作，而是需要有能力第一時(shí)間直接處理從外界捕捉來(lái)的數(shù)據(jù)——通過(guò)支持現(xiàn)場(chǎng)自適應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)或者能夠快速轉(zhuǎn)換和優(yōu)化準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（使數(shù)據(jù)適合在總線網(wǎng)絡(luò)或者RF廣播上傳播），從而方便數(shù)據(jù)在后端得到進(jìn)一步處理。

 

從芯片架構(gòu)的角度來(lái)講，任何智能傳感目前都需要on-board的MCU用來(lái)數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，而MCU又離不開(kāi)SRAM和NVM（主要是EEPROM和Flash）。SoC最基本的功能是把傳感器從外界捕捉的信號(hào)（主要是模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)后端不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以備后續(xù)的傳輸。整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)于存儲(chǔ)端必須要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)是該存儲(chǔ)單元的性能參數(shù)，大多數(shù)情況下這取決于整個(gè)SoC的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，所用到的存儲(chǔ)方案，在確保與系統(tǒng)中其余應(yīng)用能夠完美集成在一起的同時(shí)，也必須要有能力承受整個(gè)系統(tǒng)相同的工作條件，還要具備與傳感器或者M(jìn)CU本身要求相當(dāng)?shù)目煽啃运健?/p>

 

從這點(diǎn)來(lái)講，嵌入式存儲(chǔ)解決方案的優(yōu)勢(shì)將會(huì)非常明顯。舉一個(gè)典型的例子——汽車和航天領(lǐng)域：在這些領(lǐng)域中，傳感器必須適應(yīng)極限的高溫和低溫，同時(shí)能夠承受高電壓，有時(shí)甚至需要具備對(duì)輻射的恢復(fù)能力。類似其他的應(yīng)用對(duì)于環(huán)境的要求雖然可能沒(méi)有那么苛刻，但仍需要有比較高的安全標(biāo)準(zhǔn)，比如說(shuō)生物醫(yī)療。

 

而對(duì)于上述提及的這些應(yīng)用情況，嵌入式解決方案的現(xiàn)有替代方案都不具有成本優(yōu)勢(shì)，更不利于管理，甚至無(wú)法匹配傳感器/MCU的運(yùn)行環(huán)境條件。因此，在汽車電氣化、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等全球趨勢(shì)的引領(lǐng)下，嵌入式解決方案在這些市場(chǎng)都有望在未來(lái)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

 

當(dāng)然，提到傳感器，我們就不得不提到低功耗。便攜式傳感器在我們的日常生活中變得越來(lái)越普遍，用戶們?cè)谄饺丈钪谐艘廊灰筮@些傳感器足夠聰明之外，還要求“能夠?qū)⒏兄臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的用戶體驗(yàn)，或者壓縮數(shù)據(jù)用以有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如藍(lán)牙、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等）傳輸”。在這一過(guò)程中，用戶會(huì)更關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)的功耗，這里指的是電源驅(qū)動(dòng)或者能源回收。而嵌入式存儲(chǔ)器在這一點(diǎn)上非常具有自己的優(yōu)勢(shì)。

 

嵌入式方案可以確保一顆SoC平滑集成低功耗方案（例如柵極供電），縮短互聯(lián)路徑，較大程度地減少可能產(chǎn)生的天線問(wèn)題。嵌入式方案也將更少受到寄生漏電或者其他缺陷的影響（或根本不受影響）。對(duì)于這些缺陷，設(shè)計(jì)者在選擇多封裝組件的異構(gòu)方法時(shí)是需要做額外處理的。

 

此外，在小型化趨勢(shì)中，許多便攜式設(shè)備都會(huì)面臨嚴(yán)格的空間限制，比如醫(yī)療可穿戴應(yīng)用。因此，電子元器件的尺寸大小也變得非常關(guān)鍵。嵌入式存儲(chǔ)在空間節(jié)省上也有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。類似的應(yīng)用，如3D集成，會(huì)極大地引領(lǐng)嵌入式存儲(chǔ)的發(fā)展，其中包含了電阻RAM或者自旋電子存儲(chǔ)。

 

圖 | eNVM下游主要應(yīng)用

圖源：信達(dá)證券研發(fā)中心

 

講完傳感的智能化和低功耗趨勢(shì)，我們?cè)賮?lái)聊聊有機(jī)會(huì)重塑我們未來(lái)的人工智能（Edge-AI）。事實(shí)上，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這一趨勢(shì)正逐步將當(dāng)前的智能傳感轉(zhuǎn)變?yōu)樾乱淮悄軅鞲小８嗟姆治龊蜎Q策將由傳感器來(lái)完成，模仿人類的感覺(jué)和反射。如前所述，為了使新型應(yīng)用或現(xiàn)有的應(yīng)用更高效，“智能化”與“低功耗”需要獲得完美的結(jié)合。目前來(lái)看，尤其在面對(duì)電源驅(qū)動(dòng)的方案時(shí)，圖像識(shí)別和音頻識(shí)別這兩大應(yīng)用將為這一轉(zhuǎn)變提供無(wú)窮盡的動(dòng)力。當(dāng)然，隨著人工智能的不斷發(fā)展，我們一定還會(huì)看到更多超乎我們想象的新應(yīng)用的到來(lái)。

 

在人工智能（Edge-AI）這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大都通過(guò)硅來(lái)實(shí)現(xiàn)——所有這些實(shí)現(xiàn)都是基于半導(dǎo)體陣列的，并在推理演繹和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)這些基本的MAC操作。這種半導(dǎo)體單元陣列在概念上與嵌入式存儲(chǔ)陣列非常相似，這預(yù)示著一種未來(lái)技術(shù)的趨勢(shì)：那就是從目前的邏輯陣列（易失性或非易失性）向multi-bit多位元或“近似模擬化”的一種升級(jí)。

 

整個(gè)人工智能（Edge-AI）的核心點(diǎn)在于：這種類似存儲(chǔ)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連結(jié)結(jié)構(gòu)將不再是CPU的附屬，而是將成為整個(gè)應(yīng)用的計(jì)算中心。這與傳統(tǒng)的基于MCU的方法不同，傳統(tǒng)的方法使用存儲(chǔ)陣列從CPU來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)（在這個(gè)過(guò)程中消耗大量的電力，并產(chǎn)生額外的熱量）。在Edge-AI的架構(gòu)中，關(guān)于計(jì)算所有的一切都在陣列內(nèi)部進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)真正的存內(nèi)計(jì)算。正如人類大腦的工作模式，所有的決策過(guò)程都在內(nèi)部通過(guò)神經(jīng)元和突觸陣列之間的電子路徑產(chǎn)生。

 

由于人工智能被廣泛認(rèn)為是繼手機(jī)革命之后，又一個(gè)未來(lái)幾年會(huì)以兩位數(shù)的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)的大事件，并且能夠大大改善我們的生活方式。因此在這個(gè)賽道上，對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器以及其集成方案有充分了解的公司將在市場(chǎng)上搶得先機(jī)。在人工智能這個(gè)應(yīng)用上，一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)更多取決于：

• bit-cell的操作框架

• 整體低功耗的競(jìng)爭(zhēng)力

• 面向多個(gè)NVM方案的設(shè)計(jì)靈活度

• 選用Foundry平臺(tái)的通用性

 

綜合來(lái)看，對(duì)于許許多多需要智能化支持的傳感器來(lái)講，嵌入式存儲(chǔ)是完美的解決方案。而嵌入式存儲(chǔ)器，尤其是非易失性存儲(chǔ)器，不管從中期還是長(zhǎng)期來(lái)看都將迎來(lái)一個(gè)極為光明的應(yīng)用前景。從短期來(lái)看，嵌入式存儲(chǔ)的解決

0方(案可以有助于緩解近期全球半導(dǎo)體短缺的問(wèn)題，成為汽車和便攜式應(yīng)用（特別是醫(yī)療健康）創(chuàng)新的關(guān)鍵推動(dòng)者。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，嵌入式存儲(chǔ)能夠?yàn)镋dge-AI實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣和普及鋪平道路。從某種意義上來(lái)講，嵌入式存儲(chǔ)將有助于人類進(jìn)入下一個(gè)文明時(shí)代。

 

圖 | X-FAB嵌入式非易失性內(nèi)存（e-NVM）解決方案組合

 

值得一提的是，為了滿足日益增長(zhǎng)的嵌入式存儲(chǔ)的需求，X-FAB能夠提供非常靈活的一站式解決方案。整體方案具備一流的可靠性品質(zhì)、多樣化且具有彈性的搭配選擇以及持續(xù)穩(wěn)定的NVM平臺(tái)，可以滿足客戶的不同需求。而X-FAB的專業(yè)能力以及完善的技術(shù)路線圖更將幫助其客戶從其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出。