無線物聯網SoC內部有什么？
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物聯網不斷擴展，但工程師們仍在努力應對一系列挑戰：分散的標準、對功率和空間的嚴格限制以及性能和成本之間的不斷權衡。然而，新一波無線 SoC 正在解決這些問題。Silicon Labs 首席技術官 Daniel Cooley 表示，通過將無線連接、計算和安全性結合在一起，這些物聯網芯片可以幫助降低從嵌入工廠車間的傳感器到智能家居設備等各種設備的硬件復雜性和上市時間。
“你最終不會擁有一個沒有某種程度處理的無線應用程序，”他在上個月在德克薩斯州奧斯汀舉行的 Silicon Labs 2025 Works With 會議上說。
上個月，Silicon Labs 推出了其 Series 3 平臺中的首批芯片——其對物聯網 SoC 未來的愿景。新芯片將支持廣泛的長距離和短距離無線協議，包括 Wi-Fi、藍牙和 Thread。其中許多是專門為與 Matter 標準配合使用而設計的，以彌合它們之間的差距。
該公司表示，通過從 40 納米升級到 22 納米，Series 3 在計算、連接性和安全性方面帶來了代際優勢，在不取代 Series 2 平臺的情況下超越了其 Series 2 平臺的功能。
沒有一種芯片能夠完美地適合每個物聯網設備——設計要求過于多樣化。但 Cooley 解釋說，Series 3 平臺具有將這些設備連接到物聯網的基本構建塊。這些包括：
無線連接，包括射頻收發器以及功率放大器 （PA）、射頻開關、LNA 和大多數或所有其他射頻前端組件以及與外部 PA 的接口。
應用處理器，通常是 Cortex-M MCU，越來越多地用于運行實時作系統 （RTOS），并搭配更多的片上存儲器來管理復雜性。
AI 加速器，通過神經處理單元 （NPU） 或硬件加速器，比在 MCU 上運行的軟件更有效地運行 AI 和機器學習 （ML） 模型。
硬件安全，基于充當硬件信任根 （RoT） 并運行加密作以幫助阻止黑客進入系統的安全飛地。
傳感器接口，包括串行接口和通用 I/O，輔以模數轉換器 （ADC） 和模擬前端 （AFE） 的其他部分來捕獲數據。
外圍設備，用于節省 PCB 空間并降低集成外部組件的成本。例如，它在 SiMG301 中集成了 LED 預驅動器，以控制智能照明中的調光。
SiMG301 內部是首批基于 Silicon Labs 系列 3 平臺的芯片之一。
Cooley 表示，通過專注于物聯網設備的需求，它將 Series 3 中的所有內容（從 SiXG301 和 SiXG302 開始）提煉成一個專為安全、強大、智能連接而構建的平臺，而無需過多的功耗和成本。
“我們專注于物聯網連接，我們完全專注于這個市場，”Cooley 指出。“我們擁有最廣泛的無線技術組合，我們相信我們是該領域的技術領導者。”
Silicon Labs 押注其對物聯網的關注使其比其他將研發分散在多個不同市場的公司更具工程優勢。“就對公司的投資水平而言，我們沒有這些干擾，因此在芯片級工程方面，我們不必稀釋我們正在做的事情，”庫利說。“我們做出技術決策是因為我們確切地知道我們要做什么。我們正在做的沒有什么是我們的競爭對手做不到的，但從長遠來看，我們認為我們領先了。
向多協議無線 SoC 的轉變
Cooley 表示，物聯網正在遇到無線復雜性的墻，最新的 SoC 可以解決這一問題。
如今，物聯網設備使用各種在重疊或非常接近的頻段運行的無線協議，這可能會導致射頻干擾、信號衰減和延遲增加。每種協議都扮演著獨特的角色：例如，在連接的門鎖中，用戶可以通過藍牙將其與智能手機配對;遠程控制它并使用 Wi-Fi 將其連接到云端;并通過 Thread 將其集成到家庭自動化中以實現網狀網絡。許多物聯網設備必須在協議之間快速切換或同時運行它們。
“這是一個多協議世界，”庫利說。“永遠不會有一個無線協議來統治所有這些。”
為了解決無線技術的混亂，公司正在競相推出可以同時處理多種不同協議的芯片——集成 Wi-Fi 和藍牙、藍牙和 Thread，以及 Wi-Fi、藍牙、Thread 和 Zigbee 等。這些芯片旨在降低硬件復雜性和節省 PCB 空間，這對于緊湊型物聯網設備至關重要，同時管理復雜的協議棧并減少它們之間的射頻干擾。
首款多協議系列 3 SoC SiMG301 將藍牙 LE、Zigbee 和 Thread 整合到一個芯片中，該芯片針對智能照明和其他線路供電的智能插頭、傳感器、開關和控制器。
其核心是高性能 2.4 GHz 無線電，可提供高達 +10 dBm 的發射 （TX） 功率，同時支持 -98.6 dBm 的藍牙接收 （RX） 靈敏度和 -106.3 dBm 的 Thread 和其他使用 2.4 GHz 頻段的協議。這減少了干擾對智能家居等日益擁擠的射頻區域的影響。
“如果你能聽到 2.4 GHz 頻段中發生的事情，聽起來就像咔噠聲和啁啾聲的刺耳聲音，”庫利說。“我們擁有非常高性能、耐擁塞的無線電。”
它使用單獨的無線電 CPU 內核來控制所有無線連接，從協議棧到固件，使其能夠在協議之間動態切換或使用其“并發多協議”技術同時運行 Zigbee 和 Thread 等協議。無論使用何種協議，這都可以在物聯網設備之間進行持續通信，并允許向后兼容。通過將藍牙和 Matter over Thread 整合到單個芯片中，它為 Wi-Fi 等其他集成節省了空間。
該SIMG301具有可擴展的PA架構。在高功率模式下，PA提供+10 dBm輸出，以實現最大范圍或信號強度;在低功耗模式下，PA輸出為0 dBm，以優化功率。
將射頻 SoC 轉變為物聯網 SoC
第一代物聯網無線電需要外部協處理器來運行應用程序。但現在大多數無線 SoC 都配備了專用處理器，這使得工程師可以更輕松地開發支持 Matter 的物聯網設備。
與許多主要的物聯網芯片公司一樣，Silicon Labs 押注 Matter 成為智能家居通信的標準方式。它將團結一個長期以來因不同制造商的設備之間缺乏兼容性而分散的市場，并通過不同的無線協議鏈接。此類兼容性問題促使蘋果、谷歌、三星和眾多半導體公司（包括 Silicon Labs）通過連接標準聯盟 （CSA） 創建開放標準。
該標準最初是 Project Connected Home over IP （Project CHIP） 的一部分，使從智能恒溫器到智能門鎖、開關和照明的所有設備都可以在本地連接，而無需使用云。
SiMG301 是 CSA Matter 合規平臺認證計劃中的首批芯片之一，因為它配備了一個軟件開發套件 （SDK），該套件已通過硬件認證，可用于核心 Matter 功能。Silicon Labs 表示，通過在經過認證的平臺上進行構建，工程師可以繼承預先測試的調試、網絡和安全性，從而降低產品認證所需的復雜性、成本和時間。
Series 3 基于多核架構，將應用程序處理與無線連接和安全分開，為處理更大的無線協議堆棧和計算密集型作業提供了空間。SiMG301 采用主頻高達 150 MHz 的 Cortex-M33，并輔以相對大量的內存：高達 4 MB 的共封裝閃存用于程序存儲器和 512 kB 的片上 RAM。
Silicon Labs 表示，Series 3 平臺帶來了連接性、計算和安全性方面的升級。
它還集成了更多通用 I/O，以與嵌入在許多邊緣設備中的傳感器以及其他 AFE 組件連接，以轉換和調節來自傳感器的模擬信號。
Silicon Labs 計劃將其第二代矩陣矢量處理器集成到其多個 Series 3 SoC 中，以實現快速、節能的 AI 執行。這與它對其最先進的 Series 2 SoC MG26 所做的工作相似。它使用硬件加速器將機器學習作從主 CPU 上卸載出來，特別是用于音頻、視覺和其他傳感器驅動的功能（例如關鍵字發現和運動檢測）的作。NPU 的速度比單獨的 CPU 快 10 倍，同時功耗降低 80%，從而大大降低了無線物聯網設備的功耗。
Series 3 在片上集成了電源管理單元 （PMU） 以提高效率，這在 Silicon Labs 將于 2026 年推出的用于電池供電物聯網設備的 SiXG302 系列中必將更加重要。
物聯網的硬件安全連接
Cooley 說，隨著越來越多的未連接的“事物”連接到物聯網，硬件級別的安全性變得至關重要。
SiXG301 系列采用該公司最新的物聯網安全安全保險庫。安全飛地附帶了 Silicon Labs 所謂的第一個 PSA 4 級認證，這是 PSA 認證認可的最高級別。
Silicon Labs 表示，安全保險庫通過防御激光故障注入、側信道分析、微探測和電壓縱等物理攻擊，“提高了邊緣保護的標準”。它結合了強化的 RoT、生命周期控制和安全的 OTA 更新，適用于一次可部署十年的設備。3 系列 SoC 還具有具有運行時身份驗證和加密功能的四通道 SPI （QSPI） 內存接口。
Series 3 SoC 中的安全保險庫可幫助開發人員遵守新興法規，包括歐盟的 RED 和 CRA 以及美國網絡信任標志等。
“我們的零件已經為這一切做好了準備，”Cooley 談到日益嚴格的物聯網安全法規時說道。“我們不必重新設計整個產品組合，因為它需要將電路深入到硬件中。您需要物理不可克隆功能 （PUF），需要硬件信任根，并且需要加密密鑰管理。這些不僅僅是軟件解決方案。
其最新創新之一與就地執行 （XIP） 有關，其中處理器直接從外部閃存執行代碼，而不是先將其復制到片上存儲器。Series 3 安全保管庫在代碼進入處理器時對其進行身份驗證。
“在物聯網設備功能更加豐富并采用實時作系統的世界中，你必須啟用內存擴展，所以現在我們基本上擁有世界上最安全的串行內存接口，我們可以證明這一點，”Cooley 說。
物聯網 SoC 的未來在于集成
隨著對無線連接的需求不斷增長，公司正在為這些 SoC 添加更多東西，從無線電和內存到處理器，以實現更智能的連接，同時平衡功耗和成本。雖然其他人正在采用 FD-SOI，但 Silicon Labs 表示，它正在升級到 22 nm 等更先進的 CMOS 節點，不僅可以減少面積，還可以節省空間，以在同一封裝中集成更多功能和更多內存。
庫利表示，未來將有更高程度的整合。“我們能夠利用摩爾定律的好處。但這是最后一個批量 CMOS 節點，然后就落到了 FinFET。
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