物聯網規模持續擴張，但工程師仍需應對一系列復雜挑戰：標準碎片化、嚴苛的功耗與空間限制，以及性能與成本之間的持續權衡。不過，新一代無線系統級芯片（SoC）正逐步破解這些難題。Silicon Labs 首席技術官 Daniel Cooley 表示，這類物聯網芯片整合了無線連接、計算與安全功能，能降低硬件復雜度，縮短從工廠嵌入式傳感器到智能家居設備等各類產品的上市時間。

“最終，所有無線應用都將具備一定程度的處理能力，” 他在上個月于得克薩斯州奧斯汀舉行的 Silicon Labs 2025 年 Works With 大會上向記者透露。

Silicon Labs 上月推出了其 Series 3 平臺的首批芯片 —— 這是該公司對物聯網 SoC 未來的愿景落地。新芯片支持多種長距離和短距離無線協議，包括 Wi-Fi、藍牙和 Thread，其中多款專為適配 Matter 標準設計，以打通不同協議間的壁壘。

通過從 40 納米工藝升級至 22 納米，Series 3 在計算、連接和安全方面實現了代際飛躍，性能超越 Series 2 平臺，但不會取代后者。

物聯網 SoC 的核心組成模塊

沒有任何一款芯片能完美適配所有物聯網設備 —— 設計需求的多樣性實在過高。但 Cooley 解釋道，Series 3 平臺具備物聯網設備互聯所需的核心構建模塊，具體包括：

• 無線連接模塊：包含射頻收發器、功率放大器（PA）、射頻開關、低噪聲放大器（LNA）等大部分或全部射頻前端組件，同時提供與外置功率放大器的接口。

• 應用處理器：通常是 ARM Cortex-M 系列微控制器（MCU），越來越多地用于運行實時操作系統（RTOS），并配備更大的片上內存以應對復雜任務。

• 人工智能加速器：通過神經網絡處理單元（NPU）或硬件加速器實現，相比在 MCU 上運行軟件，能更高效地執行人工智能和機器學習（ML）模型。

• 硬件安全模塊：基于安全飛地（secure enclave）構建，作為硬件信任根（RoT），執行加密運算以抵御黑客入侵。

• 傳感器接口：包括串行接口和通用輸入輸出接口（GPIO），輔以模數轉換器（ADC）和模擬前端（AFE）其他組件，用于采集傳感器數據。

• 外設模塊：用于節省印刷電路板（PCB）空間并降低外部組件集成成本。例如，其 SiMG301 芯片中集成了 LED 預驅動器，可控制智能照明的調光功能。

Cooley 表示，通過聚焦物聯網設備的核心需求，Series 3（從 SiXG301 和 SiXG302 開始）被精簡為專為安全、穩健、智能連接設計的平臺，無需額外消耗過多功耗和成本。

“我們專注于物聯網連接領域，全心投入這一市場，”Cooley 指出，“我們擁有最廣泛的無線技術產品組合，且堅信自己是該領域的技術領導者?！?/p>

Silicon Labs 認為，對物聯網領域的專注使其相比那些分散研發資源于多個市場的公司，具備工程優勢?！霸诠就度雽用妫覀儧]有這些分散精力的業務，因此在芯片級工程設計上無需分散資源，”Cooley 說，“我們的技術決策目標明確。競爭對手能做到的，我們都能做到，但從長遠來看，我們認為自己處于領先地位。”

多協議無線 SoC 的發展趨勢

Cooley 表示，物聯網正面臨無線技術復雜性的瓶頸，而最新的 SoC 已具備解決這一問題的能力。

如今，物聯網設備采用的無線協議種類繁多，許多協議的工作頻段重疊或極為接近，這可能導致射頻干擾、信號衰減和延遲增加。每種協議都有其獨特作用：例如，智能門鎖可通過藍牙與智能手機配對，通過 Wi-Fi 實現遠程控制和云連接，通過 Thread 網狀網絡集成到智能家居系統中。許多物聯網設備必須能快速在不同協議間切換，或同時運行多種協議。

“這是一個多協議共存的世界，”Cooley 說，“永遠不會有一款無線協議能一統天下?！?/p>

為擺脫無線技術的混亂局面，各企業正競相推出能同時支持多種協議的芯片 —— 包括整合 Wi-Fi 與藍牙、藍牙與 Thread、Wi-Fi 與藍牙與 Thread 與 Zigbee 等多種組合。這些芯片的核心價值在于：降低硬件復雜性、節省 PCB 空間（這對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協議間的射頻干擾。

Series 3 首款多協議 SoC——SiMG301，將藍牙低功耗（BLE）、Zigbee 和 Thread 集成于單芯片，瞄準智能照明、有線供電智能插座、傳感器、開關和控制器等應用場景。

其核心是高性能 2.4 吉赫茲射頻模塊，發射功率最高可達 + 10 dBm，藍牙接收靈敏度為?98.6 dBm，Thread 及其他 2.4 吉赫茲頻段協議的接收靈敏度為?106.3 dBm。這在智能家居等射頻環境日益擁擠的場景中，能有效降低干擾影響。

“如果能聽到 2.4 吉赫茲頻段的聲音，那會是一陣雜亂的咔嗒聲和 chirp 聲，”Cooley 說，“我們的射頻模塊性能卓越，具備抗擁擠能力。”

該芯片采用獨立的射頻 CPU 核心控制所有無線連接，從協議棧到固件，使其能通過 “并發多協議” 技術動態切換協議，或同時運行 Zigbee 和 Thread 等協議。這確保了物聯網設備之間無論使用何種協議，都能實現持續通信，并支持向后兼容。通過將藍牙和基于 Thread 的 Matter 集成于單芯片，為 Wi-Fi 等額外功能的集成節省了空間。

SiMG301 具備可擴展功率放大器架構：高功率模式下，功率放大器輸出 + 10 dBm，以實現最大傳輸距離或信號強度；低功率模式下，輸出 0 dBm，以優化功耗。

從射頻 SoC 到物聯網 SoC 的轉型

第一代物聯網射頻芯片需要外部協處理器來運行應用程序，但如今大多數無線 SoC 都配備了專用處理器，這讓工程師更容易開發支持 Matter 協議的物聯網設備。

與許多主流物聯網芯片企業一樣，Silicon Labs 堅信 Matter 將成為智能家居通信的標準方式。長期以來，不同廠商設備間的兼容性問題（由不同無線協議導致）導致市場碎片化，而 Matter 標準將整合這一市場。正是這類兼容性問題，促使 Apple、Google、Samsung 以及包括 Silicon Labs 在內的眾多半導體企業，通過 Connectivity Standards Alliance（CSA）共同制定了這一開放標準。

該標準源自 “基于 IP 的互聯家庭項目”（Project CHIP），支持智能恒溫器、智能門鎖、開關和照明等設備在本地互聯，無需依賴云平臺。

SiMG301 是 CSA 的 Matter Compliant Platform Certification 項目中的首批芯片之一，其配套軟件開發工具包（SDK）已通過硬件核心 Matter 功能認證。Silicon Labs 表示，基于認證平臺開發，工程師可直接沿用經過預測試的調試、組網和安全功能，降低產品認證的復雜性、成本和時間。

Series 3 基于多核架構，將應用處理與無線連接、安全功能分離，使其有足夠能力處理更大的無線協議棧和計算密集型任務。SiMG301 搭載主頻高達 150 兆赫茲的 Cortex-M33 內核，配備大容量內存：最高 4 兆字節的共封裝閃存（用于程序存儲）和 512 千字節的片上隨機存取存儲器（RAM，用于數據存儲）。

該芯片還集成了更多通用輸入輸出接口，用于連接許多邊緣設備中嵌入的傳感器，以及其他模擬前端組件，以轉換和調理傳感器的模擬信號。

Silicon Labs 計劃在多款 Series 3 SoC 中集成第二代 Matrix Vector Processor，以實現快速、低功耗的人工智能執行 —— 這與該公司最先進的 Series 2 SoC（MG26）的設計思路一致。它通過硬件加速器將機器學習運算從主 CPU 卸載，尤其是音頻、視覺和其他傳感器驅動的功能（如關鍵詞識別和運動檢測）。相比僅使用 CPU，NPU 的速度提升高達 10 倍，功耗降低 80%，大幅減少無線物聯網設備的耗電量。

Series 3 將電源管理單元（PMU）集成于芯片內，以提升能效 —— 這對于 2026 年即將推出的面向電池供電物聯網設備的 SiXG302 系列而言，將更為重要。

物聯網的硬件安全連接技術

Cooley 表示，隨著越來越多 “孤立設備” 接入物聯網，硬件級安全正變得至關重要。

SiXG301 系列搭載了該公司最新的物聯網安全防護模塊（secure vault）。這一安全飛地獲得了 Silicon Labs 所稱的首個 PSA Level 4 認證 —— 這是 PSA Certified 體系中的最高級別。

Silicon Labs 表示，該安全防護模塊通過抵御激光故障注入、側信道分析、微探測和電壓操縱等物理攻擊，“提升了邊緣設備的防護標準”。它集成了加固型信任根、生命周期控制功能，以及支持設備十年部署周期的安全空中下載（OTA）更新功能。Series 3 SoC 還具備四通道串行外設接口（QSPI）內存接口，支持運行時認證和加密。

Series 3 SoC 中的安全防護模塊幫助開發者滿足新興法規要求，包括歐盟的無線電設備指令（RED）、網絡彈性法案（CRA）以及美國的網絡信任標記（Cyber Trust Mark）等。

“我們的產品已做好應對所有這些法規的準備，”Cooley 在談到日益嚴格的物聯網安全法規時表示，“我們無需重新設計整個產品組合，因為這些法規要求的功能需要深入硬件層面的電路支持。你需要物理不可克隆功能（PUF）、硬件信任根和加密密鑰管理，這些都不僅僅是軟件解決方案?！?/p>

該公司最新的創新之一與就地執行（XIP）技術相關 —— 處理器直接從外部閃存執行代碼，無需先將其復制到片上內存。Series 3 的安全防護模塊會在代碼進入處理器時對其進行認證。

“在物聯網設備功能日益豐富、普遍采用實時操作系統的背景下，必須支持內存擴展，因此我們打造了基本上是全球最安全的串行內存接口，而且我們能證明這一點，”Cooley 說。

物聯網 SoC 的未來：集成化是核心

隨著無線連接需求的增長，各企業正為 SoC 添加更多組件 —— 從射頻模塊、內存到處理器，以實現更智能的連接，同時平衡功耗和成本。Silicon Labs 表示，盡管其他企業采用全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）工藝，但該公司選擇升級至 22 納米等更先進的互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝，不僅能減小芯片面積，還能在同一封裝內節省空間，集成更多功能和內存。

Cooley 表示，未來物聯網 SoC 的集成度將進一步提高。“我們能夠充分利用摩爾定律的優勢。但這是最后一代體硅 CMOS 工藝，接下來將轉向鰭式場效應晶體管（FinFET）工藝。”