无线物联网SoC内部有什么？
物联网不断扩展，但工程师们仍在努力应对一系列挑战：分散的标准、对功率和空间的严格限制以及性能和成本之间的不断权衡。然而，新一波无线 SoC 正在解决这些问题。Silicon Labs 首席技术官 Daniel Cooley 表示，通过将无线连接、计算和安全性结合在一起，这些物联网芯片可以帮助降低从嵌入工厂车间的传感器到智能家居设备等各种设备的硬件复杂性和上市时间。
“你最终不会拥有一个没有某种程度处理的无线应用程序，”他在上个月在德克萨斯州奥斯汀举行的 Silicon Labs 2025 Works With 会议上说。
上个月，Silicon Labs 推出了其 Series 3 平台中的首批芯片——其对物联网 SoC 未来的愿景。新芯片将支持广泛的长距离和短距离无线协议，包括 Wi-Fi、蓝牙和 Thread。其中许多是专门为与 Matter 标准配合使用而设计的，以弥合它们之间的差距。
该公司表示，通过从 40 纳米升级到 22 纳米，Series 3 在计算、连接性和安全性方面带来了代际优势，在不取代 Series 2 平台的情况下超越了其 Series 2 平台的功能。
没有一种芯片能够完美地适合每个物联网设备——设计要求过于多样化。但 Cooley 解释说，Series 3 平台具有将这些设备连接到物联网的基本构建块。这些包括：
无线连接，包括射频收发器以及功率放大器 （PA）、射频开关、LNA 和大多数或所有其他射频前端组件以及与外部 PA 的接口。
应用处理器，通常是 Cortex-M MCU，越来越多地用于运行实时作系统 （RTOS），并搭配更多的片上存储器来管理复杂性。
AI 加速器，通过神经处理单元 （NPU） 或硬件加速器，比在 MCU 上运行的软件更有效地运行 AI 和机器学习 （ML） 模型。
硬件安全，基于充当硬件信任根 （RoT） 并运行加密作以帮助阻止黑客进入系统的安全飞地。
传感器接口，包括串行接口和通用 I/O，辅以模数转换器 （ADC） 和模拟前端 （AFE） 的其他部分来捕获数据。
外围设备，用于节省 PCB 空间并降低集成外部组件的成本。例如，它在 SiMG301 中集成了 LED 预驱动器，以控制智能照明中的调光。
SiMG301 内部是首批基于 Silicon Labs 系列 3 平台的芯片之一。
Cooley 表示，通过专注于物联网设备的需求，它将 Series 3 中的所有内容（从 SiXG301 和 SiXG302 开始）提炼成一个专为安全、强大、智能连接而构建的平台，而无需过多的功耗和成本。
“我们专注于物联网连接，我们完全专注于这个市场，”Cooley 指出。“我们拥有最广泛的无线技术组合，我们相信我们是该领域的技术领导者。”
Silicon Labs 押注其对物联网的关注使其比其他将研发分散在多个不同市场的公司更具工程优势。“就对公司的投资水平而言，我们没有这些干扰，因此在芯片级工程方面，我们不必稀释我们正在做的事情，”库利说。“我们做出技术决策是因为我们确切地知道我们要做什么。我们正在做的没有什么是我们的竞争对手做不到的，但从长远来看，我们认为我们领先了。
向多协议无线 SoC 的转变
Cooley 表示，物联网正在遇到无线复杂性的墙，最新的 SoC 可以解决这一问题。
如今，物联网设备使用各种在重叠或非常接近的频段运行的无线协议，这可能会导致射频干扰、信号衰减和延迟增加。每种协议都扮演着独特的角色：例如，在连接的门锁中，用户可以通过蓝牙将其与智能手机配对;远程控制它并使用 Wi-Fi 将其连接到云端;并通过 Thread 将其集成到家庭自动化中以实现网状网络。许多物联网设备必须在协议之间快速切换或同时运行它们。
“这是一个多协议世界，”库利说。“永远不会有一个无线协议来统治所有这些。”
为了解决无线技术的混乱，公司正在竞相推出可以同时处理多种不同协议的芯片——集成 Wi-Fi 和蓝牙、蓝牙和 Thread，以及 Wi-Fi、蓝牙、Thread 和 Zigbee 等。这些芯片旨在降低硬件复杂性和节省 PCB 空间，这对于紧凑型物联网设备至关重要，同时管理复杂的协议栈并减少它们之间的射频干扰。
首款多协议系列 3 SoC SiMG301 将蓝牙 LE、Zigbee 和 Thread 整合到一个芯片中，该芯片针对智能照明和其他线路供电的智能插头、传感器、开关和控制器。
其核心是高性能 2.4 GHz 无线电，可提供高达 +10 dBm 的发射 （TX） 功率，同时支持 -98.6 dBm 的蓝牙接收 （RX） 灵敏度和 -106.3 dBm 的 Thread 和其他使用 2.4 GHz 频段的协议。这减少了干扰对智能家居等日益拥挤的射频区域的影响。
“如果你能听到 2.4 GHz 频段中发生的事情，听起来就像咔哒声和啁啾声的刺耳声音，”库利说。“我们拥有非常高性能、耐拥塞的无线电。”
它使用单独的无线电 CPU 内核来控制所有无线连接，从协议栈到固件，使其能够在协议之间动态切换或使用其“并发多协议”技术同时运行 Zigbee 和 Thread 等协议。无论使用何种协议，这都可以在物联网设备之间进行持续通信，并允许向后兼容。通过将蓝牙和 Matter over Thread 整合到单个芯片中，它为 Wi-Fi 等其他集成节省了空间。
该SIMG301具有可扩展的PA架构。在高功率模式下，PA提供+10 dBm输出，以实现最大范围或信号强度;在低功耗模式下，PA输出为0 dBm，以优化功率。
将射频 SoC 转变为物联网 SoC
第一代物联网无线电需要外部协处理器来运行应用程序。但现在大多数无线 SoC 都配备了专用处理器，这使得工程师可以更轻松地开发支持 Matter 的物联网设备。
与许多主要的物联网芯片公司一样，Silicon Labs 押注 Matter 成为智能家居通信的标准方式。它将团结一个长期以来因不同制造商的设备之间缺乏兼容性而分散的市场，并通过不同的无线协议链接。此类兼容性问题促使苹果、谷歌、三星和众多半导体公司（包括 Silicon Labs）通过连接标准联盟 （CSA） 创建开放标准。
该标准最初是 Project Connected Home over IP （Project CHIP） 的一部分，使从智能恒温器到智能门锁、开关和照明的所有设备都可以在本地连接，而无需使用云。
SiMG301 是 CSA Matter 合规平台认证计划中的首批芯片之一，因为它配备了一个软件开发套件 （SDK），该套件已通过硬件认证，可用于核心 Matter 功能。Silicon Labs 表示，通过在经过认证的平台上进行构建，工程师可以继承预先测试的调试、网络和安全性，从而降低产品认证所需的复杂性、成本和时间。
Series 3 基于多核架构，将应用程序处理与无线连接和安全分开，为处理更大的无线协议堆栈和计算密集型作业提供了空间。SiMG301 采用主频高达 150 MHz 的 Cortex-M33，并辅以相对大量的内存：高达 4 MB 的共封装闪存用于程序存储器和 512 kB 的片上 RAM。
Silicon Labs 表示，Series 3 平台带来了连接性、计算和安全性方面的升级。
它还集成了更多通用 I/O，以与嵌入在许多边缘设备中的传感器以及其他 AFE 组件连接，以转换和调节来自传感器的模拟信号。
Silicon Labs 计划将其第二代矩阵矢量处理器集成到其多个 Series 3 SoC 中，以实现快速、节能的 AI 执行。这与它对其最先进的 Series 2 SoC MG26 所做的工作相似。它使用硬件加速器将机器学习作从主 CPU 上卸载出来，特别是用于音频、视觉和其他传感器驱动的功能（例如关键字发现和运动检测）的作。NPU 的速度比单独的 CPU 快 10 倍，同时功耗降低 80%，从而大大降低了无线物联网设备的功耗。
Series 3 在片上集成了电源管理单元 （PMU） 以提高效率，这在 Silicon Labs 将于 2026 年推出的用于电池供电物联网设备的 SiXG302 系列中必将更加重要。
物联网的硬件安全连接
Cooley 说，随着越来越多的未连接的“事物”连接到物联网，硬件级别的安全性变得至关重要。
SiXG301 系列采用该公司最新的物联网安全安全保险库。安全飞地附带了 Silicon Labs 所谓的第一个 PSA 4 级认证，这是 PSA 认证认可的最高级别。
Silicon Labs 表示，安全保险库通过防御激光故障注入、侧信道分析、微探测和电压纵等物理攻击，“提高了边缘保护的标准”。它结合了强化的 RoT、生命周期控制和安全的 OTA 更新，适用于一次可部署十年的设备。3 系列 SoC 还具有具有运行时身份验证和加密功能的四通道 SPI （QSPI） 内存接口。
Series 3 SoC 中的安全保险库可帮助开发人员遵守新兴法规，包括欧盟的 RED 和 CRA 以及美国网络信任标志等。
“我们的零件已经为这一切做好了准备，”Cooley 谈到日益严格的物联网安全法规时说道。“我们不必重新设计整个产品组合，因为它需要将电路深入到硬件中。您需要物理不可克隆功能 （PUF），需要硬件信任根，并且需要加密密钥管理。这些不仅仅是软件解决方案。
其最新创新之一与就地执行 （XIP） 有关，其中处理器直接从外部闪存执行代码，而不是先将其复制到片上存储器。Series 3 安全保管库在代码进入处理器时对其进行身份验证。
“在物联网设备功能更加丰富并采用实时作系统的世界中，你必须启用内存扩展，所以现在我们基本上拥有世界上最安全的串行内存接口，我们可以证明这一点，”Cooley 说。
物联网 SoC 的未来在于集成
随着对无线连接的需求不断增长，公司正在为这些 SoC 添加更多东西，从无线电和内存到处理器，以实现更智能的连接，同时平衡功耗和成本。虽然其他人正在采用 FD-SOI，但 Silicon Labs 表示，它正在升级到 22 nm 等更先进的 CMOS 节点，不仅可以减少面积，还可以节省空间，以在同一封装中集成更多功能和更多内存。
库利表示，未来将有更高程度的整合。“我们能够利用摩尔定律的好处。但这是最后一个批量 CMOS 节点，然后就落到了 FinFET。
加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号：EEPW
或用微信扫描左侧二维码