從這4個(gè)技術(shù)視角來(lái)闡述嵌入式技術(shù)

引言20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)使得微型機(jī)可以嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象體系的智能化控制。人們把實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱(chēng)作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。最初大家將嵌入式定義為：“以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速與各行各業(yè)應(yīng)用的廣度融合、深度嵌入，使得嵌入式應(yīng)用日益廣泛、嵌入式產(chǎn)品形態(tài)各異、無(wú)處不在，也使得嵌入式系統(tǒng)概念的內(nèi)涵和外延發(fā)生了巨大變化。嵌入式技術(shù)涉及到微電子技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件技術(shù)等，技術(shù)間相互作用，相互影響，相得益彰“，無(wú)處不在的計(jì)算”使得嵌入式技術(shù)熱點(diǎn)不斷。本文將從這4個(gè)技術(shù)視角來(lái)闡述嵌入式技術(shù)，并指出國(guó)內(nèi)嵌入式人才的問(wèn)題，以及給出的相關(guān)建議。

1.微電子技術(shù)是構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)

微電子產(chǎn)業(yè)是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，是新一代信息技術(shù)發(fā)展的核心和關(guān)鍵。超高容量、超小型、超高速、超高頻、超低功耗是解決“深度嵌入”的基礎(chǔ)，是信息技術(shù)無(wú)止境追求的目標(biāo)，也是微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的永恒動(dòng)力。

回顧嵌入式計(jì)算機(jī)的起源與發(fā)展，可以清晰地看出微電子技術(shù)是嵌入式技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。最早的嵌入式是起源于Intel 4004微處理器誕生之后，各廠家相繼推出的微處理器，以這些微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等各行各業(yè)，形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)，并出現(xiàn)了以嵌入式處理器為核心、便于用戶(hù)使用的系列化、模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化單板機(jī)。

單板計(jì)算機(jī)進(jìn)行嵌入應(yīng)用的同時(shí)，誕生了將嵌入式應(yīng)用中微處理器、IO（輸入輸出）接口、A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換、D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、ROM（只讀存儲(chǔ)器）等基本器件集成到一個(gè)VLSI（超大規(guī)模集成電路）中的微控制器，即早期的單片機(jī)，它一定程度上實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用的微型化、低功耗、高可靠要求，這也是SoC（片上系統(tǒng)）技術(shù)的初期階段。

工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得芯片的集成度大幅提升，為集成更多功能的集成電路提供了實(shí)現(xiàn)可能。集成電路因此快速發(fā)展到SoC階段，SoC為嵌入式系統(tǒng)在芯片級(jí)帶來(lái)低功耗、低成本、小型化、智能化及高可靠特性，使得許多原本受體積、功耗、重量等限制的嵌入式應(yīng)用成為了可能。由此可見(jiàn)，SoC技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步加速了嵌入式系統(tǒng)升級(jí)換代的速度、小型化的實(shí)現(xiàn)程度，也決定了嵌入式系統(tǒng)普、應(yīng)用的深度以及智能化的程度。隨著芯片集成度的提高，SoC芯片已成為嵌入式系統(tǒng)的核心。

系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)（SiP）是將不同工藝制作的多種IC芯片、無(wú)源元件（或無(wú)源集成元件）、天線、光學(xué)器件、生物器件以及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）組成的系統(tǒng)功能集中于單一封裝體內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)微系統(tǒng)器件的技術(shù)。SiP技術(shù)是基于封裝手段實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的小型化及高可靠性的有效方法。

近年來(lái)，隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜算法加速以及更加嚴(yán)苛的“小、低、輕”要求對(duì)Monolithic SoC（單芯片片上系統(tǒng)）的集成度提出極大挑戰(zhàn)，規(guī)模、集成度、復(fù)雜度指數(shù)級(jí)提升。例如，英偉達(dá)2019年發(fā)布的旗艦 GPU Volta GV100高達(dá)800mm2，據(jù)悉今年即將推出的Ampere系列新核彈級(jí)GPU（圖形處理器）將在7nm工藝達(dá)到826mm2；硅谷初創(chuàng)Cerebras Systems的AI芯片，面積更是達(dá)到了46 225mm2，片上SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ) 器）高達(dá)18GB。如此大面積的芯片，良率及成本很難控制，Monolithic SoC 芯片在過(guò)去幾年已經(jīng)到了“窮途末路”的境界，SoC或?qū)⒂瓉?lái)以Chiplet（芯粒） 技術(shù)為核心的時(shí)代。

Chiplet技術(shù)是將原來(lái)一塊大Monolithic SoC單芯片方案，拆分為多個(gè)小芯片的組合，然后通過(guò)高級(jí)封裝重組。其本質(zhì)也就是SiP的2.5D/3D封裝，只是早期 SiP僅滿(mǎn)足不同工藝間芯片的鏈接，比如CPU/GPU和DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 ）的異構(gòu)集成，而Chiplet被提出以后，不同的裸片可以使用不同的工藝節(jié)點(diǎn)制造 ，甚至可以由不同的供應(yīng)商提供。第三方Chiplet可以大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間和制造成本。雖然SoC在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還是主流，但Chiplet將不同組件在獨(dú)立的裸片上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為解決高復(fù)雜度、超大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)的可制造性及成本問(wèn)題提供了一種新的思路。據(jù)統(tǒng)計(jì)良率與面積大小的關(guān)系，對(duì)于小于10mm2的芯片而言，monolithic方案和chiplet方案的良率差別不大，一旦芯片面積超過(guò)200mm2，monolithic方案的良率會(huì)比chiplet方案低超過(guò)20%?？梢灶A(yù)期，在700~800mm2的面積上，monolithic方案的良率很可能不超過(guò)10%，基于成熟的芯片的Chiplet方案的成本價(jià)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于monolithic SoC方案。Chiplet集成的芯片會(huì)是一個(gè)“超級(jí)”異構(gòu)系統(tǒng)，可以為AI計(jì)算帶來(lái)更多的靈活性和新的發(fā)展機(jī)遇。

More than Moore（超越摩爾）闡述的SoC/SiP兩種技術(shù)途徑充分結(jié)合實(shí)現(xiàn)的 Chiplet、微系統(tǒng)技術(shù)，已經(jīng)為嵌入式系統(tǒng)的低功耗、微小型化、高可靠，以及 智能化發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐。使得嵌入式系統(tǒng)具有更高的附加值，并進(jìn)一步推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)跨越式、普及化發(fā)展。

2.應(yīng)用牽引著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向

人類(lèi)對(duì)于信息的獲取、表征、傳遞、處理、使用永無(wú)止境的追求，推動(dòng)嵌入式技術(shù)的熱點(diǎn)不斷，每一個(gè)時(shí)代及時(shí)代中的不同階段對(duì)于嵌入式特征也是不同的。工業(yè)化時(shí)代，儀表控制、工業(yè)裝備及自動(dòng)控制等是嵌入式最早的用武之地；信息化時(shí)代，家電、計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，每個(gè)時(shí)代都離不開(kāi)嵌入式技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、區(qū)塊鏈、人工智能等時(shí)代熱點(diǎn)促使網(wǎng)絡(luò)直播、人臉識(shí)別、智能家具、自動(dòng)駕駛、智慧城市海量應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。各種智能手機(jī)、多用途的無(wú)人機(jī)、智能輔助汽車(chē)、機(jī)器人等產(chǎn)品琳瑯滿(mǎn)目，嵌入式應(yīng)用需求日益豐富、多樣。隨著未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)快速落地，嵌入式將會(huì)比以往更大的廣度、深度進(jìn)入人類(lèi)生活。

應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展、革新對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟硬件生態(tài)提出更多要求。早期僅有面向工業(yè)控制的微控制器，很快就產(chǎn)生了面向信號(hào)處理、圖形處理的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、GPU，近年來(lái)人工智能又躍躍欲試。2010年以后，隨著應(yīng)用場(chǎng)景、服務(wù)內(nèi)容的不斷豐富，嵌入式系統(tǒng)芯片種類(lèi)迅速增長(zhǎng)、復(fù)雜度指數(shù)級(jí)提升。飛機(jī)、汽車(chē)、手機(jī)、手表等不同應(yīng)用領(lǐng)域都出現(xiàn)了定制的異構(gòu)、多核嵌入式 SoC系統(tǒng)芯片?？焖侔l(fā)展、不斷細(xì)分的應(yīng)用場(chǎng)景要求嵌入式系統(tǒng)更加專(zhuān)業(yè)化、定制化。人工智能的陸續(xù)落地會(huì)加劇應(yīng)用場(chǎng)景的細(xì)分需求。面向應(yīng)用場(chǎng)景定制專(zhuān)用處理器是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。處理器功能的日益復(fù)雜，應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化對(duì)軟件生態(tài)也提出更高要求。

隨著嵌入式系統(tǒng)在金融、飛機(jī)、汽車(chē)、核電等高安全領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的安全性、可靠性、可信任性提出更高要求。各行各業(yè)產(chǎn)生了各種軟硬件研制規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及過(guò)程管控體系，研制出相應(yīng)的處理器和操作系統(tǒng)。隨著應(yīng)用復(fù)雜度的不斷提升、嵌入式系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，滿(mǎn)足安全性、可靠性、可信任性等特性的設(shè)計(jì)方法仍需進(jìn)一步探索。應(yīng)用將持續(xù)牽引嵌入式各項(xiàng)技術(shù)協(xié)同、可持續(xù)發(fā)展。

3.計(jì)算機(jī)技術(shù)是構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的核心

應(yīng)用牽引嵌入式技術(shù)協(xié)同發(fā)展，而不同的計(jì)算架構(gòu)及相應(yīng)的軟硬件技術(shù)，支撐著嵌入式計(jì)算發(fā)展的每個(gè)階段。20世紀(jì)70年代處理器的誕生解決了控制問(wèn)題，形成以CPU為核心、集成各種IO接口的微控制器，快速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制、家電等應(yīng)用；20世紀(jì)80年代DSP誕生解決信號(hào)處理問(wèn)題，也形成以CPU、DSP為處理核心的移動(dòng)通信控制+處理系統(tǒng)，促進(jìn)了移動(dòng)通信設(shè)備的發(fā)展；進(jìn)入21世紀(jì)，GPU的誕生解決了圖形顯示問(wèn)題，形成了以CPU、GPU為核心的圖形顯示系統(tǒng)，促進(jìn)可視化工業(yè)控制、電子儀表廣泛應(yīng)用。2010年起，以CPU、DSP、GPU為核心的可視化移動(dòng)通信嵌入式系統(tǒng)更是引發(fā)了智能手機(jī)的熱潮。2006年GPGPU的誕生指數(shù)級(jí)提升并行計(jì)算能力，英偉達(dá)也率先推出以CPU、GPGPU 為核心的自動(dòng)駕駛大數(shù)據(jù)處理嵌入式系統(tǒng)；隨著深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，2017年NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器）應(yīng)運(yùn)而生，華為率先將NPU集成到智能手機(jī)SoC中，使得嵌入式系統(tǒng)增添AI元素，極大增強(qiáng)了人臉識(shí)別、智能拍照處理等智能應(yīng)用。

每一代計(jì)算技術(shù)的創(chuàng)新都為嵌入式技術(shù)增添新的活力，使得嵌入式系統(tǒng)具有豐富的功能、強(qiáng)大的性能以及更好的實(shí)現(xiàn)效能，推動(dòng)各類(lèi)應(yīng)用快速落地。

4.軟件技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂

軟硬件協(xié)同是嵌入式一大特征，伴隨著嵌入式快速發(fā)展，嵌入式軟件也得到了極大的發(fā)展。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言從早期的以匯編、C語(yǔ)言為主，發(fā)展到現(xiàn)在C++、Python、JAVA，編程語(yǔ)言百家爭(zhēng)鳴一方面擴(kuò)展了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用空間，另一方面將專(zhuān)業(yè)更加細(xì)分，使得硬件潛力得到更好的挖掘。同時(shí)以VxWorks、Android、嵌入式Linux為代表的嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)更為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展增添了強(qiáng)勁動(dòng)力。

在面向智能化的今天，嵌入式軟件的發(fā)展已打造出面向各種應(yīng)用領(lǐng)域的軟件生態(tài)系統(tǒng)，以Android為代表的消費(fèi)類(lèi)手機(jī)終端等生態(tài)、以ROS為代表的機(jī)器人生態(tài)和以Apollo為代表的無(wú)人駕駛生態(tài)等，這些嵌入式開(kāi)發(fā)生態(tài)都是以嵌入式軟件技術(shù)為核心，統(tǒng)一軟件架構(gòu)及用戶(hù)API（應(yīng)用程序接口），并利用硬件抽象層技術(shù)構(gòu)建起了一套開(kāi)放式的硬件支持架構(gòu)。嵌入式生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅促進(jìn)了面向應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)的有序發(fā)展，更進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用需求與硬件的快速融合?？v觀嵌入式系統(tǒng)的軟硬件發(fā)展歷程，微電子技術(shù)為嵌入式提供了強(qiáng)壯的身軀，軟件技術(shù)則為嵌入式賦予靈活的大腦、活力及靈魂。

隨著嵌入式系統(tǒng)的日益復(fù)雜，軟件生態(tài)的復(fù)雜度、規(guī)模指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，人工智能的落地更加速了軟件生態(tài)復(fù)雜度的提升。軟件工程、開(kāi)源軟件、軟件質(zhì)量將成為嵌入式軟件的重點(diǎn)。尤其是應(yīng)用在航空航天、汽車(chē)、金融等高安全領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)，安全性、可靠性、可信性的軟件設(shè)計(jì)、認(rèn)證尤為重要。國(guó)家在可信軟件方面大量投入，在金融、互聯(lián)網(wǎng)、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)取得了舉世矚目的成果。而嵌入式領(lǐng)域軟硬件深度融合，可信性設(shè)計(jì)難以通過(guò)單一軟件或硬件層面達(dá)到，需結(jié)合軟硬件處理特性，相互配合、相互補(bǔ)充、協(xié)同設(shè)計(jì)，共同構(gòu)建安全 可靠、可信任系統(tǒng)?？尚跑浻布鷳B(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)將成為研究熱點(diǎn)。

5.嵌入式人才培養(yǎng)是國(guó)內(nèi)的短板

嵌入式開(kāi)發(fā)是基于多門(mén)學(xué)科知識(shí)、面向特定需求、以應(yīng)用為特征的技術(shù)，是多種知識(shí)的綜合應(yīng)用。國(guó)內(nèi)目前專(zhuān)業(yè)劃分和知識(shí)傳授過(guò)于零碎，教學(xué)往往是強(qiáng)調(diào)基于某個(gè)軟硬件平臺(tái)上的應(yīng)用軟件、APP開(kāi)發(fā)，基本上是停留在應(yīng)用層面。系統(tǒng)及軟硬件平臺(tái)如何構(gòu)建，以及軟硬協(xié)同綜合開(kāi)發(fā)才是關(guān)鍵及核心，這些綜合能力的培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，但明顯不足。系統(tǒng)思維、多學(xué)科綜合、軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)及創(chuàng)新能力等，也很難在單一學(xué)科及專(zhuān)業(yè)方向上能夠培養(yǎng)出來(lái)的。強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新技術(shù)、應(yīng)用綜合能力培養(yǎng)的嵌入式學(xué)科建設(shè)體系，與以SCI等論文為導(dǎo)向的學(xué)科建設(shè)及評(píng)估體系存在很大不協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致學(xué)校人才培養(yǎng)與企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展急需的嵌入式人才脫節(jié)。企業(yè)“辦大學(xué)”來(lái)培養(yǎng)所需的人才已經(jīng)成為常態(tài)，亦屬無(wú)奈之舉。

嵌入式行業(yè)需要大量人才，更需要具備領(lǐng)軍能力的高層次嵌入式人才。而目前國(guó)內(nèi)嵌入式人才培養(yǎng)存在嚴(yán)重短板，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)于各層次嵌入式人才的迫切需求。如何構(gòu)建嵌入式特征的人才培養(yǎng)體系，需要行業(yè)與高校靜下心來(lái)認(rèn)真思考，拿出切實(shí)可行的解決策略。學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)要立足發(fā)展所需“，把論文寫(xiě)在祖國(guó)的大地上”。企業(yè)要多提供一些實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)崗位和廣闊的科研“大地”，讓師生能夠潛心到企業(yè)的科研實(shí)踐中。

6.結(jié)論

本文回顧了嵌入式技術(shù)的起源與發(fā)展，從微電子技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)4個(gè)方面分析和總結(jié)了技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)間的發(fā)展關(guān)系。通過(guò)技術(shù)的演進(jìn)，指明了嵌入式技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)的研究重點(diǎn)。最后剖析國(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的不足，提出高校和企業(yè)在嵌入式人才發(fā)展上要立足各自需求，協(xié)同、創(chuàng)新發(fā)展。

責(zé)任編輯：lq