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物联网时代来临 芯片设计该如何满足需求?

2017-07-21 11:39
小鱼时代
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中间地带

当思科首次开始预测数十亿设备将一起构成 IoT 时,其假设数据会通过网关从边缘设备发送到云。原始数据会被处理和分析,然后相关信息会通过网关被传回边缘设备。

这种场景存在一些问题。首先,和本地处理一些数据相比,I/O 需要消耗更多能量,这就是移动设备影响电池寿命的情况。因此,人们开发出了各种各样的中级服务器来连接边缘设备和云。这可以提供一种次级的,有时候甚至第三级和第四级的过滤。

“现在在边缘我们有最小化功率比历史上我们侧重的最大化性能更重要的 IoT 应用,”Cadence 的 Custom IC & PCB Group 高级集团总监 Ian Dennison 说,“这就改变了设计的侧重点。显然,电源关断和电池电压频率扫描仍然是必要的步骤,但如果你可以降低频率,那么就可以应用分层计算和阈值计算。”

第二,传感器生成的数据太多了,我们不可能将所有数据都发送到云端,这就需要中级的计算平台,它们可以被安置在云和边缘之间。这种中级平台可以是智能或普通的网关、边缘服务器或雾服务器。

“当 IoT 开始出现时,其思想是收集所有数据并通过网关将其发送到云。”Gartner 研究副总裁 Dean Freeman 说,“但其数据量是非常巨大的。所以你不仅不会发送所有数据,你也不会计算所有数据。如果你只是希望看到异常数据,那么你只需要传输更少的数据。那为什么要一直传输到云上呢?根据网状网络、信号和连接的不同,可能会造成几分钟的延迟。解决这个问题的方法是将本地智能和某些人工智能安放到边缘。”

但边缘服务器/网关到底是什么?到目前为止,我们还没有一个明确的答案。

图 3:Mentor 的可定制 IoT 网关,来自 Mentor

“这三个层级的中间地带是最模糊不清的,”Freeman 说,“它很可能会是一种 64 位的架构。但它可能最多不过是一种坚固耐用的 PC。戴尔一直在生产本质上是装在塑料壳里面的坚固耐用的服务器机架的东西,以保证它们在工厂车间中的密封。我们也可以将标准 PC 用作网关。”

但是,很明显这将需要为组织个体的需求而进行定制,而且还需要一些灵活性,因为这些需求可能会改变。这也是目前各种新型内存的争夺战出现的部分原因,其中包括 MRAM、相变存储器(PCM)、ReRAM、3D XPoint 等。尽管其基本架构仍然一样(基于经典的冯·诺依曼计算模型,数据在内存、处理器和 I/O 之间移动),但该方案的不同变体正开始涌现。

服务器

基于云的服务器是 IoT 计算的第三个阶段,而且这也是现在发生着一些最大的变化的地方,也是目前获得投资最多的地方。与通常使用一致的数据类型且数据数量可预测的公司企业不同,边缘设备生成的数据既不一致又数量庞大。比如说,这些数据可以用于人工智能中的模式识别,或者可以进行简单的筛选,找到不满足高斯分布的偏差。

为了解决这个问题,芯片制造商和系统公司已经开始为逻辑和吞吐量设计全新的架构,在一些案例中是把处理过程移到网络中或甚至各种类型的内存中。

Marvell 的 Strategic Planning Group 的组合技术副总裁 Nick Ilyadis 指出软件定义存储( software-defined storage)是现在的重大改变之一。他说关于云的两大趋势是超融合( hyperconvergence)与超扩展(hyperscaling)。

Ilyadis 解释说:“超融合是指以一种垂直配置的方式增加计算和存储,而超扩展是给网络增加更多的单元和更大的带宽。所以超融合是向上发展,超扩展是向外发展。”

他说,要让这两个概念都有效,尤其是在有数百万虚拟机时,需要在整个云架构上都有所变化。所以固态驱动器通信协议 NVM Express 已经让位于 NVM express over Fabrics (NVMeoF),而 SSD 也已经让位于用于网络内内存的网络优化的 SSD(network-optimized SSD for in-network memory)。Ilyadis 说:“变化在于与 SSD 驱动器和应用的更好的同步。”

内存是创新的一个关键领域。尽管 DRAM 和 SRAM 仍然是关键技术,但相关改进正在放缓。Rambus 首席科学家 Craig Hampel 说 DRAM 尺寸缩减将每比特成本降低了 35%,但到 2010 年时,这一数字下降到了 25%。这导致芯片制造商开始着眼于一些新型的内存类型,包括 MRAM、相变存储器(PCM)、ReRAM、低负载 DIMM(LRDIMM)、非易失性DIMM(NVDIMM)、存储级内存 DIMM(SCMDIMM )以及将来的缓存 DIMM。

但重要的不只是内存类型。还有在不同于传统使用方式的地方安装内存实体的能力,这基本上动摇了传统的冯·诺依曼架构。

Hampel 说:“一种内存解决方案有三大基本要素。首先,它需要在适当的模块尺寸和成本的条件下满足内存的功能需求。其次,它要是一种无处不在的接口。任何有空间的地方你都可以放置存储,但对于一些已有的内存类型,延迟和模块尺寸都太高了。第三点是你需要有软件意识,才能利用这些内存。”

图 4:用于健康监控的基于微软 Azure 云的架构,来自微软

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