AI、边缘计算架构推动嵌入式物联网发展

2021-11-16 13:47:54 admin 79

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云系统已经进入人工智能和机器学习领域,改变了嵌入式物联网开发的性质,这已经需要大量的技能组合。


随着人工智能工作在许多物联网部署中转移到边缘,这种趋势可能会加速,为平台多样性的更大发展奠定基础。 


尽管如此,所有道路都将继续通过嵌入式开发。今天,在庞大的全球系统边缘对嵌入式设备进行编程仍然是一种艺术形式。功率和内存限制仍然存在,延迟要求非常严格——以毫秒为单位。


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为了克服这些障碍,嵌入式物联网开发人员采用了来自主线云提供商或专家的模拟器、模拟器、测试台、软件开发工具包和云平台。他们的嵌入式开发人员队伍中仍然包括熟练使用烙铁的人。 


C 语言仍然是嵌入式微控制器、微处理器和片上系统、片上模块和它们驱动的板级系统的中流砥柱。但在计算和存储几乎无限的云中,Python 的高级语言在机器学习开发方面取得了成功。


当世界碰撞


如今,云和嵌入式开发风格有所不同。但据全球半导体 IP 领导者 Arm 产品营销总监 Chris Shore 称,这种情况可能会改变。Shore 拥有 30 多年的嵌入式开发经验,是最早将 Linux 移植到 Arm 的公司之一。


“有两个世界在碰撞。它涉及专业知识的变化和工作实践的变化,”肖尔说。“如果您在云上使用微服务运行分析机器学习作业,您就不必关心它使用了多少能源,或者您需要多少内存。但如果你把这样的分析放在一个嵌入式小部件上,你就不必担心了。”


边缘和云之间的通信行程也是开发人员关心的问题。在收集点分析的数据可以更快地采取行动;系统无需等待数据往返于云端。他说,因此物联网设备模块上的人工智能处理引起了人们的关注。


几家半导体公司正在迅速采取行动,将人工智能和机器学习设计与嵌入式系统联系起来。例如,今年早些时候,Arm 推出了 Ethos-U55 神经处理单元,用于边缘机器学习处理。


物联网快速发展


嵌入式开发人员对物联网开发中的大部分内容都很熟悉;需要进行设备测量,需要判断级别——这些和类似的系统事件会启动其他进程,等等。 


将这些嵌入式系统连接到网络也很熟悉。这就是为什么不少资深嵌入式开发人员对物联网产生的宣传感到不安的原因。其中包括独立嵌入式系统工程师、嵌入式缪斯通讯的作者和编辑 Jack Gansalle 。


“从我开始工作的那天起,设备就已经连接到网络。当物联网出现时,我们已经这样做了 20 年,”Gansalle 说。


然而,嵌入式物联网领域发展迅速,很少有工程师了解全球联网分布式传感器数据处理和分析所需的细微差别。从头开始构建不是一种选择。


因此,“工程师以软件和硬件的形式购买连接,”他说。重要的是,专注于运营的嵌入式开发人员现在发现自己与 IT 团队的合作更加紧密。Gansalle 指出,这些团队包括精通机器学习和其他高级分析的云开发人员。 


此外,他说,作为嵌入式开发基本要素的实时操作系统正在增加云功能。


云平台提供商强调嵌入式操作系统对物联网的重要性。例如,考虑一下 Amazon Web Services 使用Amazon FreeRTOS增加的活动。对于 AWS 而言,减轻嵌入式系统开发的任务是将其云服务迁移到物联网的关键一步。


就其本身而言,微软最近宣布了 Azure RTOS 嵌入式物联网开发工具包,以简化开发。Azure RTOS 源于微软 2019 年收购 Express Logic。Microchip Technology、NXP、Qualcomm、Renesas 和 STMicroelectronics 的开发硬件支持新套件。它们构成了云计算和嵌入式计算之间的重要互连。


平台显示承诺


随着人工智能和机器学习成为嵌入式物联网讨论的一部分,用于云和边缘的现场可编程门阵列已进入混合体。 


嵌入式开发人员可以配置和重新配置 FPGA,这些 FPGA 非常灵活,可以支持各种机器学习模型,包括卷积神经网络。 


为嵌入式系统对这些芯片进行编程的开发技能范围可能很广,因此工具也必须如此。FPGA 制造商 Xilinx 视觉、医疗保健和科学服务总监 Chetan Khona 表示,虽然专门的嵌入式系统开发人员需要软件开发套件,但数据科学家需要机器学习开发框架。 


他说,曾经在该领域工作 10 年不变的嵌入式系统——他以复印机为例——现在可能会像数字企业中的其他一切一样定期更新。 


在 Khona 的估计中,这推动了基于标准的开发平台的强劲发展,以处理电子、控制、连接、安全和人工智能的不同层。这些平台的目标是最终将在不同嵌入式设计级别工作的开发人员的工作结合起来。


“我们发现今天没有一个人做出关键的开发决策。涉及不同的角色,”Khona 说。“有硬件开发人员、FPGA 开发人员、系统架构师、应用程序开发人员和数据科学家。你需要为这些不同的个性中的每一个提供一个产品。”


Khona 表示,赛灵思一直致力于通过 PYNQ 将 Python 语言开发人员(通常是数据科学团队的关键成员)引入 FPGA 开发,PYNQ 是该公司创建的一个允许使用 Python 语言和库的开源项目。 


 嵌入式物联网开发的机遇和限制


面向云的嵌入式物联网开发平台的推动正在重塑行业产品。以电子元件分销商 Avnet 为例。 


2018 年,该公司收购了 Azure 云连接和数据分析服务提供商 Softweb Solutions,随后在 2019 年收购了嵌入式物联网开发平台制造商 Witekio。 


Witekio 的创始人兼总裁 Yannick Chammings 表示,目标是刺激嵌入式物联网的发展,他现在作为 Avnet 公司运营。 


查明斯说,今天的嵌入式物联网开发有点像“狂野西部”,需要更多的工具集成。 


今天,他看到不同的利益相关者开始走到一起,追求比过去更紧密的设计。但这是一种权衡。 


“嵌入式社区习惯于在一个充满约束的世界中工作——另一方面,你拥有一个充满新可能性的物联网世界——如果你将数据带到云端,你可以构建新的功能,”查明斯说。


他说,管理人员必须为机遇和限制做好准备,才能在当今的物联网发展中取得成功。他警告说,他们必须意识到他们可能会在等式的任何一方失败,并推荐早期创新研讨会,将系统架构师与其他团队成员聚集在一起来整理选择。


容器来了


工业互联网联盟内 OpenFog 联盟的首席技术官查克·拜尔斯 (Chuck Byers) 表示,除了人工智能和机器学习之外,当今影响物联网发展演变的主要趋势还包括敏捷方法和开源软件。 


他指出,敏捷方法将复杂的程序提炼成可管理的代码块,而开源软件可以加速设计——提供与一般定义的协议栈相关的 API 和库。


还有嵌入式参考架构,例如 Byers 在 Cisco 期间帮助打造的 Fog 和 Edge 计算架构,以及作为 OpenFog Consortium 的一部分。 



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Byers 看到了影响物联网设备开发的云架构趋势。其中最主要的是微服务和基于容器的技术,它们将代码片段与可以在云中、边缘、智能传感器或其他任何地方运行的资源集结合起来。


“云正在迅速转向基于容器的工作负载。这些允许开发人员将代码从云端移植到安全摄像头、无人机——边缘的不同节点,”他说。他继续说,这些工作负载可以即时启动,并在短短 1 秒内部署到互联网上的任何地方。 


这种技术很可能代表嵌入式物联网开发的下一步。


像 1995 年那样编程? 


根据 Moor Insights and Strategy 物联网分析师、Tread Group创始人 Bill Curtis 的说法,随着时间的推移,人们将看到转向能够降低物联网开发整体复杂性的平台,该组织追求基于低功耗互联网协议的标准。 (基于 IP 的)计算。


“今天,我们仍然像 1995 年一样为物联网开发软件。我们的内存占用很小,设备非常有限,人们仍在编写低级 C 和汇编代码,”他说。“此外,如果没有真正的平台,您将无法获得安全性。”


这些平台涵盖从边缘物联网设备到云数据中心的开发,Curtis 说,这些平台将成为标准平台,允许开发经理“将他们的云编程模型转移到物联网世界。

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“这意味着在云上工作的相同开发人员可以每天在物联网上工作,而无需更改工具,”他继续说道。 


计算这种变化发生的速度是困难的部分。在这一点上,行业资深人士柯蒂斯补充了一句哲理的话。嵌入式物联网开发的巨大变化可能不会来得太早,但也可能不会太晚。


“人们总是倾向于高估两三年内的技术变化,但他们低估了 10 年内发生的事情,”他说,并转述了微软创始人比尔·盖茨的话说。


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