引言

20世紀70年代，微處理器的出現(xiàn)使得微型機可以嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對對象體系的智能化控制。人們把實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機系統(tǒng)，稱作嵌入式計算機系統(tǒng)。最初大家將嵌入式定義為：“以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”。隨著微電子技術的飛速發(fā)展，計算機技術快速與各行各業(yè)應用的廣度融合、深度嵌入，使得嵌入式應用日益廣泛、嵌入式產品形態(tài)各異、無處不在，也使得嵌入式系統(tǒng)概念的內涵和外延發(fā)生了巨大變化。嵌入式技術涉及到微電子技術、應用技術、計算機技術及軟件技術等，技術間相互作用，相互影響，相得益彰“，無處不在的計算”使得嵌入式技術熱點不斷。本文將從這4個技術視角來闡述嵌入式技術，并指出國內嵌入式人才的問題，以及給出的相關建議。

1.微電子技術是構建嵌入式系統(tǒng)的基礎

微電子產業(yè)是關系到國民經濟和社會發(fā)展全局的基礎性、先導性和戰(zhàn)略性產業(yè)，是國家發(fā)展水平和綜合國力的重要標志，是新一代信息技術發(fā)展的核心和關鍵。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，是信息技術無止境追求的目標，也是微電子技術和產業(yè)迅速發(fā)展的永恒動力。

回顧嵌入式計算機的起源與發(fā)展，可以清晰地看出微電子技術是嵌入式技術的發(fā)展基礎。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)，被廣泛地應用于儀器儀表、醫(yī)療設備、家用電器等各行各業(yè)，形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，并出現(xiàn)了以嵌入式處理器為核心、便于用戶使用的系列化、模塊化及標準化單板機。

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

工藝技術的不斷進步，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)在芯片級帶來低功耗、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用成為了可能。由此可見，SoC技術的發(fā)展進一步加速了嵌入式系統(tǒng)升級換代的速度、小型化的實現(xiàn)程度，也決定了嵌入式系統(tǒng)普、應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)級封裝技術（SiP）是將不同工藝制作的多種IC芯片、無源元件（或無源集成元件）、天線、光學器件、生物器件以及微機電系統(tǒng)（MEMS）組成的系統(tǒng)功能集中于單一封裝體內，構成一個微系統(tǒng)器件的技術。SiP技術是基于封裝手段實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的小型化及高可靠性的有效方法。

近年來，隨著AI技術的快速發(fā)展，應用場景驅動的復雜算法加速以及更加嚴苛的“小、低、輕”要求對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、復雜度指數(shù)級提升。例如，英偉達2019年發(fā)布的旗艦 GPU Volta GV100高達800mm ，據(jù)悉今年即將推出的Ampere系列新核彈級GPU（圖形處理器）將在7nm工藝達到826mm ；硅谷初創(chuàng)Cerebras Systems的AI芯片，面積更是達到了46 225mm ，片上SRAM（靜態(tài)隨機存儲 器）高達18GB。如此大面積的芯片，良率及成本很難控制，Monolithic SoC 芯片在過去幾年已經到了“窮途末路”的境界，SoC或將迎來以Chiplet（芯粒） 技術為核心的時代。

Chiplet技術是將原來一塊大Monolithic SoC單芯片方案，拆分為多個小芯片的組合，然后通過高級封裝重組。其本質也就是SiP的2.5D/3D封裝，只是早期 SiP僅滿足不同工藝間芯片的鏈接，比如CPU/GPU和DRAM（動態(tài)隨機存儲器 ）的異構集成，而Chiplet被提出以后，不同的裸片可以使用不同的工藝節(jié)點制造 ，甚至可以由不同的供應商提供。第三方Chiplet可以大大減少設計時間和制造成本。雖然SoC在很長一段時間內還是主流，但Chiplet將不同組件在獨立的裸片上設計和實現(xiàn)，為解決高復雜度、超大規(guī)模異構系統(tǒng)的可制造性及成本問題提供了一種新的思路。據(jù)統(tǒng)計良率與面積大小的關系，對于小于10mm 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200mm ，monolithic方案的良率會比chiplet方案低超過20%。可以預期，在700~800mm 的面積上，monolithic方案的良率很可能不超過10%，基于成熟的芯片的Chiplet方案的成本價將遠遠低于monolithic SoC方案。Chiplet集成的芯片會是一個“超級”異構系統(tǒng)，可以為AI計算帶來更多的靈活性和新的發(fā)展機遇。

More than Moore（超越摩爾）闡述的SoC/SiP兩種技術途徑充分結合實現(xiàn)的 Chiplet、微系統(tǒng)技術，已經為嵌入式系統(tǒng)的低功耗、微小型化、高可靠，以及 智能化發(fā)展提供了基礎支撐。使得嵌入式系統(tǒng)具有更高的附加值，并進一步推動了嵌入式系統(tǒng)跨越式、普及化發(fā)展。

2.應用牽引著嵌入式技術的發(fā)展方向

人類對于信息的獲取、表征、傳遞、處理、使用永無止境的追求，推動嵌入式技術的熱點不斷，每一個時代及時代中的不同階段對于嵌入式特征也是不同的。工業(yè)化時代，儀表控制、工業(yè)裝備及自動控制等是嵌入式最早的用武之地；信息化時代，家電、計算機、通信及網絡快速發(fā)展，每個時代都離不開嵌入式技術。

虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、5G、區(qū)塊鏈、人工智能等時代熱點促使網絡直播、人臉識別、智能家具、自動駕駛、智慧城市海量應用應運而生。各種智能手機、多用途的無人機、智能輔助汽車、機器人等產品琳瑯滿目，嵌入式應用需求日益豐富、多樣。隨著未來物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能技術快速落地，嵌入式將會比以往更大的廣度、深度進入人類生活。

應用場景的不斷擴展、革新對嵌入式系統(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，很快就產生了面向信號處理、圖形處理的DSP（數(shù)字信號處理器）、GPU，近年來人工智能又躍躍欲試。2010年以后，隨著應用場景、服務內容的不斷豐富，嵌入式系統(tǒng)芯片種類迅速增長、復雜度指數(shù)級提升。飛機、汽車、手機、手表等不同應用領域都出現(xiàn)了定制的異構、多核嵌入式 SoC系統(tǒng)芯片。快速發(fā)展、不斷細分的應用場景要求嵌入式系統(tǒng)更加專業(yè)化、定制化。人工智能的陸續(xù)落地會加劇應用場景的細分需求。面向應用場景定制專用處理器是未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。處理器功能的日益復雜，應用場景的多樣化對軟件生態(tài)也提出更高要求。

隨著嵌入式系統(tǒng)在金融、飛機、汽車、核電等高安全領域應用日益廣泛，對嵌入式系統(tǒng)的安全性、可靠性、可信任性提出更高要求。各行各業(yè)產生了各種軟硬件研制規(guī)范、標準及過程管控體系，研制出相應的處理器和操作系統(tǒng)。隨著應用復雜度的不斷提升、嵌入式系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，滿足安全性、可靠性、可信任性等特性的設計方法仍需進一步探索。應用將持續(xù)牽引嵌入式各項技術協(xié)同、可持續(xù)發(fā)展。

3.計算機技術是構建嵌入式系統(tǒng)的核心

應用牽引嵌入式技術協(xié)同發(fā)展，而不同的計算架構及相應的軟硬件技術，支撐著嵌入式計算發(fā)展的每個階段。20世紀70年代處理器的誕生解決了控制問題，形成以CPU為核心、集成各種IO接口的微控制器，快速實現(xiàn)了工業(yè)控制、家電等應用；20世紀80年代DSP誕生解決信號處理問題，也形成以CPU、DSP為處理核心的移動通信控制+處理系統(tǒng)，促進了移動通信設備的發(fā)展；進入21世紀，GPU的誕生解決了圖形顯示問題，形成了以CPU、GPU為核心的圖形顯示系統(tǒng)，促進可視化工業(yè)控制、電子儀表廣泛應用。2010年起，以CPU、DSP、GPU為核心的可視化移動通信嵌入式系統(tǒng)更是引發(fā)了智能手機的熱潮。2006年GPGPU的誕生指數(shù)級提升并行計算能力，英偉達也率先推出以CPU、GPGPU 為核心的自動駕駛大數(shù)據(jù)處理嵌入式系統(tǒng)；隨著深度學習神經網絡的興起，2017年NPU（神經網絡處理器）應運而生，華為率先將NPU集成到智能手機SoC中，使得嵌入式系統(tǒng)增添AI元素，極大增強了人臉識別、智能拍照處理等智能應用。

每一代計算技術的創(chuàng)新都為嵌入式技術增添新的活力，使得嵌入式系統(tǒng)具有豐富的功能、強大的性能以及更好的實現(xiàn)效能，推動各類應用快速落地。

4.軟件技術是嵌入式系統(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。開發(fā)語言從早期的以匯編、C語言為主，發(fā)展到現(xiàn)在C++、Python、JAVA，編程語言百家爭鳴一方面擴展了嵌入式系統(tǒng)的應用空間，另一方面將專業(yè)更加細分，使得硬件潛力得到更好的挖掘。同時以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)展增添了強勁動力。

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用領域的軟件生態(tài)系統(tǒng)，以Android為代表的消費類手機終端等生態(tài)、以ROS為代表的機器人生態(tài)和以Apollo為代表的無人駕駛生態(tài)等，這些嵌入式開發(fā)生態(tài)都是以嵌入式軟件技術為核心，統(tǒng)一軟件架構及用戶API（應用程序接口），并利用硬件抽象層技術構建起了一套開放式的硬件支持架構。嵌入式生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅促進了面向應用領域的嵌入式系統(tǒng)的有序發(fā)展，更進一步促進了產業(yè)發(fā)展中的應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，微電子技術為嵌入式提供了強壯的身軀，軟件技術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)的日益復雜，軟件生態(tài)的復雜度、規(guī)模指數(shù)級增長，人工智能的落地更加速了軟件生態(tài)復雜度的提升。軟件工程、開源軟件、軟件質量將成為嵌入式軟件的重點。尤其是應用在航空航天、汽車、金融等高安全領域的軟件系統(tǒng)，安全性、可靠性、可信性的軟件設計、認證尤為重要。國家在可信軟件方面大量投入，在金融、互聯(lián)網、航天等領域的應用軟件開發(fā)取得了舉世矚目的成果。而嵌入式領域軟硬件深度融合，可信性設計難以通過單一軟件或硬件層面達到，需結合軟硬件處理特性，相互配合、相互補充、協(xié)同設計，共同構建安全 可靠、可信任系統(tǒng)。可信軟硬件生態(tài)協(xié)同設計將成為研究熱點。

5.嵌入式人才培養(yǎng)是國內的短板

嵌入式開發(fā)是基于多門學科知識、面向特定需求、以應用為特征的技術，是多種知識的綜合應用。國內目前專業(yè)劃分和知識傳授過于零碎，教學往往是強調基于某個軟硬件平臺上的應用軟件、APP開發(fā)，基本上是停留在應用層面。系統(tǒng)及軟硬件平臺如何構建，以及軟硬協(xié)同綜合開發(fā)才是關鍵及核心，這些綜合能力的培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關鍵，但明顯不足。系統(tǒng)思維、多學科綜合、軟硬件協(xié)同開發(fā)及創(chuàng)新能力等，也很難在單一學科及專業(yè)方向上能夠培養(yǎng)出來的。強調創(chuàng)新技術、應用綜合能力培養(yǎng)的嵌入式學科建設體系，與以SCI等論文為導向的學科建設及評估體系存在很大不協(xié)調性，導致學校人才培養(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”來培養(yǎng)所需的人才已經成為常態(tài)，亦屬無奈之舉。

嵌入式行業(yè)需要大量人才，更需要具備領軍能力的高層次嵌入式人才。而目前國內嵌入式人才培養(yǎng)存在嚴重短板，遠不能滿足產業(yè)發(fā)展對于各層次嵌入式人才的迫切需求。如何構建嵌入式特征的人才培養(yǎng)體系，需要行業(yè)與高校靜下心來認真思考，拿出切實可行的解決策略。學校、科研機構要立足發(fā)展所需“，把論文寫在祖國的大地上”。企業(yè)要多提供一些實踐、實訓崗位和廣闊的科研“大地”，讓師生能夠潛心到企業(yè)的科研實踐中。

6.結論

本文回顧了嵌入式技術的起源與發(fā)展，從微電子技術、應用技術、計算機技術和軟件技術4個方面分析和總結了技術與嵌入式系統(tǒng)間的發(fā)展關系。通過技術的演進，指明了嵌入式技術未來發(fā)展趨勢和未來的研究重點。最后剖析國內嵌入式系統(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。
? ? ? 責任編輯:tzh