无线物联网SoC内部装了什么？

物联网规模持续扩张，但工程师仍需应对一系列复杂挑战：标准碎片化、严苛的功耗与空间限制，以及性能与成本之间的持续权衡。不过，新一代无线系统级芯片（SoC）正逐步破解这些难题。Silicon Labs 首席技术官 Daniel Cooley 表示，这类物联网芯片整合了无线连接、计算与安全功能，能降低硬件复杂度，缩短从工厂嵌入式传感器到智能家居设备等各类产品的上市时间。

“最终，所有无线应用都将具备一定程度的处理能力，” 他在上个月于得克萨斯州奥斯汀举行的 Silicon Labs 2025 年 Works With 大会上向记者透露。

Silicon Labs 上月推出了其 Series 3 平台的首批芯片 —— 这是该公司对物联网 SoC 未来的愿景落地。新芯片支持多种长距离和短距离无线协议，包括 Wi-Fi、蓝牙和 Thread，其中多款专为适配 Matter 标准设计，以打通不同协议间的壁垒。

通过从 40 纳米工艺升级至 22 纳米，Series 3 在计算、连接和安全方面实现了代际飞跃，性能超越 Series 2 平台，但不会取代后者。

物联网 SoC 的核心组成模块

没有任何一款芯片能完美适配所有物联网设备 —— 设计需求的多样性实在过高。但 Cooley 解释道，Series 3 平台具备物联网设备互联所需的核心构建模块，具体包括：

• 无线连接模块：包含射频收发器、功率放大器（PA）、射频开关、低噪声放大器（LNA）等大部分或全部射频前端组件，同时提供与外置功率放大器的接口。

• 应用处理器：通常是 ARM Cortex-M 系列微控制器（MCU），越来越多地用于运行实时操作系统（RTOS），并配备更大的片上内存以应对复杂任务。

• 人工智能加速器：通过神经网络处理单元（NPU）或硬件加速器实现，相比在 MCU 上运行软件，能更高效地执行人工智能和机器学习（ML）模型。

• 硬件安全模块：基于安全飞地（secure enclave）构建，作为硬件信任根（RoT），执行加密运算以抵御黑客入侵。

• 传感器接口：包括串行接口和通用输入输出接口（GPIO），辅以模数转换器（ADC）和模拟前端（AFE）其他组件，用于采集传感器数据。

• 外设模块：用于节省印刷电路板（PCB）空间并降低外部组件集成成本。例如，其 SiMG301 芯片中集成了 LED 预驱动器，可控制智能照明的调光功能。

Cooley 表示，通过聚焦物联网设备的核心需求，Series 3（从 SiXG301 和 SiXG302 开始）被精简为专为安全、稳健、智能连接设计的平台，无需额外消耗过多功耗和成本。

“我们专注于物联网连接领域，全心投入这一市场，”Cooley 指出，“我们拥有最广泛的无线技术产品组合，且坚信自己是该领域的技术领导者。”

Silicon Labs 认为，对物联网领域的专注使其相比那些分散研发资源于多个市场的公司，具备工程优势。“在公司投入层面，我们没有这些分散精力的业务，因此在芯片级工程设计上无需分散资源，”Cooley 说，“我们的技术决策目标明确。竞争对手能做到的，我们都能做到，但从长远来看，我们认为自己处于领先地位。”

多协议无线 SoC 的发展趋势

Cooley 表示，物联网正面临无线技术复杂性的瓶颈，而最新的 SoC 已具备解决这一问题的能力。

如今，物联网设备采用的无线协议种类繁多，许多协议的工作频段重叠或极为接近，这可能导致射频干扰、信号衰减和延迟增加。每种协议都有其独特作用：例如，智能门锁可通过蓝牙与智能手机配对，通过 Wi-Fi 实现远程控制和云连接，通过 Thread 网状网络集成到智能家居系统中。许多物联网设备必须能快速在不同协议间切换，或同时运行多种协议。

“这是一个多协议共存的世界，”Cooley 说，“永远不会有一款无线协议能一统天下。”

为摆脱无线技术的混乱局面，各企业正竞相推出能同时支持多种协议的芯片 —— 包括整合 Wi-Fi 与蓝牙、蓝牙与 Thread、Wi-Fi 与蓝牙与 Thread 与 Zigbee 等多种组合。这些芯片的核心价值在于：降低硬件复杂性、节省 PCB 空间（这对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协议间的射频干扰。

Series 3 首款多协议 SoC——SiMG301，将蓝牙低功耗（BLE）、Zigbee 和 Thread 集成于单芯片，瞄准智能照明、有线供电智能插座、传感器、开关和控制器等应用场景。

其核心是高性能 2.4 吉赫兹射频模块，发射功率最高可达 + 10 dBm，蓝牙接收灵敏度为−98.6 dBm，Thread 及其他 2.4 吉赫兹频段协议的接收灵敏度为−106.3 dBm。这在智能家居等射频环境日益拥挤的场景中，能有效降低干扰影响。

“如果能听到 2.4 吉赫兹频段的声音，那会是一阵杂乱的咔嗒声和 chirp 声，”Cooley 说，“我们的射频模块性能卓越，具备抗拥挤能力。”

该芯片采用独立的射频 CPU 核心控制所有无线连接，从协议栈到固件，使其能通过 “并发多协议” 技术动态切换协议，或同时运行 Zigbee 和 Thread 等协议。这确保了物联网设备之间无论使用何种协议，都能实现持续通信，并支持向后兼容。通过将蓝牙和基于 Thread 的 Matter 集成于单芯片，为 Wi-Fi 等额外功能的集成节省了空间。

SiMG301 具备可扩展功率放大器架构：高功率模式下，功率放大器输出 + 10 dBm，以实现最大传输距离或信号强度；低功率模式下，输出 0 dBm，以优化功耗。

从射频 SoC 到物联网 SoC 的转型

第一代物联网射频芯片需要外部协处理器来运行应用程序，但如今大多数无线 SoC 都配备了专用处理器，这让工程师更容易开发支持 Matter 协议的物联网设备。

与许多主流物联网芯片企业一样，Silicon Labs 坚信 Matter 将成为智能家居通信的标准方式。长期以来，不同厂商设备间的兼容性问题（由不同无线协议导致）导致市场碎片化，而 Matter 标准将整合这一市场。正是这类兼容性问题，促使 Apple、Google、Samsung 以及包括 Silicon Labs 在内的众多半导体企业，通过 Connectivity Standards Alliance（CSA）共同制定了这一开放标准。

该标准源自 “基于 IP 的互联家庭项目”（Project CHIP），支持智能恒温器、智能门锁、开关和照明等设备在本地互联，无需依赖云平台。

SiMG301 是 CSA 的 Matter Compliant Platform Certification 项目中的首批芯片之一，其配套软件开发工具包（SDK）已通过硬件核心 Matter 功能认证。Silicon Labs 表示，基于认证平台开发，工程师可直接沿用经过预测试的调试、组网和安全功能，降低产品认证的复杂性、成本和时间。

Series 3 基于多核架构，将应用处理与无线连接、安全功能分离，使其有足够能力处理更大的无线协议栈和计算密集型任务。SiMG301 搭载主频高达 150 兆赫兹的 Cortex-M33 内核，配备大容量内存：最高 4 兆字节的共封装闪存（用于程序存储）和 512 千字节的片上随机存取存储器（RAM，用于数据存储）。

该芯片还集成了更多通用输入输出接口，用于连接许多边缘设备中嵌入的传感器，以及其他模拟前端组件，以转换和调理传感器的模拟信号。

Silicon Labs 计划在多款 Series 3 SoC 中集成第二代 Matrix Vector Processor，以实现快速、低功耗的人工智能执行 —— 这与该公司最先进的 Series 2 SoC（MG26）的设计思路一致。它通过硬件加速器将机器学习运算从主 CPU 卸载，尤其是音频、视觉和其他传感器驱动的功能（如关键词识别和运动检测）。相比仅使用 CPU，NPU 的速度提升高达 10 倍，功耗降低 80%，大幅减少无线物联网设备的耗电量。

Series 3 将电源管理单元（PMU）集成于芯片内，以提升能效 —— 这对于 2026 年即将推出的面向电池供电物联网设备的 SiXG302 系列而言，将更为重要。

物联网的硬件安全连接技术

Cooley 表示，随着越来越多 “孤立设备” 接入物联网，硬件级安全正变得至关重要。

SiXG301 系列搭载了该公司最新的物联网安全防护模块（secure vault）。这一安全飞地获得了 Silicon Labs 所称的首个 PSA Level 4 认证 —— 这是 PSA Certified 体系中的最高级别。

Silicon Labs 表示，该安全防护模块通过抵御激光故障注入、侧信道分析、微探测和电压操纵等物理攻击，“提升了边缘设备的防护标准”。它集成了加固型信任根、生命周期控制功能，以及支持设备十年部署周期的安全空中下载（OTA）更新功能。Series 3 SoC 还具备四通道串行外设接口（QSPI）内存接口，支持运行时认证和加密。

Series 3 SoC 中的安全防护模块帮助开发者满足新兴法规要求，包括欧盟的无线电设备指令（RED）、网络弹性法案（CRA）以及美国的网络信任标记（Cyber Trust Mark）等。

“我们的产品已做好应对所有这些法规的准备，”Cooley 在谈到日益严格的物联网安全法规时表示，“我们无需重新设计整个产品组合，因为这些法规要求的功能需要深入硬件层面的电路支持。你需要物理不可克隆功能（PUF）、硬件信任根和加密密钥管理，这些都不仅仅是软件解决方案。”

该公司最新的创新之一与就地执行（XIP）技术相关 —— 处理器直接从外部闪存执行代码，无需先将其复制到片上内存。Series 3 的安全防护模块会在代码进入处理器时对其进行认证。

“在物联网设备功能日益丰富、普遍采用实时操作系统的背景下，必须支持内存扩展，因此我们打造了基本上是全球最安全的串行内存接口，而且我们能证明这一点，”Cooley 说。

物联网 SoC 的未来：集成化是核心

随着无线连接需求的增长，各企业正为 SoC 添加更多组件 —— 从射频模块、内存到处理器，以实现更智能的连接，同时平衡功耗和成本。Silicon Labs 表示，尽管其他企业采用全耗尽型绝缘体上硅（FD-SOI）工艺，但该公司选择升级至 22 纳米等更先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，不仅能减小芯片面积，还能在同一封装内节省空间，集成更多功能和内存。

Cooley 表示，未来物联网 SoC 的集成度将进一步提高。“我们能够充分利用摩尔定律的优势。但这是最后一代体硅 CMOS 工艺，接下来将转向鳍式场效应晶体管（FinFET）工艺。”