引言

20世紀70年代，微處理器的出現使得微型機可以嵌入到一個對象體系中，實現對對象體系的智能化控制。人們把實現對象體系智能化控制的計算機系統，稱作嵌入式計算機系統。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”。隨著微電子技術的飛速發展，計算機技術快速與各行各業應用的廣度融合、深度嵌入，使得嵌入式應用日益廣泛、嵌入式產品形態各異、無處不在，也使得嵌入式系統概念的內涵和外延發生了巨大變化。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的基礎

微電子產業是關系到國民經濟和社會發展全局的基礎性、先導性和戰略性產業，是國家發展水平和綜合國力的重要標志，是新一代信息技術發展的核心和關鍵。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迅速發展的永恒動力。

回顧嵌入式計算機的起源與發展，可以清晰地看出微電子技術是嵌入式技術的發展基礎。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，被廣泛地應用于儀器儀表、醫療設備、家用電器等各行各業，形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，并出現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）轉換、D/A（數模）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）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可能。集成電路因此快速發展到SoC階段，SoC為嵌入式系統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技術的發展進一步加速了嵌入式系統升級換代的速度、小型化的實現程度，也決定了嵌入式系統普、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的核心。

系統級封裝技術（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（MEMS）組成的系統功能集中于單一封裝體內，構成一個微系統器件的技術。SiP技術是基于封裝手段實現嵌入式系統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）的集成度提出極大挑戰，規模、集成度、復雜度指數級提升。例如，英偉達2019年發布的旗艦 GPU Volta GV100高達800mm ，據悉今年即將推出的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Cerebras Systems的AI芯片，面積更是達到了46 225mm ，片上SRAM（靜態隨機存儲 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，為解決高復雜度、超大規模異構系統的可制造性及成本問題提供了一種新的思路。據統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，可以為AI計算帶來更多的靈活性和新的發展機遇。

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

2.應用牽引著嵌入式技術的發展方向

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。工業化時代，儀表控制、工業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、通信及網絡快速發展，每個時代都離不開嵌入式技術。

虛擬現實、大數據、云計算、物聯網、5G、區塊鏈、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。隨著未來物聯網、大數據、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、革新對嵌入式系統軟硬件生態提出更多要求。早期僅有面向工業控制的微控制器，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，嵌入式系統芯片種類迅速增長、復雜度指數級提升。飛機、汽車、手機、手表等不同應用領域都出現了定制的異構、多核嵌入式 SoC系統芯片。快速發展、不斷細分的應用場景要求嵌入式系統更加專業化、定制化。人工智能的陸續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的發展趨勢。處理器功能的日益復雜，應用場景的多樣化對軟件生態也提出更高要求。

隨著嵌入式系統在金融、飛機、汽車、核電等高安全領域應用日益廣泛，對嵌入式系統的安全性、可靠性、可信任性提出更高要求。各行各業產生了各種軟硬件研制規范、標準及過程管控體系，研制出相應的處理器和操作系統。隨著應用復雜度的不斷提升、嵌入式系統規模的不斷擴大，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。應用將持續牽引嵌入式各項技術協同、可持續發展。

3.計算機技術是構建嵌入式系統的核心

應用牽引嵌入式技術協同發展，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，快速實現了工業控制、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，促進了移動通信設備的發展；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，促進可視化工業控制、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更是引發了智能手機的熱潮。2006年GPGPU的誕生指數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據處理嵌入式系統；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新都為嵌入式技術增添新的活力，使得嵌入式系統具有豐富的功能、強大的性能以及更好的實現效能，推動各類應用快速落地。

4.軟件技術是嵌入式系統的靈魂

軟硬件協同是嵌入式一大特征，伴隨著嵌入式快速發展，嵌入式軟件也得到了極大的發展。開發語言從早期的以匯編、C語言為主，發展到現在C++、Python、JAVA，編程語言百家爭鳴一方面擴展了嵌入式系統的應用空間，另一方面將專業更加細分，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的出現更為嵌入式系統的發展增添了強勁動力。

在面向智能化的今天，嵌入式軟件的發展已打造出面向各種應用領域的軟件生態系統，以Android為代表的消費類手機終端等生態、以ROS為代表的機器人生態和以Apollo為代表的無人駕駛生態等，這些嵌入式開發生態都是以嵌入式軟件技術為核心，統一軟件架構及用戶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。嵌入式生態系統的出現不僅促進了面向應用領域的嵌入式系統的有序發展，更進一步促進了產業發展中的應用需求與硬件的快速融合。縱觀嵌入式系統的軟硬件發展歷程，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。

隨著嵌入式系統的日益復雜，軟件生態的復雜度、規模指數級增長，人工智能的落地更加速了軟件生態復雜度的提升。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，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、互聯網、航天等領域的應用軟件開發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、協同設計，共同構建安全 可靠、可信任系統。可信軟硬件生態協同設計將成為研究熱點。

5.嵌入式人才培養是國內的短板

嵌入式開發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，基本上是停留在應用層面。系統及軟硬件平臺如何構建，以及軟硬協同綜合開發才是關鍵及核心，這些綜合能力的培養是創新人才培養的關鍵，但明顯不足。系統思維、多學科綜合、軟硬件協同開發及創新能力等，也很難在單一學科及專業方向上能夠培養出來的。強調創新技術、應用綜合能力培養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調性，導致學校人才培養與企業創新發展急需的嵌入式人才脫節。企業“辦大學”來培養所需的人才已經成為常態，亦屬無奈之舉。

嵌入式行業需要大量人才，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存在嚴重短板，遠不能滿足產業發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體系，需要行業與高校靜下心來認真思考，拿出切實可行的解決策略。學校、科研機構要立足發展所需“，把論文寫在祖國的大地上”。企業要多提供一些實踐、實訓崗位和廣闊的科研“大地”，讓師生能夠潛心到企業的科研實踐中。

6.結論

本文回顧了嵌入式技術的起源與發展，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間的發展關系。通過技術的演進，指明了嵌入式技術未來發展趨勢和未來的研究重點。最后剖析國內嵌入式系統人才培養的不足，提出高校和企業在嵌入式人才發展上要立足各自需求，協同、創新發展。
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