よりスマートなIoTを実現するマルチプロトコルモジュール技術の新たなトレンド

マルチプロトコルモジュール市場は2025年に大きく成長するでしょう。この成長は、新たな技術提携と新製品によってもたらされます。いくつかの重要な変化は、 マルチプロトコルモジュール SoC、ZigbeeとBLEを搭載した小型モジュール、そしてポスト量子暗号技術を用いたパートナーシップ。マルチプロトコル統合により、デバイス間の連携、省エネルギー、データセキュリティが実現します。これは成長を続ける市場を支え、IoTに新たなアイデアをもたらします。

• KORE Wirelessは、エリクソンのIoTアクセラレーターを購入することで、接続管理を改善した。

• SEALSQとWecan Groupは、ポスト量子暗号技術によってセキュリティを強化した。

• InnoPhase IoTとQuectelは、新しいマルチプロトコルモジュールを披露した。

主なポイント

• マルチプロトコルモジュール市場は急速に拡大している。新しい技術とチームワークによって、IoTデバイスは円滑に連携して動作する。これらの変化は、省エネルギーとデータ保護にも貢献する。

• 高度なマルチプロトコルモジュールは、小型チップに複数の無線規格を搭載しています。これらのチップは消費電力が少なく、デバイスは異なるネットワーク上で相互に通信できます。これにより、スマートアプリケーションの動作が向上します。

• 優れた相互運用性、低消費電力、そして強化されたセキュリティは、マルチプロトコルモジュールの強みです。これらは、スマートホーム、産業、医療、そして交通機関の効率性を向上させ、これらの場所の信頼性を高めます。

市場動向

マルチプロトコルモジュール市場の成長

マルチプロトコルモジュール市場は非常に急速に成長しています。2023年には約70億ドル規模でしたが、専門家は2033年までに150億ドルを超えるだろうと予測しています。この市場は2025年から2033年にかけて毎年15%ずつ成長すると見込まれています。これは、IoTデバイスやスマートホーム、工場での自動化が進むにつれて、利用者が増加しているためです。NXP、テキサス・インスツルメンツ、STマイクロエレクトロニクスなどの大手企業は、研究開発に多額の投資を行っています。これらの企業は、より優れた新しいマルチプロトコルモジュールの開発を目指しています。アジア太平洋地域はこの市場において最大の地域であり、中国が市場の半分以上を占めています。北米とヨーロッパも急速に成長しており、スマートシティプロジェクトや安全で省エネなモジュールに関する規制がこれらの地域の成長を後押ししています。

業界の推進要因

マルチプロトコルモジュール市場の成長を後押しする要因は数多くあります。デバイスは、異なるプロトコルを使用していても、互いに容易に通信できる必要があります。マルチプロトコルモジュールは、Bluetooth、Wi-Fi、Zigbee、Threadに対応しています。これにより、デバイス間の連携が容易になります。新しいチップセットやモジュールの登場により、これらのデバイスのコストが削減され、消費電力も低減されています。ネットワークによっては、有線と無線の両方を使用するものもあり、企業にとって選択肢が広がります。インダストリー4.0、クラウド利用、リアルタイムアップデートも市場の成長を後押ししています。マルチプロトコルゲートウェイにより、工場、病院、スマートホームの接続が容易になります。また、モジュールが小型化し、より多くの無線機能を搭載し、多くのプラットフォームに対応できるようになったことも、市場の成長に貢献しています。

技術の進歩

マルチプロトコルモジュールの統合

マルチプロトコル統合により、IoTネットワークの仕組みは大きく変化しました。エンジニアは、1つのチップで複数の無線規格に対応したモジュールを開発しています。村田製作所のType 2FR/2FPモジュールはその好例です。これらのモジュールは、Wi-Fi 6、Bluetooth 5.4、OpenThreadに対応しています。小型なので、様々なデバイスに搭載可能です。また、Matterエコシステムとの連携により、容易な通信を実現します。さらに、260MHzのArm Cortex-M33 MCUを搭載することで、消費電力を抑え、高いセキュリティを実現しています。

STマイクロエレクトロニクスは、より優れたマルチプロトコルモジュールも製造しています。ST67W611M1モジュールは、Qualcomm QCC743 SoCを採用しています。Wi-Fi 6、Bluetooth 5.3、Thread、およびMatter over Wi-Fiに対応しています。これにより、モジュールの設計が容易になり、STM32エコシステムとの互換性も向上します。モジュール式のハードウェア設計により、Wi-Fi、LoRa、BLEをシンプルな部品に統合することが可能になりました。これらの設計により、エンジニアはプロトコルを容易に切り替えることができます。また、統合されたSDKを使用することで、デバイスの構築が70%簡素化されます。

モジュール式のアップグレードにより、エンジニアは機能を迅速に追加または変更できます。これにより、デバイスの拡張とアップデートが容易になります。チップレットベースの統合により、設計の柔軟性が向上し、消費電力を削減できます。チップレットはより多くのチップの製造を可能にし、設計の選択肢を広げます。これにより、マルチプロトコルモジュールの設計が向上します。

マルチダイアーキテクチャは、これらの新しいモジュールにとって重要です。ESP32-S3デュアルコアを搭載したCrowPanelのようなヘテロジニアスコンピューティングは、グラフィックス処理とプロトコル処理を分離します。これにより、多くのプロトコルを使用する際にデバイスの安定性と高速性を維持できます。デバイス上のAIは、害虫の発見などのリアルタイムタスクを支援し、消費電力も少なくて済みます。拡張モジュールは、ハードウェアを変更することなく交換できます。ハードウェア抽象化レイヤーは、多くのプロトコルを同時に実行できるため、デバイスの信頼性が向上します。

マルチプロトコルゲートウェイは4つのレイヤーを使用します。ハードウェア抽象化レイヤーは、多様なハードウェアに接続します。プロトコル解析エンジンは、多数のプロトコルスタックを処理します。データ標準化にはISO/IEC 19464を使用します。アプリケーション適応レイヤーは、RESTful APIとMQTTを提供します。適応型プロトコル学習は、ディープパケットインスペクションを使用して新しいプロトコルを検出します。グラフィカルツールは、新しいプロトコルを迅速に追加するのに役立ちます。エッジコンピューティングは、データを高速に処理し、低遅延かつ高速にプロトコルを変更するのに役立ちます。

これらの新しいモジュールにより、産業用IoTはさらに進化します。スマートグリッドゲートウェイは、多数のデバイスからのデータを単一のフォーマットに統合します。これにより、データ共有が高速化されます。マルチプロトコルエッジゲートウェイは、クラウド処理を軽減し、デバイスが異なるプロトコルを使用できるようにします。

無線プロトコルの進化

無線接続はますます進化しており、マルチプロトコル技術の革新を後押ししています。シリコンラボは、ZigbeeとBluetooth LEを1つのチップ上で動作させるソフトウェアを開発しました。これにより、ハードウェアが簡素化され、コストを最大40%削減できます。Wireless GeckoのようなマルチプロトコルSoCは、Bluetooth、Zigbee、Z-Wave、LoRaをサポートしています。これらのチップは、デバイスが異なる無線周波数帯域間で通信することを可能にします。

マルチ無線ソリューションは、異なるプロトコル用に2つの無線機を使用します。これにより、スマートメータリングにとって重要なパフォーマンスの問題を回避できます。シングル無線ソリューションはタイムスライシングを使用しますが、処理速度が低下する可能性があります。マルチ無線ソリューションは性能は優れていますが、コストが高く、サイズも大きくなります。

新たなパートナーシップにより、Bluetooth、Zigbee、Z-Wave、LoRaに対応したマルチプロトコルSoCがゲートウェイに搭載されるようになりました。これらのチップは省スペースでコストも削減できます。マルチプロトコルSoCは、デバイスが複数のRF帯域で通信できるようにすることで、大規模なIoTネットワークの構築を容易にします。Wi-Fiは消費電力が大きいため、エッジデバイスではあまり使用されていません。そのため、マルチプロトコルSoCは低消費電力プロトコルに重点を置いています。

現時点ではすべてのIoT無線プロトコルを実行できるチップは存在しないが、マルチプロトコルSoCは最も重要なプロトコルをカバーしている。

無線プロトコルの改良により、デバイス間の連携とデータ送信速度が向上します。IoTゲートウェイに搭載されたAIは、Zigbee、LoRaWAN、Bluetooth間でデータをリアルタイムで変換します。ゲートウェイに搭載された5Gモデムは、非常に高速で低遅延の接続を実現します。5GゲートウェイにおけるAIを活用したエッジコンピューティングは、デバイスの意思決定とデータ送信を迅速化します。

1. 組み込みプロセッサとAIは、リソースとプロトコルをリアルタイムで管理するのに役立ちます。これにより、エネルギー消費が削減され、多くの無線規格においてデバイスの高速動作が維持されます。

2. 無線SoCにおけるスマートスケジューリングは、干渉と遅延を低減します。これは、どのトラフィックを優先的に送信するかを選択し、無線信号を管理することによって実現されます。

3. Matterのような規格を利用することで、Wi-Fi、Thread、Bluetoothといった技術を統合し、デバイス同士の通信が容易になります。これにより、デバイスの接続がより簡単になります。

4. マルチプロトコル対応により、デバイスは異なるプロトコル間で通信できます。これにより、データの送信速度が向上し、待ち時間が短縮されます。

5. 拡張性の高い設計は、ファームウェアのアップデートを容易にし、デバイスの追加に伴って正常に動作し続けることを可能にします。

6. ハードウェアとソフトウェアの共存機能により、混雑した周波数帯域での干渉が防止されます。これにより、接続が安定します。

7. クロスプラットフォーム接続により、デバイス、ゲートウェイ、クラウドサービス間でデータを容易に共有できます。これにより、システムの動作が向上し、ユーザーにとってメリットとなります。

マルチダイチップ設計により、無線接続の性能が向上します。モジュール式のアップグレードにより、エンジニアは機能の追加や変更を容易に行えます。これにより、デバイスの拡張性が向上します。チップレットの消費電力と発熱を低減することで、電力効率が向上します。1つのパッケージに異なるチップレットを混在させることで、エンジニアはカスタムの高性能設計を実現できます。新しいパッケージングと接続規格により、チップレット間のリンク速度の低下や過剰な電力消費といった問題が解決されます。これにより、デバイスの動作性能が向上します。

5G技術は、マルチプロトコルネットワークにおける無線接続にとって非常に重要です。5Gモデムは高速かつ低遅延を実現し、重要な業務や多数のデバイスにとって不可欠な機能を提供します。5GゲートウェイにおけるエッジコンピューティングとAIは、デバイスの意思決定を支援し、より効率的な動作を可能にします。これらの新しい技術は、デバイス間の円滑な通信と、大規模なIoTネットワークにおけるネットワークの拡張に貢献します。

相互運用性とパフォーマンス

マルチプロトコル接続

マルチプロトコル接続は、今日のIoTネットワークにとって非常に重要です。エンジニアは、複数の無線規格に対応したシステムを構築する際に、多くの課題に直面します。例えば、ハードウェア設計の難しさ、ソフトウェアの複雑さ、リソース不足などが挙げられます。チームは、多くの周波数帯域とプロトコルに対応するSoCを開発する必要があります。しかも、コスト増や使いやすさの低下を招くことなく、これを実現しなければなりません。ソフトウェアは、スムーズに動作し、プロトコル間の切り替えを高速に行う必要があります。また、CPUやメモリを無駄に消費してはなりません。

• ハードウェアは、多くの無線機や周波数帯に対応する必要があります。

• ソフトウェアは互いに干渉しないように、うまく連携して動作する必要があります。

• CPU、メモリ、電力には限りがあるため、チームはそれらを賢く使う必要がある。

• チームは様々な場所からプロトコルスタックを使用しているため、事態はより複雑になる。

• 周波数帯域が重なり合う場合があるため、無線周波干渉が発生する可能性があり、特別なフィルターが必要になります。

• プロトコルを切り替えると、処理速度が低下したり、パケットが失われたりする可能性がある。

複数のプロトコルが共存することで、状況はさらに複雑になります。デバイスは同時に多くのプロトコルを処理する必要があり、ハードウェアとソフトウェアの連携が不可欠となります。QorvoのConcurrentConnectテクノロジーは、こうした課題の解決に役立ちます。このテクノロジーにより、デバイスは異なるプロトコルで同時に通信できるようになります。つまり、待ち時間が短縮され、パケット損失も減少します。特殊なBAWフィルタはRF干渉を抑制するのに役立ち、ネットワークの規模拡大と信頼性向上に貢献します。

マルチプロトコル接続により、IoTデバイスは異なるネットワーク間で通信できるようになります。これにより、システムの拡張や変更が容易になります。

シームレスなデバイス通信

優れたデバイス間通信には、ハードウェアだけでは不十分です。マルチプロトコルモジュールはヘルパーのように機能します。MQTT、CoAP、REST/HTTP、AMQP、WebSocketなど、多くのアプリケーション層プロトコルをサポートします。これらのモジュールは、プロトコル間でメッセージを変換します。これにより、異なるルールを使用しているデバイスやサービスでも連携して動作できます。RabbitMQやPonteなどのオープンソースのメッセージブローカーは、これらのプロトコルの接続を支援します。OM2Mなどのフレームワークは、共通のサービス層を提供します。Dockerを使用すると、これらの要素をさまざまな方法でセットアップできます。

相互運用性の問題を解決するために、業界ではいくつかの解決策が用いられています。

1. プロトコルに依存しないIoTフレームワークは、デバイスが様々なプロトコルを使用して通信することを可能にする。

2. カスタムAPIを使用すると、異なるプラットフォーム間でデータを移動および接続できます。

3. 安全な設計では、暗号化と認証を使用して安全性を確保します。

4. エッジコンピューティングは、待ち時間を短縮し、帯域幅を節約し、リアルタイムデータの処理に役立ちます。

5. IoTゲートウェイは、さまざまなプロトコルを接続し、データのスムーズな転送を実現します。

メーカーはMQTTやCoAPといった標準プロトコルやフレームワークも利用しています。これらはIETFやIEEEなどの団体によって策定されました。他の企業や団体と協力することで、オープンスタンダードの実現につながります。ULやNISTなどの団体によるテストと認証は、デバイス間の連携と安全性を確認するものです。AWS IoT GreengrassやAzure IoT Hubといった相互運用プラットフォームやゲートウェイは、プロトコルを変更することでデバイス間の通信を可能にします。エッジコンピューティングは、データが発生した場所の近くでデータを処理します。これにより待ち時間が短縮され、処理が容易になります。

パフォーマンス指標は、マルチプロトコルIoTシステムにおいてデバイス間の通信が円滑に行われているかを確認するのに役立ちます。エンジニアはCPUとメモリを監視してゲートウェイの問題を特定します。また、ネットワークスループットをチェックしてデータ転送量を把握します。トラフィック制御によってシステムの安定性と高速性を維持します。負荷分散によって処理負荷が分散され、特定のデバイスが過負荷になるのを防ぎます。データ圧縮は帯域幅を節約しつつデータの安全性を確保します。障害発生後には、再起動やデータ再送信などの障害回復機能が役立ちます。プロトコル適応レイヤーは、プロトコル変更時にデータの安全性を維持します。

マルチプロトコル接続と良好なデバイス間通信は、IoTにおけるデバイス連携を可能にします。これらの新しいアイデアにより、多くの企業やプラットフォームのデバイスが一体となって動作するようになります。マルチプロトコルモジュールは、これを実現する上で非常に重要です。

効率性とセキュリティ

低消費電力マルチプロトコル

IoTにおいて、低消費電力マルチプロトコルモジュールは非常に重要です。メーカーは、64MHzのArm Cortex M33Fのような超低消費電力プロセッサを使用しています。これらのチップはエネルギー消費の削減に貢献します。多くのモジュールはBluetooth LE、Thread、Matterに対応しており、デバイス間の通信を容易にします。一部のモジュールはエネルギーハーベスティング機能を搭載しており、バッテリーなしで動作したり、長時間駆動したりすることができます。これにより、遠隔地や大規模プロジェクトにおいても、頻繁なバッテリー交換を避けることができます。

• 高度な電力管理システムは、必要に応じてエネルギー使用量を変更します。

• ディープスリープモードでは消費電流がわずか1µAと少なく、バッテリーの寿命が長くなります。

• 拡張可能なメモリは、各プロトコルとアプリケーションのニーズに合わせて調整可能です。

• ピン互換性により、古いSoCのアップグレードが容易になります。

マルチダイアーキテクチャは、さらに効率性を高めます。特定のタスクに異なるチップレットを使用することで、電力と熱の無駄を削減します。これらの新しいアイデアは、コスト削減と環境に配慮したIoTの成長を促進します。

セキュリティイノベーション

接続するデバイスが増えるにつれて、セキュリティの重要性が高まっています。Secure Vaultテクノロジーのような新しいアイデアは、データと鍵を安全に保護します。モジュールは現在、Arm TrustZoneのようなハードウェアセキュリティを使用しています。これにより、安全なジョブと通常のジョブが分離されます。ハードウェアアクセラレータは暗号化とハッシュ化を実行し、ハッカーからデータを保護します。

• ハードウェアの信頼の基点（Root of Trust）は、デバイスが本物かどうかを確認します。

• セキュアブートモードは、不正侵入を防ぎます。

• デバイスは暗号化によってサイドチャネル攻撃に対抗し、データを安全に保ちます。

マルチダイ設計により、メーカーは特殊なセキュリティチップレットを追加できます。これにより、セキュリティが強化され、処理速度も維持されます。これらの機能は、EUサイバーレジリエンス法などの規制への準拠に役立ちます。IoTの普及に伴い、これらの新しいアイデアはデバイスの安全性と良好な動作を維持する上で不可欠です。

実世界での応用例

スマートホーム＆ビルディング

マルチプロトコルモジュールは、スマートホームやスマートビルディングの利便性向上に役立ちます。RF-BM-2651B1モジュールは、Thread、Zigbee 3.0、Bluetooth 5.2 Low Energyなどに対応しています。これらのモジュールは、スマートロック、家電製品、アラーム、センサーなどに使用されています。以下の表は、これらのモジュールがさまざまな面でどのように役立つかを示しています。

Open M.2 Smart IoTモジュールは、Nordic nRF52840 SoCとEdge TPU AIアクセラレータを採用しています。このモジュールはセンサーデータを収集し、AIを実行し、複数のプロトコルで通信を行います。スマートドアベル、ロボット掃除機、オフィス監視などに使用されています。マルチプロトコルモジュールはエネルギー管理を支援し、デバイス間の連携を可能にします。LOYTECコントローラとDeltaのEMSは、最大20%のエネルギー削減に貢献します。Bluetoothメッシュは照明や空調の制御を支援し、コスト削減とデバイスの長寿命化を実現します。

産業用IoT

マルチプロトコルモジュールは、工場の効率性と安全性を向上させます。これらは、工程チェック、機械の状態監視、物品の追跡などに使用されます。Bluetooth Low Energyは、遠隔地の物体を追跡し、大量のデータを送信するのに役立ちます。EFR32MG24 SoCは、工場自動化のためのメッシュネットワークをサポートします。エッジAIと機械学習はABB Genix上で動作し、問題の早期発見を支援します。これらのツールは、IoTの世界において工場の安全性と効率性を向上させます。

医療機器

マルチプロトコルモジュールは、医療機器の接続方法を変革します。BLE、Zigbee、Threadに対応し、機器同士の通信を可能にします。主な利点は以下の表に示されています。

医師はこれらのモジュールを使って遠隔地から患者の様子を観察できます。ホームゲートウェイはデバイスのデータを遠隔医療用の医療データ形式に変換します。安全なシステムはライブ映像とデータを送信し、迅速な診察や検査を可能にします。

交通機関

マルチプロトコルモジュールは、輸送のスマート化に貢献します。GAO Tekのゲートウェイハブは、Wi-Fi、BLE、Zigbeeを使用して、追跡、機械の点検、燃料の監視を行います。Digiのルーターは、トラック、バス、列車を接続し、点検や乗客支援に利用されます。ハイブリッドゲートウェイは、CAN、LIN、FlexRay、イーサネットなどを使用してデータを管理します。これらのゲートウェイは、車両間および外部ネットワーク間でデータを転送します。ゲートウェイに搭載されたAIと機械学習は、問題の発見と安全性の確保に役立ちます。マルチプロトコル対応により、車両間でのデータ共有が容易になり、スマートな移動とコネクテッドカーの実現に貢献します。

今後の見通し

マルチダイ＆HPC

Multi-die designs are changing how multiprotocol modules work. Engineers use 2.5d and 3d multi-die designs to make chips better. These designs help chips work together for hpc jobs. They can handle lots of data for high-performance computing. New interconnect standards like PCIe 7.0, 224G Ethernet, Ultra Ethernet, and UCIe IP help chips talk fast. Multi-die designs are now in big AI training chips. These chips use 40G UCIe and 224G Ethernet to move data quickly. 100T switch SoCs use both electrical and optical parts for big hpc networks. Retimers and special tools keep signals strong and support PCIe and CXL. PCIe helps servers talk inside with low delay. Ethernet and UCIe IP help servers talk to each other fast. Multiprotocol PHYs and IP are needed for new hpc and AI data centers.

By 2025, experts think half of new hpc chips will use 2.5d and 3d multi-die designs. Foundries are getting ready with better ways to make chips.

Standardization

Standardization is important for multiprotocol module ecosystems. The UCIe standard makes it easier to connect chip parts. This helps engineers build and manage multi-die designs. The table below shows how UCIe versions have changed:

Matter is a smart home protocol that helps standardization. It lets devices from different brands work together. This makes things easier and cheaper for makers. Certified Matter devices help people trust and use them more.

Ecosystem Growth

The multi-protocol module industry is growing fast. The U.S. market for multi-protocol gateways may double by 2033. This is because of Industry 4.0 and smart factories. Companies spend money on safe, scalable multi-die solutions for better security and working together. Partnerships, buying other companies, and new ideas in cloud and edge computing help the ecosystem grow. Strong competition brings more teamwork and better technology. New uses like real-time data, predictive maintenance, and remote checks use AI and machine learning to work better. Texas, Ohio, and new places in the Southeast and West Coast are growing. Digital change, following rules, and new ideas will keep shaping multiprotocol module technology.

The multiprotocol module market is changing how iot works. Companies are growing fast because of new wireless protocols and better security. The table below gives easy tips for businesses and developers:

• スマートフォンはゲートウェイやハブとして機能し、デバイス間の連携をより円滑にするのに役立つ。

• 同じプロトコルとミドルウェアを使用することで、あらゆるものをより簡単に接続できるようになります。

• リアルタイムアプリは、デバイス同士が直接通信する場合にうまく機能します。

• チームは、常に市場の新しい動向を学ぶことで、優位性を維持する。