透過SoC建構物聯網低功耗方案

為讓系統更具節能優勢，關鍵元件在功耗控制已進階至μA即可運行水準，圖為STMicroelectronics MEMS元件。STMicroelectronics

物聯網IoT應用需求暴增，不管是工業自動化的感測終端，還是連結雲端整合的應用終端，都需要更低功耗同時又兼具多元聯網技術的運算平台架構應用，透過SoC或高階整合技術建構物聯應用解決方案，即成為開發物聯網應用終端重點…

在物聯網概念、萬物聯網的智慧應用環境趨勢，衍生如工業4.0物聯應用、車聯網的智能交通應用、家庭設備聯網的智慧家庭，甚至是各產業智慧醫療的物聯應用體現，都需要具備聯網能力的智能終端進行資料擷取、分析與聯網整合，而關鍵的終端平台設計要能滿足這些應用設計需求，除了是終端設備本身的運算能力需滿足基本應用條件外，終端本身的運行功耗更是一大考驗。

物聯網進入實質服務部署 運算平台要求更高

物聯網應用已經過應用開發、試點等測試研發階段，對於物聯網解決方案的要求不再只是運算能力與擴充性，而是進階至穩定性、耐用度與運行功耗等要求，尤其是物聯應用最受關注極為各感測終端由小數據匯集的大數據分析應用，若終端不穩定或耗能過高導致整個物聯服務在終端資料擷取的穩定性與設置成本過高，都會使得物聯應用網絡應用受影響，影響後續進階物聯網服務部署的導入成效，甚至會影響整個物聯應用品質與實際效用。

觀察物聯網應用的主控晶片市場，在2015年已呈現更嚴苛的競爭環境，由物聯網應用帶動的主控晶片超低功耗、少量多樣設計需求外，主控晶片使用的運算方案也同時加入更多競爭對手，如ARM、x86、MCU甚至是更多元的運算控制方案均有對應產品加入戰局，其中具備低功耗、自動控制市場應用市場優勢的MCU微控制器開發商，乘勢推出多種整合式MCU，將通用運算核心、無線通訊模組、嵌入式記憶體、感測器、射頻模組、電源管理等通通整合至SoC(System on Chip)系統單晶片方案之中，搶食物聯應用市場大餅。

MCU大廠積極發展SoC方案 搶食物聯網終端晶片市場

除MCU大廠積極開發物聯應用SoC產品外，在桌上型電腦、筆記型電腦等主力供應高負載運算用途通用處理器的PC晶片大廠，也紛紛推出自有架構、製程進階優化的行動版運算晶片，甚至再從行動版晶片擷取功耗、運算效能優化的開發經驗，再針對物聯網應用擴增針對物聯應用設計的SoC整合運算平台，再透過開放平台架構積極搶攻物聯應用市場。

不同的是PC運算晶片業者擁有常規處理器的龐大開發資源奧援，推出基於x86架構的物聯網開發平台，可讓開發資源可自原有PC開發資源延伸，減輕開發難度與資源，加上PC晶片大廠透過運算架構優化與晶片物理製程與工法多重改善手段，不僅讓x86架構可達到物聯應用的運行門檻，整體SoC化的架構讓終端運算載板能有效縮小，運算能力、功耗表現、終端體積均能達到物聯網應用要求，其後續衍生物聯網應用不容小覷。

有趣的是，在這波物聯網應用中，原本在行動裝置、智能裝置發展熱潮乘勢而起的通訊晶片業者，簇擁ARM運算架構推出多款行動運算晶片，也從多核心整合的SoC優化架構方向成功讓行動處理器性能、功耗各方面提升智慧裝置的運作體驗，而隨著智慧手機、平板電腦產品市場競爭趨白熱化、市場成長趨緩，通訊晶片業者也轉而積極投入新興物聯網運算平台開發，以在通訊晶片累積的運算架構平台性能、功耗優化經驗，積極開發結合高效能CPU運算、無線通訊、多感測器整合等應用需求，物聯應用解決方案市場競爭日趨白熱化。

以ARM為基礎 發展低功耗、超低功耗SoC更具優勢

而ARM在發展低功耗、甚至是超低功耗方面，則有相當程度的優勢基礎，ARM若在搭配90nm的LP製程優化下，最新一代的Cortex-M0+處理器號稱已可達到9μA/MHz超低功耗表現，相關技術方案已獲Freescale、NXP Semiconductors等業者導入產品設計，使用Cortex-M0+為基礎發展初期物聯應用也有不錯的系統擴展彈性，例如，Cortex-M0+處理器使用開發資源，可與即時作業系統(RTOS)相容，投入Cortex-M0+進行開發也可銜接ARM Cortex-M系列的產品生態系統支援，若在運算需求、效能需求增加時，也可將開發成果移植升級至更高性能的Cortex-M3、Cortex-M4處理器運算平台。

物聯網運算平台，在常見的部署應用情境，通常不會以高效能、高密度運算應用為主，對於通用處理器的運用方式，並不會優先以高效能、高階製程的處理器優先，反而會以低功耗、甚至是超低功耗的通用處理器，並針對各功能晶片的整合程度、載板佔位面積等各方面考量選擇。

在感測終端設計的評估重點應會以功耗、整合度、封裝尺寸、系統部署資源等作為選用重點，新一代針對物聯網需求開發的SoC為了便於開發終端部署，甚至還整合了多頻、多協定的無線通訊實體層支援，並直接在SoC內整合如多種感測元件、電源管理模組等，透過晶片級功能封裝整合多種應用功能，再搭配客製化的電源管理機制建構物聯網運算平台SoC，滿足不同領域物聯應用的通用運算、聯網應用、終端-雲服務銜接的功能整合需求，透過高度整合的晶片設計，在元器件數量與系統設計均可大幅壓縮開發成本。

MCU整合網通模組 提升物聯SoC服務部署優勢

在MCU廠商方面，如Silicon Labs、Microchip、STMicroelectronics、Texas Instruments…等，多全力投入物聯網應用SoC市場開發，這些業者主要關注的整合重點多放在如ARM為基礎的低功耗Cortex-M系列MCU產品的設計延伸，整合如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Thread與Sub-GHz等無線傳輸連結方案，不同業者大多有其關注地無線方案，也針對不同物聯網應用市場需求推出不同無線整合配套SoC產品，業者期待能在物聯應用市場逐步走向投放實際應用時，搶搭市場SoC需求快速推出參考設計平台，取得更有利的物聯網晶片市場發展定位。

尤其是物聯網應用SoC解決方案，產品的關鍵重點除在功能的高度整合度外，其實晶片商還須熟悉原有MCU市場對功能整合的要求，業者必須具備MCU、無線通訊模組與μA/MHz等級的低功耗、甚至超低功耗的進階電源管理技術，同時還能在SoC整合階段結合MCU本身的核心數位邏輯製程設計，最困難的是這類SoC由於必須整合無線通訊射頻收？發模組，因此射頻功能的無線電、電源供應甚至搭配多感測器？MEMS的數位？類比混合訊號整合製程，SoC製程不僅更為繁複，增加後段驗證產品功能的難度。

而在無線功能整合上，晶片開發商必須同時發展ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Thread與Sub-GHz的無線通訊應用的軟體堆疊(Software Stack)方案、並提供高整合的開發工具以縮短業者開發週期，這也增加了這些物聯晶片的整合複雜度。

先前也提到，參與這波物聯網應用運算平台，除了MCU業者外，其實另一方強勢競爭的PC晶片業者更是來勢洶洶，因為PC晶片業者本身具備更高的資本優勢與豐沛的研發資源，甚至還具有晶片生產端、晶片製作的直接奧援，但實際上在開發低功耗甚至超低功耗的整合經驗，仍以MCU晶片業者更具經驗優勢。

因為物聯網SoC平台與常規運算不同的是，在元件成本有嚴苛的成本限制，在效能、功耗、功能與成本需能達到物聯應用終端的需求，開發與整合的難度相當高，這也讓具備成本與運行功耗優勢的Cortex-M0+/M3/M4等運算核心較有機會達到物聯運算平台的設計需求，而對於無線整合技術能力方面，Bluetooth 4.2、ZigBee…等支援IP網絡的Mesh Network低功耗無線連結標準，也是發展物聯運算平台不可少的關鍵網通技術。