电子技术——实现物联网愿景的基础

艾欧体(Aiouti)物联网资讯:物联网(IoT)议题持续发烧,在技术、应用、及商业模式快速发展的情况下,越来越多联网设备进入日常生活中,为生活带来更多便利性,同时也造就庞大的市场商机。

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根据美国消费科技协会(Consumer Technology Association;CTA)报告,物联网设备是2016年消费性电子产业的重点产品,预估将为市场创造2870亿美元的商机,而调研机构IDC则认为,物联网市场将于2020年达到8.9兆美元,摩根史坦利更预测,物联网将在未来10年内创造14.4兆美元的营收。

在这股物联网商机背后,不只电子产业的关键技术、关键零组件开发与订制化服务能力,扮演了重要的支持力量,物联网的应用也为电子产业创造未来10年的成长动力。

电子技术 实现物联网愿景的基础

物联网的系统架构,大致上可以分为感知层、网络层和应用层,这3层各司其职、却又环环相扣,共同架构出物联网的服务。感知层是物联网架构的基础,负责数据的搜集、储存与简单运算,其会随着物联网应用的类形而有所不同,应用于消费端的通常像是穿戴式设备、智能家电、智能汽车、服务型机器人等,如果是应用在工业/商业环境,则可能是智慧机械、无人机、环境传感器等。

而网络层位在感知层上面,负责将数据传送到云端平台,方便用户通过网络存取平台上的信息,通常会使用3G/4G、Wi-Fi等长距离无线通信技术。最上层的应用层,则是将物联网终端设备所搜集到的各种资料进行分析与运算,实现各种不同目的的物联应用,包括环境检测、智慧电力、智能交通、工业监控、智能家居、城市管理等。

由此来看,物联网需要各种不同技术,底层与中层用的是电子与通讯技术,上层则得仰仗云端运算、海量数据分析、数据探勘、商业智能分析、应用软件/手机App等技术,其中,以电子技术架构出的物联网终端设备,是实现物联网愿景的基础,通过终端设备搜集数据,才能产生后续各种应用。

物联芯片五大模块技术趋势

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目前物联网终端设备所使用的芯片,基本上包含以下五大区块:微控制器、传感器、电源管理、内嵌式内存、及无线通信。

传感器通常会依据应用场景和目的来搭配使用,常见的有:温度、震动、陀螺仪、湿度、压力、高度等;电源管理同样也会根据终端应用的形式而有不同设计,像穿戴式装置就强调提高电池效率来延长电池待机时间,而智慧汽车可能会使用功耗较大的处理器,电源管理IC要设法减少热量产生,以便帮助设备散热和提高运作稳定性。

内嵌式内存则有闪存(Flash Memory)、非挥发性内存(NVM)、静态随机存取内存(SRAM)三种选择,由于物联网终端设备对电池使用寿命的期待长达5~10年,这使得具备低漏电特性的SRAM与高耐受性的NVM,逐渐成为市场新宠。

至于无线通信,过往比较常使用的是Zigbee、RFID、Bluetooth等感测网络技术,或是2G、Wi-Fi、LTE等,只是随着物联网市场一直缺乏统一标准,加上既有技术在使用上无法完全满足物联网需求,使得越来越多低功耗广域网(LPWA)技术问世,如:LoRaWAN、UNB、NB-IoT(窄频蜂窝物联网)、LTE-Cat M等,每项技术背后都有不同的支持者,例如:IBM、思科支持LoRaWAN技术,华为则积极推动NB-IoT产业生态建设。

由于物联网终端硬件肩负搜集数据的任务,体积轻薄短小、低耗电(或更长的电池续航力),成为物联网芯片在发展过程中最主要的两个方向,也因此,半导体产业积极发展微缩制程来满足物联网应用的需求,像今(2016)年就已经有业者准备量产10纳米制程的芯片,预期还会继续投入研发更小的先进制造技术,如:7纳米。

另一方面当制程微缩至10纳米以下,代表芯片整合的程度也会跟着大幅提高,而在整合的时候,如果无法在design-in阶段以系统单芯片来解决,便必须要借助SiP等封装技术,将上述物联网芯片所需要的五大区块整合为单一模块。

掌握应用趋势与需求 是抢占物联市场的关键

值得一提的是,物联网的应用种类多元化、需求也因此有很大的差异,例如针对消费性穿戴式设备设计的系统单芯片,就和智能家居、工控自动化、智能运输等不同应用领域关注的整合功能不同。换句话说,物联网的应用发展,对芯片的设计与架构有很大的影响,不同应用所需要的功能就不一样。

举例来说,高通专门为穿戴设备设计的芯片Snapdragon Wear 2100,在无线通信技术上就选择常见的蓝牙、Wi-Fi、与LTE,方便用户通过穿戴设备上网,又如日本半导体业者Lapis针对农业/环境监控应用开发的土壤感测单芯片,在一颗芯片内同时整合土壤酸碱值、导电率和温度3种感测功能,可以有效提高生产效率。

因此,电子业若要在未来的物联市场上占有一席之地,首要前提就是掌握物联应用的发展趋势和需求。目前,与日常生活结合的物联网的应用最被看好,例如:智能家电、智能汽车、穿戴式设备,在2016年CES展中,就看到许多改变生活的物联网终端设备,像英特尔(Intel)与意大利眼镜品牌Oakley合作推出智能眼镜Radar Pace,配备语音互动实时教练系统,可以实时分析运动员的身体状况,并指导运动员如何反应。

这些针对消费大众的物联网终端设备,在设计上有一个共通特点,就是强调整合、跨设备的使用体验,例如:福特汽车(Ford)与Amazon合作,将Amazon Echo语音助理系统Alexa,与车载娱乐通讯整合系统SYNC整合在一个接口里,车主在车上时可以通过Sync控制家中的车库灯、门等设备,在家中也能实时掌握车辆状况。

除了强调使用体验外,安全也是物联网设备未来的发展重点,美国网络安全专家在2015年6月证实可以入侵克赖斯勒汽车的信息娱乐系统 Uconnect,进而远程控制汽车,例如:调整冷气温度、开关雨刷、操控方向盘及控制车速等,这项研究也使得克赖斯勒紧急召回140万辆联网汽车,更新程序与修补漏洞。

虽然物联网应用至今尚未传出大规模攻击事件,或是对使用者造成实际损失,但是现在没有不代表以后也不会有,而且物联网终端装置搜集了大量数据,对黑客来说是很大的诱因,为了不让信息安全风险阻碍使用者的信心和使用意愿,安全将是物联网未来的重要趋势,日本NEC在2015下半年发表数据加密新技术OTR,缩短数据认证和加密的时间,让IoT设备能用更安全的方式传输数据,又不会拖累处理速度。

物联网是改变人类生活的重大科技,也是未来数十年产业成长的驱动力,但因为其应用的多元性与丰富性,所以很难有一个统一标准,唯有从应用选择合适的技术,才能在物联市场上占得先机。

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