多路大軍齊攻物聯網　嵌入式處理器熱戰正酣

物聯網引爆嵌入式處理器大亂鬥。物聯網風潮席捲全球，並快速擴散至智慧家庭、工廠、汽車、能源管理、醫療和穿戴式電子等多元設計應用領域，已帶動龐大的嵌入式處理方案需求，激勵現場可編程閘陣列(FPGA)、系統單晶片(SoC)和微控制器(MCU)開發商群起搶攻；然而，這也使得以往河水不犯井水的FPGA、SoC和MCU產品應用界線逐漸模糊，晶片商之間互搶地盤的情形加劇。

以SoC業者為例，英特爾(Intel)、高通(Qualcomm)、聯發科、邁威爾(Marvell)和博通(Broadcom)因應行動裝置市場逐漸飽和，出貨成長率放緩的走勢，正紛紛調動技術研發資源，加碼布局物聯網閘道器(IoT Gateway)、無線充電，以及手表、眼鏡等智慧型穿戴式電子解決方案，與專擅嵌入式控制的MCU業者正面對決將無可避免。

與此同時，FPGA業者也急欲擺脫高價位、高端應用的產品標籤，透過新製程和高整合度晶片系統設計方法，進一步降低晶片成本、功耗和占位空間，以加速拓展工業驅動、馬達控制和車載資通訊(Telematics)系統等物聯網終端應用版圖，儼然成為一股挑戰SoC和MCU廠商的新勢力。

至於意法半導體(ST)、愛特梅爾(Atmel)、芯科實驗室(Silicon Labs)、微芯(Microchip)、瑞薩電子(Renesas Electronics)和盛群半導體等MCU廠商，則擴大導入安謀國際(ARM)32位元Cortex-M系列核心，並持續強化無線設計能力，以避免產品運算和聯網處理效能因落後其他技術陣營而遭取代。

顯而易見，物聯網如火如荼的發展，已引發新一輪嵌入式處理器大戰，多路晶片業者相互較勁的情形將愈演愈烈。

聚焦穿戴式電子　SoC商打開物聯網市場

隨著物聯網躍居顯學，行動SoC廠商也趕緊增闢產品線卡位，其中尤以英特爾和高通最為積極。英特爾為避免在行動市場發展失利的情況重演，近期已在其2014年開發者論壇(IDF)中，一舉祭出凌動(Atom)、Quark系列SoC，以及微型、超低功耗Edison開發板，搶攻物聯網商機。緊接著高通亦在其2014年合作夥伴高峰會(Uplinq)發表新的智慧眼鏡開發套件，展現將跨足該應用市場的企圖心。

英特爾業務及行銷事業群副總裁暨嵌入式產品銷售事業群總經理Rick Dwyer(圖1)表示，針對物聯網發展，英特爾將聚焦三項關鍵任務，分別為推動垂直產業供應鏈技術創新、整合端至端(End-to-End)軟硬體解決方案，以及加強從標準到終端應用的生態體系合作關係，以加速物聯網應用成形。

圖1　英特爾業務及行銷事業群副總裁暨嵌入式產品銷售事業群總經理Rick Dwyer認為，通用、開放式標準將是推動物聯網的首要條件。

Dwyer進一步強調，物聯網匯聚雲端、使用者裝置和環境資訊，必須藉由業界共同標準和開放式可擴充運算平台，才能執行安全的資料傳輸和處理。因此該公司遂接連發起開放互聯聯盟(OIC)和工業網際網路聯盟(IIC)，攜手軟體開發商、系統業者一同定義物聯網裝置連結規範、通訊協定和處理平台；同時整合旗下的SoC、無線聯網、即時作業系統和資料安全防護技術，提供一套端對端軟硬體平台。

針對功耗、尺寸要求相當嚴格的穿戴式電子，英特爾則以Quark SoC因應。新款SoC改搭32位元單核/單線程指令集架構，大幅降低功耗和系統複雜度，但時脈仍可達到400MHz，且支援豐富的記憶體和周邊介面功能。

此外，英特爾更複製行動裝置參考設計的模式，打造融合嵌入式處理、無線通訊、感測和電源管理機制的Edison開發板，協助系統業者加速開發智慧手表和手環等產品。

不讓英特爾專美於前，高通也組織Allseen聯盟，拉攏作業系統和終端品牌廠共同發展物聯網產業標準；同時發布Vuforia智慧眼鏡軟體開發套件(SDK)和低功耗Snapdragon系列SoC，開闢穿戴式電子應用版圖。高通總裁暨營運長Steve Mollenkopf表示，網路邊界不斷擴張，驅動更多嵌入式處理和連結技術需求，將為SoC業者帶來龐大商機，未來高通將持續擴大投資，以延續行動市場的發展。

不同於SoC廠商以穿戴式電子做為市場切入點，FPGA業者則從工業、汽車應用領域出發，積極瓜分物聯網市場商機。

搶搭Flash/運算核心　FPGA揮軍工控/車聯網

圖2　Altera資深產品行銷總監Patrick Dorsey指出，FPGA可達到20年以上的供貨，在工業和汽車設計領域極具優勢。

Altera資深產品行銷總監Patrick Dorsey(圖2)表示，對工廠和車廠而言，導入物聯網嵌入式處理技術的需求雖日益浮現，但囿於系統成本、可靠度和設計靈活性等考量，還是抱持觀望態度。對此，FPGA業者將能發揮可編程晶片優勢，再利用嵌入式記憶體製程，以及SoC設計架構，一舉解決各種智慧型嵌入式系統設計桎梏。

Dorsey強調，傳統嵌入式系統基於MCU、快閃記憶體(Flash)、資料轉換器、時脈振盪器和輸入/輸出(I/O)分離式的架構，難以實現即時控制、低成本且高安全性的智慧設計，因此Altera遂採用55奈米嵌入式快閃記憶體製程，打造整合軟式處理器核心，數位訊號處理(DSP)模組、類比前端(AFE)和多元I/O方案的低成本FPGA，藉以縮減印刷電路板(PCB)占位空間、周邊零組件成本，並改善系統延遲，進一步吸引工控設備和汽車系統開發商轉向具備感測、無線連結功能的物聯網設計。

據悉，FPGA整合記憶體等周邊元件不僅能精簡嵌入式系統設計和成本，亦可提高電路可靠度、即時控制和數位處理性能，對推進工業自動化中的馬達控制、工業乙太網路介面模組，以及車載資通訊、先進駕駛輔助系統(ADAS)商用腳步將有莫大助益。

Dorsey進一步指出，相較於MCU方案，FPGA具備更出色的功能擴充性和較長的產品生命週期，這是車廠和工控設備製造商評估嵌入式處理器規格的關鍵指標。未來，FPGA在工業和車用物聯網設計領域的滲透率可望與日俱增。

面對SoC和FPGA廠商在嵌入式處理市場綿密的攻勢，MCU業者也開始擴展高效能、高功能整合度的32位元產品線，並競相加入ARM mbed物聯網平台開發計畫，以激發更多軟體和應用程式創意，防堵市占流失。

ARM mbed添力　MCU廠攻占物聯網先機

為加速實現物聯網設計和應用部署，ARM自2013年起就積極推廣mbed物聯網裝置開發平台計畫，並將於2014年第四季起提供完整的mbed免費作業系統，可望加速催生物聯網統一標準，並協助晶片商、系統設計人員基於Cortex-M系列處理器核心設計，縮減物聯網軟硬體解決方案開發複雜度和產品上市時程。

圖3　ARM台灣區總經理謝弘輝認為，物聯網設計需求與行動裝置不盡相同，預期會有愈來愈多新進晶片商崛起。

mbed物聯網裝置開發平台建構於開放標準和低功耗的Cortex-M MCU之上，結合網際網路通訊協定、資料安全、標準化管理，以及各種應用和驅動程式支援功能，為物聯網裝置與服務提供通用的基礎元件。透過此一平台，晶片商和系統廠將能專注在產品功能差異化，而非在軟硬體設計階段就耗費大量人力和物力。

看好mbed發展潛力，包括Atmel、飛思卡爾、MegaChips、恩智浦(NXP)、瑞薩電子、芯科實驗室和意法半導體等MCU大廠皆相繼加入該平台計畫。

ARM台灣區總經理謝弘輝(圖3)表示，mbed平台統整物聯網所需的各種技術資源，並支援2G/3G、藍牙低功耗(BLE)、無線區域網路(Wi-Fi)、802.15.4/6LoWPAN和Lightweight M2M等主流行動通訊和無線連結標準，將有助MCU開發商與軟體、系統和應用服務商更緊密合作，組成一個完整的供應鏈生態體系，搶占市場先機。

謝弘輝更透露，mbed平台觸角也開始向外延伸，陸續吸引機器對機器(M2M)模組廠、原始設備製造商(OEM)、系統整合和雲端服務等各領域合作夥伴加入，將逐漸壯大市場影響力。

Cortex-M7王牌現身　MCU運算效能進逼處理器

圖4　ARM應用工程經理除達勇提到，Cortex-M系列核心已授權一百七十五家廠商，並於2014上半年達到十七億顆出貨量，足見其快速成長態勢。

除mbed平台外，ARM近期也發布最新一代Cortex-M7核心，提供更高運算時脈及更佳的數位訊號處理效率，將協助MCU廠商開發性能媲美處理器等級的產品，進一步開拓高端物聯網應用市場。

ARM應用工程經理徐達勇(圖4)表示，物聯網裝置必須常時開啟/聯網、快速反應，並具備高安全性的資料安全防護機制，以及觸控和語音控制等先進人機介面，對嵌入式控制和數位訊號處理性能要求有日漸攀高的趨勢，因而驅動ARM發展次世代Cortex-M7核心。相較於前一代方案，Cortex-M7處理速度提升30%，且內建更強的浮點運算單元(FPU)，因此整體效能提升一倍之多，可滿足更多物聯網應用。

舉例來說，過去智慧型嵌入式系統必須在系統控制和無線連結區塊各導入一顆Cortex-M MCU才能順利運作，拉高開發成本；現在系統業者透過Cortex-M7 MCU，僅需一顆晶片就能同步執行控制和連線管理，將大幅改善設計複雜度和物料清單(BOM)成本。

徐達勇指出，業界一般認為MCU的處理效能總是差SoC方案一截，注重的是低功耗；然而，Cortex-M7正逐步扭轉這個刻板印象，讓許多Linux-based的嵌入式系統設計毋須再增加一顆SoC成本，就能滿足所需的邏輯運算、即時控制和數位處理性能。

現階段，意法半導體和Atmel已率先推出新款Cortex-M7 MCU，強攻工業自動化、車用乙太網路音訊/視訊橋接(Ethernet AVB)介面、智慧家庭聯網控制設備、觸控和語音控制人機介面等高端應用，搶攻更多物聯網商機。

隨著SoC、FPGA和MCU業者紛紛擴大布局，物聯網嵌入式處理技術已更加成熟；然而，物聯網應用涵蓋穿戴式、家庭、工業和汽車電子等廣泛領域，對晶片的多樣性和客製化設計需求大幅攀升。此一趨勢不僅刺激既有晶片商全力擴展產品陣容，更吸引許多IC設計新秀搶進，甚至掀起系統廠自主研發晶片的熱潮，將使未來物聯網晶片市場競爭更加詭譎多變。

應用多樣/客製需求高　物聯網開創晶片市場新競局

謝弘輝表示，繼PC、行動裝置之後，半導體供應鏈業者正紛紛聚焦物聯網，啟動下一輪技術布局。然而，物聯網應用包羅萬象，因此矽智財(IP)供應商和IC設計業者已開始轉向「發散式」的晶片研發模式，以便能打中各種物聯網系統需求，將扭轉業界過往在PC、行動裝置時代，根深蒂固的「一體適用」SoC設計框架。

謝弘輝進一步指出，穿戴式、家庭、工業和車用物聯網設計各有特殊考量，而個別應用領域的系統開發商還會依產品性能、功耗和價位設定，精準劃分零組件選用規格，導致過去PC和行動裝置晶片商以少數幾款SoC打天下的策略，在物聯網市場上愈來愈難以施展；這也是ARM持續擴充Cortex-A/M系列處理器核心陣容，並積極推動開放式mbed物聯網開發平台的主要考量，期協助晶片商加速打造多元產品線與軟體方案。

以飛思卡爾、意法半導體，以及許多台灣和中國大陸正在崛起的MCU晶片開發商為例，透過授權Cortex-M0、M0+、M3、M4，乃至於最新的Cortex-M7中央處理器(CPU)核心，已各自開發出數百款的MCU，將有助系統廠為產品找到最佳性價比的方案。

謝弘輝認為，相較於PC、行動裝置晶片市場分別由英特爾和高通兩家處理器大廠獨占鰲頭的局面，物聯網可望揭開晶片商百家爭鳴的全新局勢。

另一方面，物聯網亦將使系統整合商、IP供應商和IC設計服務業者三方合作的新商業模式更加成形。ARM大中華區總裁吳雄昂強調，為實現客製化物聯網解決方案，近來系統整合或應用服務商對於自主研發晶片的意願已明顯增加，但考量投資風險，遂傾向先訂定詳盡晶片規格，再透過IC設計服務業者向IP供應商授權處理器核心的模式共同開發，創造出物聯網晶片市場的另一股勢力。

據悉，台灣智原科技、世芯電子(Alchip)，以及中國大陸的芯原(VeriSilicon)、燦芯(Brite)等IC設計服務商，近期已陸續接獲許多系統廠，或是應用服務解決方案業者的晶片設計訂單。其中，尤以中國大陸系統業者需求最為強勁，如總部設於北京的軟體及資訊服務系統整合商--中軟國際，正緊鑼密鼓發展智慧能源管理系統，並已與IC設計服務和IP業者接洽，將大舉投入研發專屬的智慧電表晶片。

吳雄昂提到，中國大陸MCU廠、系統整合商大量湧入物聯網市場，亦使該公司Cortex-M系列核心在該地區的客戶，以每年新增五到六家的速度成長，明顯高於其他區域市場增長幅度。

吳雄昂也認為，物聯網嵌入式處理方案可望持續朝發散式、多樣性方向發展，為業界創造更多應用和設計商機。