瞄準智慧物聯網感測應用　MCU廠競逐類比/IP網路設計

智慧感測設計概念躍居物聯網新顯學。物聯網自1999年由麻省理工學院(MIT)提出至今已有15年光景；然而，包括業界通用標準、安全防護、感測機制，以及各種通訊協定的互通設計等挑戰仍在檯面上待解，且各個領域的進展也缺乏溝通，導致物聯網發展牛步。為此，業界正逐漸凝聚物聯網智慧感測設計的共識，將以標準化、開放式的軟硬體平台，克服物聯網應用從資料擷取、轉換、處理到透過有線或無線傳輸方案，送達雲端的整體流程設計挑戰。

基於此一概念，許多半導體和系統業者已鎖定各個物聯網應用領域，發起標準聯盟，搶當產業標竿。如高通(Qualcomm)、英特爾(Intel)即分別組織Allseen聯盟，以及開放互連聯盟(OIC)，積極研擬物聯網通用標準和軟硬體開發平台。至於Google則攜手飛思卡爾(Freescale)、安謀國際(ARM)、三星(Samsung)和芯科實驗室(Silicon Labs)等廠商成立Thread聯盟，以發展智慧家庭設備連接、網路通訊協定為主要目標。

針對具有供應鏈封閉、產品生命週期長等特色的工業市場，瑞薩電子(Renesas Electronics)近期則攜手工控設備、攝影鏡頭和機器人供應商，籌組R-IN聯盟，推動工業級系統架構規範和機器對機器(M2M)連接標準；與此同時，AT&T、思科(Cisco)、GE、IBM和英特爾也成立工業網際網路聯盟(IIC)，定義工業自動化底層架構。

顯而易見，物聯網智慧感測設計已成為業界追逐焦點，並刺激標準聯盟如雨後春筍般冒出頭來；不過，智慧感測意味著資料擷取、轉換、處理和傳輸機制缺一不可，對以往著重於邏輯處理和數位控制的嵌入式處理器廠而言，勢將帶來諸多類比和聯網設計挑戰，因此相關微控制器(MCU)業者也加緊展開布局，掀動一波技術革新浪潮。

打造物聯網勝利方程式　MCU整合類比電路掀風潮

圖1　盛群半導體總經理高國棟認為，人機介面和身分驗證方案亦是物聯網發展相當重要的一環。

國內外晶片商正紛紛擴展MCU整合類比數位轉換器(ADC)、運算放大器(OPA)等類比前端(AFE)方案的特定應用標準產品(ASSP)MCU或系統單晶片(SoC)陣容，期優化多元感測器資料鏈接、轉換和運算流程，加速實現從感測到資料轉換、即時處理的物聯網智慧感測標準運作模式，同時減輕系統廠自行研發複雜類比電路的時間與成本壓力。

盛群半導體總經理高國棟(圖1)表示，感測、MCU和射頻(RF)技術係構成物聯網設計的三大支柱；其中，MCU不僅扮演系統控制核心，亦掌管感測資料橋接、電源管理、射頻訊號處理和安全防護等關鍵功能，重要性可見一斑。隨著物聯網裝置擴大導入溫溼度、動作和影像等多元感測器，MCU業者也紛紛加碼布局更先進的感測資料橋接解決方案，帶動一波MCU結合高精準、高解析度類比前端電路的SoC或ASSP設計熱潮。

事實上，感測器擷取外部環境或使用者動作資料後，還須經過一連串的傳輸和轉換動作，方能變成MCU可處理的數位訊號；然而，感測資料轉換牽涉複雜的類比電路設計，對系統廠而言，不僅技術進入門檻高，也將耗費大量研發、測試驗證和系統調校的資源。也因此，瑞薩電子、意法半導體(ST)、德州儀器(TI)和盛群等MCU業者遂競相擴展內建類比前端的MCU產品線，讓系統廠能專注在數位處理和軟體開發，避免蠟燭兩頭燒的情形。

圖2　瑞薩電子行銷暨車用事業部策略行銷部副理黎柏均(左)強調，瑞薩MCU仍將維持一定比重採用自有核心，以利優化系統效能。右為瑞薩電子行銷暨車用事業部策略行銷部主任王仲宇

高國棟強調，MCU結合類比前端，不僅能大幅縮減系統開發負擔和物料清單(BOM)成本，亦可透過MCU內建韌體和演算法，支援更豐富的動作、生物訊號及環境感測功能，將有助系統廠快速實現各種物聯網感測機制。因此，盛群近期已新增一系列內建類比電路的MCU，並將內部ADC規格升級至24位元，以提高訊號解析度和精準度，搶攻血糖、血氧和體脂等可攜式醫療檢測設備商機。

無獨有偶，瑞薩電子亦計畫於2015年發布一款整合類比前端的ASSP MCU，同時將建置支援光學、動作、環境和生物等感測器的開發平台，以快速擴張應用版圖。

瑞薩電子行銷暨車用事業部策略行銷部主任王仲宇(圖2右)指出，物聯網裝置內建感測器類型和數量正不斷增加，而整個開發流程中，最耗時的部分則集中在軟體設計和測試，約占60～70%以上時間，若系統廠還須分心兼顧不熟悉的類比設計，勢將瓜分工程師資源，進而延宕最終產品上市時程。對此，瑞薩遂主打高整合MCU設計策略並提供完整軟體平台，藉以優化大量資訊擷取、轉換和傳輸流程，同時減輕分離式類比元件對系統功耗和占位空間的影響。

顯而易見，在物聯網風潮下，MCU結合類比前端的解決方案已蔚成顯學，成為國內外晶片商競逐焦點。高國棟認為，MCU無疑是物聯網裝置的控制核心，但其與周邊感測器、無線聯網模組的連結方案亦不容忽視，惟有通盤考量最前端的感測器到MCU運算、RF傳輸設計需求，才能打造物聯網勝利方程式。

值得注意的是，MCU增強類比轉換和訊號處理功能後，對系統記憶體存取性能和設計彈性的需求也與日俱增，因此晶片商正擴大導入嵌入式快閃記憶體(eFlash)製程，並加速從90奈米轉換至更先進的55、40奈米方案，以打造更高效能且小尺寸的MCU。

較勁存取效能/設計彈性　MCU廠競逐eFlash製程

瑞薩電子行銷暨車用事業部策略行銷部副理黎柏均(圖2左)表示，為支援更多感測器、傳輸介面、無線聯網模組、多媒體影音處理機制，以及更強大的即時作業系統(RTOS)，MCU必須不斷擴充記憶體容量，因而驅動晶片業者加碼投資先進eFlash製程。

目前MCU廠商大多已選用90奈米eFlash製程開發新款MCU，並計畫推進至55奈米以下製程，進一步提升記憶體存取效能並降低製造成本與功耗。其中，瑞薩更計畫在今年底前，率先導入40奈米eFlash製程，以加強MCU處理性能，並大幅改善與周邊元件和聯網模組連接的延遲效應。

圖3　意法半導體大中華與南亞區微控制器行銷和應用總監James Wiart指出，MCU核心差異化日漸縮小，晶片商必須更加強化周邊配置和軟體設計。

黎柏均指出，物聯網為MCU業者創造更多市場機會，但同時也帶來複雜的感測資料轉換介面和通訊設計挑戰；特別在通訊方面，物聯網設備正加速朝可雙向溝通的M2M形式邁進，因此內建MCU須具備更強的RF訊號處理、存取效能、資料安全防護，以及RTOS、程式執行能力，改搭更先進的eFlash製程已勢不可當。

意法半導體亦跟進此設計潮流，採用90奈米eFlash製程開發業界首款ARM Cortex-M7 MCU，並正加緊投入下一代4x奈米eFlash產品開發計畫，以促進MCU效能再翻倍。

意法半導體大中華與南亞區微控制器行銷和應用總監James Wiart(圖3)表示，MCU內部架構益趨複雜，且周邊配置更加多元，導致其內建記憶體設計重要性遽增，對此該公司也發展出一套智慧晶片系統架構，在新款MCU中導入Flash和L1快取兩個獨立的記憶體機制，並搭配獨家自適應即時加速器(ART Accelerator)，將能提高MCU內部和外部記憶體的代碼與資料存取效率，進而增進整體系統效能。

Wiart也透露，該公司下一代Cortex-M7 MCU將跨入4x奈米eFlash製程世代，將運算時脈推升至400MHz，以因應系統廠強化3D向量運算、浮點運算(Floating Point)、RF和影音處理功能的需求。

值得注意的是，盛群半導體也在今年下半年首開eFlash MCU產品線，搶進可攜式醫療量測電子市場。高國棟強調，血糖、血氧和體脂等可攜式醫療電子設備，需要的感測介面和資料處理模式不盡相同，因此MCU廠商必須提供eFlash方案，協助系統廠隨時更新韌體和應用程式，才能避免軟硬體重覆開發，耗費大量資源的問題。

除競逐eFlash製程技術外，MCU業者更鎖定大量物聯網裝置互連需求，緊鑼密鼓布局無線通訊軟硬體方案，並以ZigBee、藍牙(Bluetooth)技術為基礎，推展下世代IP網狀網路(IP-based Mesh Network)。

滿足大量裝置連線需求　MCU廠搶攻IP網狀網路

圖4　飛思卡爾微控制器亞太區業務發展總監曹躍瀧認為，開放式平台將是刺激物聯網應用起飛的關鍵。

飛思卡爾微控制器亞太區業務發展總監曹躍瀧(圖4)表示，物聯網領域存在多種無線標準，包括長程演進計畫(LTE)、藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)、無線區域網路(Wi-Fi)、近距離無線通訊(NFC)、ZigBee、Z-Wave和IPv6等，各有其應用優勢。然而，隨著物聯網規模持續壯大，業界須有效串連採用不同通訊機制的裝置，並朝向標準化平台發展，方能取得較佳的經濟效益，可望帶動新興通訊標準問世。

曹躍瀧進一步指出，未來物聯網市場需要多樣技術相容、易擴充且低成本的連線方案，晶片商須同時納入WAN、LAN、WPAN和WBAN等設計考量才能實現；目前較具發展前景的新標準則為6LoWPAN、Wi-Fi 802.11ah、Weightless，以及結合IPv6規範的ZigBee和藍牙IP網狀網路。

802.11ah基於1GHz以下的ISM Wi-Fi頻段運作，適合獨立於基礎設施的特定網狀網路和大範圍的感測器網路控制，已吸引業界大量關注；但是營運商近來發現將頻譜資源用於WAN的命令和控制服務，建置成本過於昂貴，因而開始尋求配套方案，如Weightless無線網路技術等。曹躍瀧透露，該公司已投入研發多種具未來性的通訊方案，將搭配旗下MCU和SoC產品，搶進各種物聯網應用領域。

芯科實驗室物聯網方案行銷總監Greg Hodgson(圖5)則指出，相較於現行的Wi-Fi和行動通訊方案，ZigBee、藍牙或新興的Thread IP網狀網路功耗大幅下降，且同樣具有支援大量聯網節點的能力，可望逐漸躍居物聯網通訊技術主流。因此，該公司正積極研發相關無線收發器和軟體堆疊(Software Stack)方案，卡位市場商機。

圖5　芯科實驗室物聯網方案行銷總監Greg Hodgson表示，MCU將引進愈來愈多的混合訊號設計概念，以因應物聯網智慧感測設計需求

Hodgson強調，現階段不僅ZigBee和藍牙標準組織傾力發展可與IPv6結合的網狀網路架構，Google與Nest、芯科實驗室等業者更發起Thread標準聯盟，目標係加速制定可兼容多種低功耗無線連接技術的IP網狀網路協定，達成高安全性、方便建置，且能同時支援兩百五十個以上聯網設備的通訊方案。

近期芯科實驗室已搶先發布Beta版Thread軟體和協定堆疊，協助合作夥伴加速開發基於IP網狀網路的產品。Hodgson指出，Thread可橋接基於不同媒體存取控制層(MAC)和實體層(PHY)設計的通訊方案，並將賦予每一個裝置IP位址，讓裝置對裝置(D2D)通訊毋須透過閘道器，進而簡化傳輸流程；此對不斷擴大規模且網路複雜性遽增的物聯網發展，將有莫大助益。

舉例來說，智慧家庭內部多元有線、無線通訊技術將能透過Thread方案達成更緊密的融合，系統整合商可利用Wi-Fi支援需高頻寬、高速傳輸的應用，同時提供基於ZigBee的傳輸方案，減輕低資料量、常時連線的應用功耗負擔，形成更具彈性和使用效益的家庭網路。

探索下一階段的物聯網演進方向，曹躍瀧指出，物聯網本身理論已非常健全，但在很多實際應用與建置成本方面還有待改善，因此相關業者須投入更多資源在中介軟體(Middleware)、聯網節點溝通模式，以及與既有和未來多種技術之間融合運作的軟體平台上。

迎向物聯網大未來　MCU廠商勤練軟功夫

隨著愈來愈多半導體業者和科技大廠投入制定相應的整合通訊標準、軟硬體開發平台，物聯網在2015年後將出現大幅度的進展。

現階段，智慧家庭、智慧照明、智慧汽車、穿戴式電子、工業自動化和遠距醫療已成為物聯網首波發展重點，而其中的軟體應用程式和雲端服務更已成為晶片商和系統廠一致的技術布局方向。對此，曹躍瀧強調，飛思卡爾與甲骨文(Oracle)、ARM正共同推廣以JAVA語言做為嵌入式系統開發環境的模式，期加速物聯網嵌入式系統相關應用軟體的設計腳步。

據了解，JAVA結合嵌入式系統後，可使物聯網各個設計環節統一化，包括最底層、對資源要求限制最多的網路邊緣和感測器節點，同時亦能提升物聯網安全服務機制，從而大幅降低物聯網嵌入系統開發時間及成本，並紓解網路營運商的營運支出壓力。

與此同時，MCU廠商也相繼加入ARM mbed物聯網裝置開發平台計畫，除挹注旗下的MCU驅動程式、韌體開發經驗等寶貴知識，以壯大業界通用的物聯網軟體開發套件、免費軟體庫和線上工具陣容外，亦可藉由mbed免費作業系統，加速打造多種軟硬體原型設計，將有助刺激各式各樣的物聯網應用蓬勃發展。