實現城市智慧化管理　無線聯網/感測方案推陳出新

無線聯網、感測零組件技術革新浪潮接踵而至。物聯網概念已蔓延至整個城市的規畫和管理層面，帶動一波智慧城市發展熱潮，包括歐美、中國大陸和日本等國家皆已發布智慧城市推廣政策或發展綱要，並馬不停蹄啟動試點計畫。由於智慧城市各個組成環節如智慧能源管理、智慧家庭、工業自動化(Industrial Automation)、IP網路監控和智慧交通系統(ITS)等，皆須仰賴更先進的無線聯網和感測方案，因而也激勵系統業者和晶片商傾力投資開發新產品，以搶占商機。

今年上半年，重量級IT設備業者思科(Cisco)與全球城市系統解決方案供應商--AGT，即率先成立智慧城市全球策略聯盟，並表示將共同運用邊緣分析(Edge Analysis)和雲端運算技術，建構萬物聯網(Internet of Everything, IoE)的環境，以大幅改善城市管理效率。

業界也預期類似聯盟或標準組織將持續冒出頭來，而這些團體目的並非提出非常具體的「智慧城市標準」，而是藉由感測器、無線聯網和嵌入式處理技術，構築一個基礎資料平台，以便迎合智慧城市中五花八門的應用。其中，感測器扮演現實世界與萬物互連網路的橋梁，重要性可見一斑，已吸引晶片商加碼布局微機電系統(MEMS)、環境和生物感測技術，將成為未來半導體科技創新和技術競爭的主戰場。

為搶占物聯網應用山頭，MEMS晶片老將新秀已積極發動攻勢。其中，整合元件製造(IDM)大廠正激烈競逐六軸或九軸等多功能整合(Combo)方案；而台灣和中國大陸新進業者則鎖定中低階產品對加速度計、磁力計的龐大需求，紛紛加碼擴產。

物聯網感測商機火熱　MEMS晶片商搶占山頭

圖1　愛盛科技總經理賴孟煌表示，MEMS產業相當倚賴專業人才，台灣應積極加強人才培育。

愛盛科技總經理賴孟煌(圖1)表示，在行動、物聯網裝置接連兩波設計需求帶動下，MEMS感測器出貨量規模正不斷擴大，因而激勵既有IDM業者大舉拓展新一代動作感測器產品陣容，並加速朝更前瞻的Combo感測器單晶片設計形式發展，同時也吸引許多台灣、中國大陸新興MEMS無晶圓廠(Fabless)業者搶分杯羹，促進MEMS市場戰況急速升溫。

事實上，意法半導體(ST)、Bosch Sensortec兩家IDM，以及技術能力與其相去不遠的應美盛(InvenSense)，早在2013年就開始布局高整合、小尺寸且低功耗的物聯網MEMS系統級封裝(SiP)技術，掀起一波六軸加速度計加磁力計或陀螺儀，以及九軸方案的設計熱潮。其中，Bosch Sensortec、意法半導體更於近期發表新一代單晶片製程，以及各種環境感測器研發成果，可望加速實現九軸MEMS系統單晶片(SoC)。

除大廠掀起Combo技術競賽外，MEMS新秀也紛紛冒出頭來搶市，包括台商立錡、愛盛、矽創和矽立，以及中國大陸Memsic、矽睿等，皆積極以高性價比加速度計、磁力計圈地中低價行動和物聯網裝置市場。

賴孟煌進一步分析，由於加速度計技術和市場皆已相當成熟，廠商之間較勁的重點在於價格；至於磁力計目前則屬於百家爭鳴的狀態，各家技術皆有一定的性能和成本競爭力，因此係戰況最激烈的山頭。未來行動裝置和物聯網應用導入擴增實境(AR)、室內導航(Indoor Navigation)等先進功能後，磁力計開發商更須大幅提升產品精準度，並縮減尺寸，才能站穩市場。

愛盛科技資深主任工程師袁輔德透露，目前僅有AKM、Yamaha和愛盛等磁力計供應商，可發展出尺寸僅1.2毫米(mm)×1.2毫米的磁力計，形成一道技術門檻，預期會加速供應商收斂的態勢。至於磁力計精準度方面，未來的擴增實境將要求低於1%誤差的精度表現，將對傳統的霍爾感測器(Hall Sensor)設計方式帶來嚴峻考驗，因此可望帶動採用新技術的廠商崛起，促使市占板塊挪移。

袁輔德強調，因應下一代行動和物聯網裝置對磁性感測精準度的嚴格要求，愛盛已開發出獨家的微型感測器結構設計專利，並利用雙向磁性重置技術顯著改善產品精度及抗干擾能力，可望逐漸瓜分老牌磁力計供應商的市占。

繼Combo設計之後，感測器更將朝向3D IC矽穿孔(TSV)製程演進。為實現萬物感知聯網(Internet of Awareness)情境，系統業者除要求感測器達到更高的精準度外，亦須具備電源管理和即時資料處理能力，因而驅動感測晶片業者擴大投資TSV製程，以加速實現整合感測器、類比混合訊號及互補式金屬氧化物半導體(CMOS)控制電路的3D IC方案。

借力3D矽穿孔製程　感測器類比/數位整合再躍進

圖2　奧地利微電子台灣區總經理李定翰指出，ams除持續精進感測器製程外，亦將發展感測應用軟體套件，以加速系統設計。

奧地利微電子(ams)台灣區總經理李定翰(圖2)表示，智慧城市係基於物聯網概念，其特色在於利用環境資訊與通訊技術來解決問題，因此首要關鍵將是具備高解析度、即時擷取資訊的能力。以能源管理為例，城市中的公共設備若能隨時監測每棟建築，或甚至每層樓的能源使用情形，便能追蹤整體能源流向，從而執行高粒度(High-granularity)資訊分析並協助管理人員改進供電模式。

然而，高粒度資訊過於龐大，智慧城市解決方案供應商須考量在地資料聚合的方式，而非一味仰賴後端資料中心。這意味著感測器業者必須從感測和資料處理層面雙管齊下，開發兼具高精準度、即時資料轉換和運算功能的產品；同時也要從單純的元件提供角色，轉變成解決方案供應商，讓感測元件與其子系統具備更完整的智慧控制能力。

李定翰認為，晶片業者要順利轉型成解決方案供應商，須同時具備電源管理、資料處理和感測器設計知識，以將整個城市的類比模型數位化。對此，奧地利微電子正在統合旗下類比混合訊號、低功耗/低訊噪比(SNR)資料處理，以及光感測器(Photo Sensor)和霍爾感測器(Hall Sensor)技術，並將利用自有晶圓廠中的0.18微米製程和矽穿孔(TSV)技術，研發可整合上述多樣功能的3D IC，進一步超越現今平面式的SoC架構。

李定翰強調，在物聯網時代，新產品的開發週期將顯著縮短，但這些解決方案的複雜度卻是有增無減，未來感測器設計須集結物理、電子、機工、化學，甚至是生物學、醫學等專業，並利用立體堆疊形式的3D IC製程，促進控制電路與感測層緊密融合，以達到市場要求的功能整合度。

此外，李定翰透露，業界已開始跳脫環境或磁性感測的範疇，研究截然不同的感測元素，例如定位感測、光譜感測等。就光譜感測而言，目前低於無線電波與高於X光的感測技術已發展完全，在這兩者之間即是紅外光-可見光-紫外光(IR-visible-UV)光譜，該技術雖已運用在天文觀測領域很長一段時間，但要將感測器規格縮小以符合經濟效益，還存在諸多技術挑戰。

範圍大至整個城市的物聯網設計，除了要有感官以外，還要有連結各部分的神經傳導機制，才能讓資訊匯聚至大腦；而感官即是感測器、經絡則為無線網路，最終所有訊息再由具備高性能運算(HPC)能力的大腦，也就是雲端資料中心統籌並協助用戶做出決策。

瞄準物聯網市場　晶片商厚植藍牙低功耗戰力

換句話說，物聯網解決方案供應商除須廣布動作和環境感測器，以擷取外界資訊外，還要更進一步搭建兼具高速傳輸、低功耗連結等特性的無線網路，從而滿足各式各樣的資料傳輸需求。

圖3　賽普拉斯台灣區總經理楊晉銘(左)提到，相較於行動裝置，智慧配件市場將有數倍的規模，商機可期。右為賽普拉斯市場部經理王冬剛

賽普拉斯(Cypress)台灣區總經理楊晉銘(圖3左)表示，2020年全球大約將有六百億個具有感測能力的設備連上物聯網，要串連數量如此龐大的各式裝置，低功耗無線連結方案絕對是不可或缺的一環，因此業界正紛紛聚焦新一代藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)，以及結合IP網狀網路(IP-based Mesh Network)機制的藍牙4.1標準，期加速實現大規模裝置互連方案，同時達到節能效益。

據悉，近期包括電源晶片商戴樂格(Dialog)、可編程晶片商--賽普拉斯和類比混合訊號晶片大廠德州儀器(TI)，皆已陸續跨足藍牙晶片或模組設計戰場；同時，行動處理器一哥高通(Qualcomm)，以及愛特梅爾(Atmel)、微芯(Microchip)等微控制器(MCU)開發商，亦分別發動購併攻勢，取得關鍵的藍牙低功耗、藍牙4.1矽智財(IP)和軟體堆疊(Software Stack)技術。

顯而易見，各路晶片商已將低功耗無線連結方案視為進軍物聯網的重要門票，一窩蜂投入布局，使市場戰況日益白熱化。

賽普拉斯市場部經理王冬剛(圖3右)強調，愈來愈多業者投入發展藍牙低功耗方案，產品整合度和易用性將是優勝劣敗的關鍵，因此，該公司即以獨家可編程單晶片(PSoC)設計架構，整合藍牙無線電、Cortex-M0核心、類比前端模組(AFM)和電容式觸控感測功能(圖4)，並投入1年以上時間打造完整的軟體堆疊方案和系統開發工具，從而提高性價比及縮減印刷電路板(PCB)占位空間，吸引系統業者青睞。

圖4　藍牙低功耗單晶片設計架構圖

目前藍牙低功耗以家庭自動化，以及醫療、運動/健身等行動裝置周邊配件應用為主。王冬剛指出，明年高階行動裝置幾乎都將升級至藍牙低功耗規格，進而帶動一波周邊藍牙智慧配件需求，因此該公司正積極爭取與相關矽廠的合作，並已成功取得數個產品開發案(Design-in)，將在2015年擴大導入商用。

另一方面，物聯網除須具備低功耗長時連結外，亦有可傳輸大量資料網路的布建需求，因此德州儀器遂投入發展無線區域網路(Wi-Fi)加藍牙模組，並同時支援2.4GHz與5GHz頻段，以提高傳輸性能，全方位滿足家庭和建築自動化、智慧能源、閘道器、無線音訊、企業和穿戴式應用等不同資料量要求的設計。

至於無線連結下一階段的發展，Nordic Semiconductor策略行銷經理John Leonard認為，IP網狀網路將是重要的演進方向，藍牙技術聯盟在4.1最新標準版本中，已增加網狀網路拓撲的規範，並計畫與IPv6通訊協定結合，給予每一個藍牙節點IP位址，再利用資料中繼(Relay)設計方式，將訊息不斷發送至更遠的節點，以擴大網路覆蓋率。

Leonard透露，Nordic已設計完成一套藍牙IP網狀網路軟體開發套件(SDK)，預計在今年底前發布，協助系統業者和應用服務商盡早展開下世代網路研究。

強打網狀拓撲優勢　ZigBee技術發展捲土重來

儘管藍牙低功耗設計日漸風行，然而，隨著IP網狀網路成為物聯網主要演進方向，原本就基於網狀拓撲的IEEE 802.15.4系列標準，也就是ZigBee開發需求正逐漸回溫，刺激晶片商陸續發布相關的Sub-GHz/2.4GHz無線收發器，重新點燃ZigBee發展火勢。

其中，愛特梅爾(Atmel)已於2014年歐洲國際表計展覽會(European Utility Week)中，推出業界首款符合IEEE 802.15.4g-2012和ETSI TS 102 887-1標準的雙頻段Sub-GHz/2.4GHz收發器，可支援ZigBee PRO和ZigBee IP實體層，透過網狀網路管理機制，進一步滿足智慧計量、智慧照明、家庭能源閘道及工業自動化等大量裝置組網的設計需求，並減輕網路擴充成本。

Atmel智慧能源產品資深總監Kourosh Boutorabi表示，新款ZigBee無線收發器有助拓展該公司的智慧計量產品組合，並將成為下一代智慧能源平台解決方案的基石，可與電力線通訊(PLC)組成更高功能整合度的智慧計量解決方案。

無獨有偶，芯科實驗室(Silicon Labs)亦鎖定智慧城市、物聯網龐大市場商機，發表新一代支援IEEE 802.15.4/4g、Wireless M-Bus、Wi-SUN等多元通訊協定的無線IC，以提供更好的傳輸效率，並進一步透過網狀網路設計，延展無線感測網路節點(WSN)、工業機器對機器(M2M)通訊、遠端控制/保全系統和智慧儀表的傳輸距離及設計彈性。

芯科實驗室強調，由於該款無線IC可支援多協定堆疊，包括基於802.15.4的網狀網路、點對點(Peer to Peer)或星型網路，只要搭配外部8位元或32位元微控制器(MCU)，就能快速實現各式各樣的物聯網設計，大幅提升系統廠產品開發效率。

在物聯網多元應用發展持續加溫下，無線通訊正邁向百花齊放的局面，雖然近來藍牙挾新規格，以及100%行動裝置滲透率的優勢，光芒強壓ZigBee，但是藍牙傳輸一向專攻點對點應用，針對大範圍物聯網所需的網狀網路設計才剛起步，因此晶片商遂持續投入資源發展ZigBee，以及其他Sub-GHz無線技術，以便跟上物聯網市場快速演進的腳步。

隨著通訊標準和產品設計需求快速變動，掌管無線訊號收發的射頻前端(RF Front-end)亦面臨技術革新挑戰。特別是成本方面，為加速在智慧城市中擴建物聯網裝置，業界正積極研發成本低至1美元的WSN，引發系統關鍵零組件大幅降價的需求；對此，RF晶片商正醞釀以CMOS製程取代傳統砷化鎵(GaAs)方案，以縮減一半以上晶片成本，實現超低價WSN。

實現1美元IoT節點　CMOS RF技壓砷化鎵方案

RFaxis全球銷售副總裁Raymond Biagan表示，物聯網須透過大量WSN，才能實現數以百億計的裝置互連，因此相關業者對WSN系統中關鍵的RF元件成本格外重視，並將其視為加速物聯網裝置普及的重要觸媒。隨著RF成本壓力遽增，晶片商也開始從較昂貴的砷化鎵製程，轉向標準化、價格親民的矽鍺(SiGe)和CMOS RF方案；其中，CMOS RF可在性能媲美砷化鎵產品的前提下，降低一半以上製造和測試成本，並達成更高元件整合度，更已成為業界布局焦點。

圖5　RFaxis市場與產品應用副總裁錢永喜認為，CMOS RF技術快速演進，傳輸效率已能媲美，甚至超越砷化鎵方案。

RFaxis市場與產品應用副總裁錢永喜(圖5)補充，多家國際市場研究機構已提出物聯網市場預測，大部分皆認為2020年整體聯網裝置將上看百億部，但要支援數量如此龐大的裝置互連情境，WSN成本須低於1美元才能廣為布建，加速組織完整的物聯網路。換句話說，RF晶片商要打入物聯網市場，就要將縮減成本當作第一要務，思考其產品如何滿足1美元以下的終端設備價格。

儘管目前砷化鎵RF晶片仍是市場主流，出貨占比高達九成，但其囿於製程和材料特殊性，無論在生產和設計成本方面皆所費不貲，未來在物聯網掀動的低成本RF設計風潮下，光環將逐漸被CMOS RF取代。

錢永喜直言，以他過去曾投入砷化鎵晶圓代工產業的經驗，此方案要滿足1美元終端設計幾乎是不可能任務，因此未來幾年CMOS RF勢將加速瓜分砷化鎵RF市占，可望從2014年約兩百萬顆出貨，大幅躍升至2018年的兩億顆出貨量。

除成本以外，物聯網裝置開發商亦相當關注RF晶片傳輸效率和尺寸，以實現更低功耗且小體積的WSN，減輕布建困難度。Biagan強調，相較於砷化鎵方案，CMOS製程有助提高功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、收發開關電路、匹配網路(Associated Matching Network)和諧波濾波器(Harmonic Filter)等RF元件的整合度。以RFaxis為例，已透過CMOS製程開發出整合上述元件的RFeIC系列產品，可取代傳統PA和其他RF晶片分離式的設計，或RF前端模組(FEM)，為系統業者爭取更多設計空間，同時減輕測試負擔。

與此同時，CMOS RF亦可透過低電壓設計，顯著降低驅動和運作功耗。錢永喜分析，砷化鎵和矽鍺RF基於製程和材料特性，至少要導通2.6伏特(V)的電壓才能驅動，並須供應3.3或5伏特電壓才能持續運作；相較之下，CMOS僅需1.2伏特驅動電壓和2.4伏特運作電壓，在系統電流相等的前提下，省電效益將高達30?40%，有助提升RF傳輸效率和線性度(Linearity)。

錢永喜也透露，最新一代無線區域網路(Wi-Fi)802.11ac Wave 2標準對RF元件規格非常講究，不僅要求達到-40dB EVM的線性度表現，亦須將訊號失真率控制在1%以下。對此，RFaxis的CMOS RF單晶片規格已率先達陣，正攜手通訊晶片商開發相關參考設計，可望趕在2015年上市；目前多家一級(Tier 1)網通設備廠，更已計畫將此元件列入首波採購清單，替代既有的砷化鎵RF晶片。

整體而言，智慧城市創新應用崛起的背後，代表著一次又一次的感測和無線聯網技術革新，不僅為整個業界帶來新話題，也刺激市場活絡，而晶片商之間的競爭態勢則是更加瞬息萬變。