影像處理需求高漲　處理器、DSP規格翻新

智慧型嵌入式系統(Embedded System)商機蓬勃，吸引包括元件供應商與系統整合業者全力推出新產品，如英特爾(Intel)新一代凌動(Atom)處理器，以分食市場大餅。除此之外，智慧型嵌入式系統的影像擷取、分析等新功能需求，也讓各關鍵元件與通訊技術有更進一步的發展。

導入電子標籤與工業平板　ZigBee應用再下一城

智慧型嵌入式系統的組成要素之一為聯網技術，包括無線區域網路(Wi-Fi)、行動寬頻技術等皆各有發展領域，而短距無線技術則是以ZigBee為主。

繼智慧電網與家庭自動化控制之後，ZigBee觸角開始延伸至電子標籤、工業用平板裝置(Tablet Device)等新領域，包括沃爾瑪(Walmart)等業者，已導入ZigBee作為智慧型嵌入式系統應用的主要聯網技術。

圖1　左起為飛思卡爾亞太區產品行銷經理黃健州、客戶經理吳林聰

飛思卡爾(Freescale)客戶經理吳林聰(圖1右)表示，ZigBee最大的特色是可布建網狀網路，連結更多裝置以形成一個龐大的系統，並可持續擴展智慧型系統的布建範疇，此為藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi等同樣採用2.4GHz頻段的無線技術所無法達成的，因此業者才會選擇將ZigBee導入電子標籤應用。此外，ZigBee也是所有2.4GHz射頻(RF)方案中最省電的技術，且可進行雙向的溝通。

另一方面，工業用平板裝置也開始轉採ZigBee技術。飛思卡爾亞太區產品行銷經理黃健州(圖1左)表示，雖然現階段工業用平板裝置多透過Wi-Fi與藍牙進行連結與控制，然而工廠中須要布建眾多的感測器，以隨時監測設備的運轉情況，因此，須大規模布建ZigBee感測器節點；當資料回傳至各個控制中心時，各個小型控制中心間的連結亦得仰賴ZigBee，才能再進一步擴大監控範圍，因而促使近期工業用平板裝置開始內建ZigBee功能。

為滿足市場對於ZigBee技術的需求，繼發表ZigBee RF收發器與微控制器整合方案後，近日飛思卡爾再推出微控制器搭配感測器的參考設計，可協助相關業者開發採用ZigBee與感測器的智慧型嵌入式系統應用。

黃健州透露，為符合低成本智慧型嵌入式系統需求，目前僅具備Cortex-M4高階微控制器的飛思卡爾，已計畫向低成本32位元微控制器產品領域擴張，藉以擴大在智慧型嵌入式系統的市占率。

影像處理比重高　多核心處理器需求湧現

智慧型嵌入式系統影像處理需求使多核心處理器受到重視。傳統嵌入式系統智慧化的其中一項進展即為加入影像的擷取與感測，因此提高嵌入式處理器對影像處理的需求，也驅動多核心處理器進入智慧型嵌入式系統市場的契機。

吳林聰表示，近期較受到矚目的智慧型嵌入式系統應用中，如互動式數位看板、遠距醫療系統等，皆須透過攝影機或感測器取得影像，再進一步進行分析，處理器須具備更強的處理能力與速度，才能第一時間判斷並反應，然而雖然目前處理器的核心速度已可達1GHz，但在處理龐大的影像資料時，仍稍嫌不足，因此智慧型系統開始採用多核心處理器。

舉例而言，2012年底特律車展中，奧迪(Audi)即宣布導入輝達(NVIDIA)多核心Tegra 3，用以提供消費者更豐富的車載多媒體體驗；互動式數位看板對於影像分析須相當精準，因此也有業者開始導入多核心處理器。吳林聰認為，舉凡牽涉到影像處理的智慧型嵌入式系統，皆逐漸展現對多核心處理器的需求，2012年將可看到更多支援多核心處理器的智慧型系統問世，而此需求也來自多媒體相關應用，如數位家庭的Media Box、車用娛樂系統等。

基於x86架構的英特爾，也針對智慧型嵌入式系統推出新的處理器。英特爾亞太區嵌入式產品事業群行銷總監陳樂欽表示，要管理數量龐大的聯網裝置與串連大量的資訊，會衍生出許多新的要求，英特爾架構的處理器可用來連結與安全地管理這些裝置，並為端點設備提供資訊分析的能力，如第二代酷睿(Core)及凌動處理器，即可滿足智慧型嵌入式產品的需求。

英特爾第二代Core處理器能提供充裕的處理效能，能同時驅動三台螢幕，並具備MPEG-2、AVC、VC1等影片格式的解碼效能，還支援MVC編碼與解碼的三維(3D)技術。陳樂欽強調，英特爾主動式管理技術(Active Management Technology)8.0版支援透過第三代通用序列匯流排(USB 3.0)的智慧管理功能，如手勢操控、先進遠端管理功能，以及嵌入式應用需要的多項功能。

另外，Atom處理器不僅提供充裕的I/O功能，還支援Windows Embedded OS、Linux、Android等各式作業系統，更重要的是，功耗大幅降低，可輕易建置於無散熱風扇的智慧型嵌入式系統。

反觀在智慧型嵌入式系統中擔任控制角色的微控制器，多核心的市場需求則尚未顯現，黃健州表示，目前Cortex-M4核心的微控制器核心處理速度約為68M～150MHz，已可以滿足一般較小型的智慧型系統所需，若需要再高的處理頻率則採用嵌入式處理器較具成本與效能優勢。除非業者的應用為連結更多小型的智慧型嵌入式系統，進一步串聯為更大的系統，多核心微控制器才可能被採用，不過，實際上，目前多核心微控制器尚未有市場需求出現。

搭上影像處理順風車　DSP拓展智慧型系統新藍海

除了多核心處理器外，智慧型嵌入式系統影像處理需求亦帶來數位訊號處理器(DSP)新商機。由於智慧型嵌入式系統延伸的新應用，須具備影像擷取與分析處理的能力，現階段單核心嵌入式處理器或微控制器將無法滿足需求，因此促使DSP加速導入智慧型嵌入式系統中。

鄭曜庭表示，智慧型嵌入式系統如數位看板、虛擬試衣間等商業應用，以及遠距醫療應用皆須透過攝影機捕捉消費者或病患的畫面，再透過分析影像，提高商業行為與遠距醫療過程的效果，而影像處理的翹楚，非DSP莫屬，因而提高DSP獲智慧型嵌入式系統採用的契機。

舉例而言，虛擬試衣間透過攝影機捕捉消費者「抓取」欲試穿的衣物後，再根據消費者的體型將衣物服貼於消費者身上，並顯示於穿衣鏡上；互動式數位看板則是透過攝影機的影像進行消費者年齡、消費喜好等分析，進一步顯示最適切的廣告。

鄭曜庭認為，上述的智慧型嵌入式系統應用中，影像的分析扮演相當重要的關鍵角色，但若此影像分析處理工作皆交由處理器處理，將造成處理器極大的負擔，也將增加系統整體功耗，因此外加一顆DSP將為大勢所趨。

除此之外，2012年CES中，三星(Samsung)、樂金(LG)推出的互動式智慧型電視，亦須具備攝影機的智慧型嵌入式系統才能落實。據了解，CES中推出互動式智慧型電視的業者，產品攝影機旁外掛的智慧型嵌入式系統，即採用德州儀器內建DSP的解決方案。

所謂互動式智慧型電視即為透過手勢、動作或語音，與消費者進行互動或用以操控電視，鄭曜庭指出，攝影機或感測器偵測到的影像若全然由電視機處理器晶片處理，將導致智慧型電視反應的延遲，因此德州儀器以DSP為主設計出新的嵌入式系統模組，用以支援攝影機影像處理的能力，分擔電視機主處理晶片的工作。

憑藉德州儀器於DSP的研發基礎，攝影機外掛的智慧型嵌入式系統模組解決方案具備較小尺寸、低功耗與較高的效能。鄭曜庭透露，雖然目前德州儀器的合作夥伴普遍採用外掛智慧型嵌入式模組的方式，但由於德州儀器DSP採用先進的製程技術，可進一步縮小尺寸，未來將可望整合至攝影機中，甚至進一步滿足智慧型電視薄型化的發展需求。導入德州儀器DSP嵌入式系統模組的終端產品也將於2012年下半年問世。

嵌入式系統智慧化　32位元MCU水漲船高

雖然多核心的需求尚未出現，不過，智慧型嵌入式系統大舉採用32位元微控制器。過去傳統嵌入式系統多採用8或16位元微控制器，隨著整合更多新功能的智慧型嵌入式系統逐漸發酵，導致8與16位元微控制器已不敷使用，因此業者正逐漸改用32位元微控制器。

圖2　美普思數位家庭行銷總監Kevin Kitagawa表示，目前日常生活中的嵌入式系統亦可透過聯網技術，與新增更豐富的應用軟體，升級為智慧型嵌入式系統。

美普思(MIPS)數位家庭行銷總監Kevin Kitagawa(圖2)表示，目前發展如火如荼的智慧型嵌入系統是由於消費者對於智慧化與便利的需求所起，意味著智慧型嵌入式系統必須能支援新功能與人機介面(UI)如資料分析與觸控、聲控等人機介面，並內建連結技術如Wi-Fi、ZigBee。上述新功能對微控制器所衍生的新需求包括更高效能、更大記憶體容量等，然8與16位元微控制器已無法滿足更多嵌入式系統智慧化的發展，因此32位元微控制器遂逐漸成為智慧型嵌入式系統主處理核心。

針對智慧型嵌入式系統發展，MIPS微控制器IP核心架構具備的較佳效率，可帶來高效能、低功耗和小晶粒面積優勢。Kitagawa指出，MIPS獨特的多執行緒技術對效率的提升更為顯著，而此技術也將導入MIPS 32位元微控制器核心中，提供智慧家電、智慧型電視，以及消費性電子產品等聯網、娛樂新體驗，並讓消費者能以簡單好用、無縫的介面操作。

面對其他微控制器核心的競爭，Kitagawa認為，MIPS 32位元微控制器核心承繼該公司處理器架構核心的特色與功能，並為精簡指令集(RISC)架構，因此相較於其他競爭對手，MIPS的微控制器核心為相當精簡、有效的架構，亦即以較少的指令與較低的複雜度，即可產生更佳的效率。此外，MIPS的開放、可授權32位元微控制器架構能提供最佳的設計靈活度和可擴充性，並具備無縫的相容性，進一步保護廠商的軟體投資。

應用管理軟體為智慧型嵌入式系統發展關鍵

除了各種關鍵元件滿足智慧型嵌入式系統的需求外，應用程式的發展亦攸關嵌入式系統能否真正智慧化。研華嵌入式電腦系統事業群產品企劃副理邱冠瑋指出，智慧型嵌入式系統不僅是透過攝影機或感測器蒐集資訊，還需要各種應用軟體將收集到的資訊進一步分析、轉化為業者所需且有用的資訊，否則僅收集資訊，卻不知如何有效運用資訊，仍稱不上智慧化。

看準應用軟體為智慧型嵌入式系統不可或缺的一部分，研華特別成立軟體研發部門，並從客戶需求為基礎，開發智慧型嵌入式系統所需的各式應用軟體，SUSIAccess即為一例。邱冠瑋解釋，透過SUSIAccess軟體，系統可自動回送各種設備運轉的資訊，一旦出現問題，系統也將判斷是否須到場維修或是遠端重新啟動即可恢復正常，以節省管理成本。此外，SUSIAccess也可依客戶需求，利用基本輸入輸出系統(BIOS)進行客製化。

據了解，目前工業電腦所採用的處理器與作業系統多以英特爾與微軟為大宗，各式應用軟體也以微軟Windows作業系統為基礎進行開發。邱冠瑋指出，目前的確有廠商考慮以Android或Linux，以及安謀國際(ARM)架構處理器進行智慧型嵌入式系統的開發，不過工業領域不若消費性電子已有標準化的設計可遵循，每一套系統的開發都須不同軟體支援，等於開發一套系統即須重起軟體的設計，安謀國際目前在工業領域的軟體仍不足以支援所需，再加上工業電腦使用環境嚴苛，生命週期皆須5年以上，意味著元件供貨時間亦須拉長，在在都是安謀國際架構處理器進入工業用智慧型嵌入式系統的難題。

另一方面，Android或Linux作業系統則礙於應用軟體不足，而遲遲未能進入工業領域。邱冠瑋解釋，現階段Android雖然在消費性市場發光發熱，但此熱度尚未延燒至工業市場，原因在於Android並未有工業相關應用軟體的出現，如類似微軟Office、Excel或系統管理等軟體，導致廠商舉步不前，目前僅有數位看板有廠商導入Android作業系統，但仍處於測試階段。

相較於Android，同屬開放性架構的Linux則在業者努力下，可望進入工業嵌入式系統中，邱冠瑋透露，研華將於明後年推出基於Linux作業系統的工業電腦。

無風扇設計助威　小型化嵌入式系統崛起

過去嵌入式系統，尤其是工業用系統予人體積相當龐大的觀感，為打破此一既定現象，讓智慧型嵌入式系統可廣泛布建，小型化的智慧型嵌入式系統裝置即成為大勢所趨，然而要讓智慧型嵌入式裝置順利小型化，無風扇設計將扮演重要角色。

邱冠瑋指出，智慧型嵌入式系統對系統廠商帶來的挑戰包括更高的處理效能、穩定的聯網技術、滿足戶外裝設環境需求等。處理器與聯網技術則須晶片業者進行改善，但是處理器效能越高，相對的就會產生更多的熱能，即需風扇散熱，以免系統失效，但安裝於戶外的智慧嵌入式系統體積大小受到限制，以及塑膠材質的風扇易隨著時間脆化，因此無風扇的設計也就從消費性電子進入到工業領域。

無風扇嵌入式系統平台是透過裝置機殼進行散熱，邱冠瑋表示，智慧型手機、平板裝置(Tablet Device)皆為導入無風扇嵌入式系統的先驅，而後逐漸被工業電腦所採用。

事實上，目前也有許多系統廠商進行無風扇智慧型嵌入式系統的研發，邱冠瑋強調，研華的優勢即在於成功推出採用高階的Core i7處理器的無風扇系統，並可在-20～60℃環境下工作，促使包括晶圓製造業者捨棄採用個人電腦(PC)進行晶圓製造流程的控管，而改採無風扇智慧型嵌入式裝置。

綜上所述，智慧型嵌入式系統應可循傳統嵌入式系統的軌跡，逐步普及於生活週遭，打造更智慧化的生活環境。陳樂欽強調，使用者逐漸被周圍數十億部全面聯網與能情境感知的智慧型設備所圍繞，而在智慧型嵌入式系統的資料轉變成可執行資訊，且無論是否有人為介入，皆構成智慧型服務的基礎，而全面聯網的智慧型嵌入式裝置也將成為網路化生活的基礎，使生活、工作、學習及娛樂更精采豐富。