邁向更高整合/超低功耗　MCU搶發穿戴式電子財

甫於日前落幕的2013年德國柏林國際消費性電子展(IFA)中，三星(Samsung)、索尼(Sony)和樂金(LG)等品牌大廠，除發布旗艦級大尺寸平板手機(Phablet)外，更搶先推出智慧手表(Smart Watch)或智慧眼鏡(Smart Glasses)等新世代穿戴式電子裝置，顯見此一新形態產品的發展熱潮正席捲整個電子科技產業。

事實上，智慧型穿戴式電子概念類似行動裝置縮小版，同樣須具備邏輯/圖形運算、聯網、顯示器及部分的作業系統支援能力，可望繼智慧型手機、平板裝置之後，躍居出貨成長力道最強的明星電子產品。據市場研調機構顧能(Gartner)報告指出，智慧型穿戴式電子將自2013年開始大量銷售，總體市場產值至2016年將上看100億美元，吸引各家消費性品牌業者競相卡位商機。

但是，智慧型穿戴式電子在系統功耗與體積方面的要求卻遠較行動裝置嚴格，一般手機處理器和通訊晶片難以橫跨兩種設計，因而引發一連串的中央處理器(CPU)、無線通訊與電源管理技術革新需求，可望為微控制器(MCU)業者帶來嶄新契機，相關大廠正相繼投入競逐市場大餅。

穿戴式電子熱了　MCU應用版圖再下一城

圖1 新唐科技微控制器應用產品中心協理林任烈表示，行動醫療產品未來需求可望逐年翻漲，為MCU廠商引來商機。

新唐科技微控制器應用產品中心協理林任烈(圖1)表示，2013年已成為穿戴式電子產品起飛元年，包括蘋果(Apple)、Google、三星、索尼和Nike等國際大廠均陸續釋出智慧手表、智慧眼鏡等產品研發計畫，或已發布相關產品，使穿戴式電子市場熱度直線升溫。

現階段，穿戴式電子大致分為智慧眼鏡、智慧手表、運動與健康監測裝置四大類，可搭配手機、平板使用，或獨立運行特定應用程式，再利用無線通訊方案將資料上傳至行動裝置或雲端伺服器。由於其配備的螢幕及電池體積有所限制，且多以行動裝置配件的形式運作，因此系統主處理器傾向採用MCU而非應用處理器，進而為相關MCU業者開創新藍海市場。

然而，林任烈強調，目前穿戴式電子仍有諸多設計挑戰須克服，內建MCU不僅須支援短時間高速運算、微機電系統(MEMS)感測器資料彙整，還須大幅縮減耗電量，並改搭BGA/晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)等微型封裝方案，才能真正符合系統極致輕薄、省電又智慧化的要求；因此，未來新一代功能齊全且低功耗的32位元MCU將扮演重要的系統控制角色，成為晶片商競逐焦點。

對穿戴式電子而言，雖然系統主處理器的電壓及功耗愈低愈好、尺寸愈小愈好，但仍須支援高精度類比數位轉換器(ADC)、周邊傳輸介面(SPI/UART/I2C/USB)及觸控功能，甚至還須搭配數位訊號處理器(DSP)矽智財(IP)，以更先進的演算法提升顯示器、音訊處理和電源管理功能，因此業界已將32位元MCU視為追求穿戴式電子系統性能與功耗平衡點的利器。

兼顧MCU性能與功耗　Cortex-M核心爆紅

32位元MCU不僅兼具高效能與低功耗價值，近來其市場價格也節節進逼傳統8、16位元方案，尤其在安謀國際(ARM)大舉推出Cortex-M0/M0+、Cortex-M3和Cortex-M4系列核心後，更迅速獲得一線大廠採用，使32位元MCU出貨量迅速擴大，逐漸取得規模經濟優勢，進而助長其取代傳統低位元產品的風潮。

事實上，在安謀國際低功耗設計架構，以及可搭載更高階且複雜的演算法等優勢加持下，32位元MCU已躍居智慧型穿戴式電子裝置的首選。不僅如此，由於智慧型穿戴式電子須擴充記憶體存取空間，至少須達到256K?512K快閃記憶體(Flash Memory)，以及64K～128K靜態隨機存取記憶體(SRAM)規格，因而也成為系統廠傾向以32位元MCU開發產品的原因之一。

與此同時，林任烈指出，智慧手表、智慧眼鏡等產品須與行動裝置無縫連結，所以內建MCU也要厚實第二代通用序列匯流排(USB 2.0)OTG、低功耗藍牙(BLE)，甚至無線區域網路(Wi-Fi)等通訊介面的支援；再加上須處理MEMS感測器資料，同時間進行多工處理任務，在在導致系統廠勢必要導入32位元方案。

隨著32位元MCU日漸走紅，包括意法半導體(ST)、芯科實驗室(Silicon Labs)、德州儀器(TI)、微芯(Microchip)和飛思卡爾(Freescale)等國際大廠，以及新唐科技、盛群半導體等台商皆正傾力擴展相關產品陣容，進而爭取穿戴式電子市場先占優勢。

卡位穿戴電子市場　MCU大廠各闢蹊徑

瞄準穿戴式電子市場商機，MCU廠商正相繼授權Cortex-M0、M0+與M4核心，並加速MCU製程演進腳步，以90或65奈米製程打造高整合32位元MCU方案，從而實現高性能、低功耗、大容量記憶體、高精度16位元ADC/12位元DAC及小尺寸封裝等功能特色。

以新唐為例，其已選用Cortex-M0核心打造客製化專用型32位元MCU，揮軍穿戴式電子市場。林任烈透露，近期新唐Cortex-M0 MCU在穿戴式個人生理健康監測產品、遊戲體感和運動體能監測裝置均有斬獲，至於智慧眼鏡及智慧手表等前瞻應用，該公司則將汲取上述單一功能用途的穿戴式產品拓展經驗，進一步評估相關MCU發展方向與規格需求。

與此同時，芯科實驗室日前也發表Cortex-M0+ 32位元MCU，強打其工作模式僅110微安培/MHz功耗，以及0.9微安培(μA)超低待機電流消耗的特色，搶攻智慧手表、可攜式健康和健身產品、無線感測器節點及能源採集(Energy Harvesting)系統等應用商機。

據悉，該款元件是市面上唯一整合可程式化電流數位類比轉換器(IDAC)的Cortex-M0+ MCU，可從0.05微安培至64微安培範圍產生偏置電流，卻僅有10奈安培功耗，進而以最低的耗電量為MCU及外部電路(包括放大器/感測器/惠斯登電橋和電阻器梯形電路)提供精準偏置與控制能力，有助系統廠省下高成本的外部功率放大元件。

芯科實驗室資深副總裁暨微控制器產品總經理GeirForre表示，物聯網(IoT)是個廣大而令人興奮的市場，而穿戴式電子裝置將是其中的重要一環，隨著芯科實驗室僅奈安培等級能耗的Cortex-M0+ MCU於今年第四季量產，相關系統廠將能開發低成本、電池長效供電的可攜式聯網設備，加速物聯網生態系統成形。

不同於新唐和芯科實驗室主打中低階Cortex-M0/M0+方案，意法半導體則以高階Cortex-M4核心引進DSP加浮點運算單元(FPU)能力，進一步開發高性能的32位元MCU。

圖2 意法半導體大中華與南亞區微控制器行銷和應用總監James Wiar(右)提到，因應穿戴電子顯示需求，ST已在MCU內建專用影像處理器。左為意法半導體大中華與南亞區產品行銷經理楊正廉

意法半導體大中華與南亞區微控制器行銷和應用總監James Wiar(圖2右)認為，現階段，穿戴式電子各式應用功能正值萌芽初期，雖然不須配備與智慧型手機或平板裝置一樣堅強的應用處理器，或昂貴的DSP，但仍須注重多媒體影音品質、混合訊號處理、友善的人機介面及周邊連結功能，以做為設計創意的後盾，因此意法半導體遂採用足以支撐工業設備控制等級的Cortex-M4核心，並以90奈米製程和獨家電壓調節技術，進一步提升32位元MCU的整合度與節能表現。

Wiar強調，意法半導體的目標係以單顆高效能MCU支援整個穿戴式電子系統控制，並同步扮演Wi-Fi聯網模組、感測器集線器(Sensor Hub)的中控角色，進而協助系統業者的縮減研發時程與成本負擔，快速拱大市場。

突破性能極限　MCU/MPU規格加速演進

儘管MCU廠商各自有其主打的應用市場，但投入開發高性價比Cortex-M0、M0+及M4的32位元MCU已是一門顯學，預估未來1～2年內，入門級Cortex-M0方案價格就能達到市場可接受的甜蜜點，並全面取代8位元MCU。

林任烈更透露，目前已有MCU業者緊鑼密鼓展開四核心/八核心32位元MCU先期設計，並研擬導入65奈米以下，甚至直接挺進28奈米先進製程；未來，智慧型穿戴式電子專用MCU更可望逐步整合DSP、藍牙4.0和電源管理晶片(PMIC)，以大幅提升功能整合度及降低系統運行功耗。

看準市場對MCU的功能要求將不斷升高，飛思卡爾則率先開發混搭Cortex-A5處理器與Cortex-M4 MCU核心的微處理器(MPU)方案，不僅可將時脈推升至200MHz以上，亦可替未來智慧型穿戴電子須獨力支援作業系統的要求鋪路。

值得注意的是，除MCU廠商大舉在智慧型穿戴式電子市場開疆闢土外，處理器業者也正磨拳擦掌；其中，英特爾(Intel)即於2013年英特爾科技論壇(IDF)中發布極低功耗的x86微處理器(MPU)--夸克(Quark)，宣示將進軍穿戴式電子市場，與安謀國際處理器技術陣營一較高下。

據悉，該產品採用系統單晶片(SoC)設計，擁有媲美應用處理器的效能，但相較於英特爾旗下行動裝置平台凌動(Atom)，尺寸僅五分之一，功耗更大幅微縮至十分之一，顯然係為穿戴式電子量身打造。今年甫走馬上任的英特爾執行長Brian Krzanich更鬆口，該公司可望以Quark參考設計合作模式，甚至開放式的IP授權方式，加速擴張在智慧型穿戴式電子裝置晶片領域的影響力，足見其相當看重這塊市場。

瞄準智慧眼鏡　SiP晶片商搶分杯羹

無庸置疑，智慧眼鏡和智慧手表已成為穿戴式電子市場的兩大巨星，繼國際品牌大廠陸續推出相關產品後，台灣原始設計製造商(ODM)和原始設備製造商(OEM)也紛紛計畫跟進，因而激勵微型化晶片需求高漲，成為系統級封裝(SiP)業者一展長才的新舞台。

3 鉅景科技Logic SiP事業處協理周儒聰認為，穿戴式電子仍處於萌芽階段，未來相關產品益趨成熟後，將點燃更龐大的SiP設計商機。

鉅景科技Logic SiP事業處協理周儒聰(圖3)表示，SiP技術可實現邏輯、記憶體晶片，甚至於被動元件的異質整合，進一步提高晶片的整合度並縮減功耗和占位空間，將成為穿戴式電子裝置邁向微型設計的一大推手。近期，鉅景已搶先發布整合雙核心CPU和記憶體的SiP方案，以及支援Wi-Fi及藍牙的SiP模組，將穿戴式電子視為新大陸，積極搶灘。

然而，目前智慧手表仍局限於行動裝置配件角色，僅透過無線技術與手機或平板連結，搭載高階32位元MCU就能實現；相較之下，智慧眼鏡所需的投影顯示功能、應用程式支援能力及輕薄度明顯嚴格許多，因此對系統主處理器的要求也隨之更上層樓，成為SiP廠首要布局重點。

周儒聰強調，瞄準智慧眼鏡市場，鉅景已開發兩款SiP方案，包括整合雙核心Cortex-A9、兩顆儲存型快閃記憶體(NAND Flash)及兩顆同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)的五合一SiP晶片，以及兼容Wi-Fi與藍牙的SiP模組，將提供優異的運算和聯網功能，同時滿足智慧眼鏡小體積、低功耗的設計需求。

除將智慧眼鏡視為金雞母外，周儒聰也透露，SiP廠下一階段目標將是實現真正的智慧手表，目前已有系統廠計畫導入可撓式面板、軟板設計及微投影功能，以突破手表顯示面積太小的桎梏；如此一來，智慧手表所需的運算、聯網和顯示規格將與行動裝置不相上下，惟有透過SiP技術進行異質晶片整合，才能達到足夠的效能，並維持極致輕薄的設計，以利用戶配戴，可望為SiP業者帶來新一波藍海商機。

周儒聰透露，為加速真正的智慧手表設計成形，鉅景除將於年底發表四核心Cortex-A9的SiP五合一方案，大幅提高運算效能外，亦將加緊研發整合被動元件及類比晶片的下世代SiP方案，進一步縮減系統零組件用量及功耗。

在穿戴式電子外型及使用模式限制下，系統零組件端的技術革新已無可避免，不僅如此，由於穿戴式產品直接緊貼人體，更須被嚴苛評估對人體安全的影響，因此包括其可能產生的電擊與起火爆炸危險，甚至牽涉到輻射、電磁波等安全問題都將面臨國際標準組織新的規範。

安全法規就定位　穿戴式電子發展更添力

圖4 UL亞太區高科技事業工程部總監蔡英哲強調，穿戴式電子產品長時間緊貼身體，安全問題不容忽視。

UL亞太區高科技事業工程部總監蔡英哲(圖4)表示，在產品設計端就融入安全考量將是未來開發穿戴式電子產品的趨勢。目前國際上已頒布最新的資訊影音類標準--IEC/UL 62368-1，要求產品須在設計端就把潛在的危險源如熱、導電、化學和輻射等找出來並加以防範，相較於傳統電子產品的開發，製造商須更用心關注穿戴式產品安全問題，才能順利通過標準組織及各國消費性產品驗證單位的考驗。

蔡英哲進一步分析，穿戴式裝置牽涉到的安全問題層面相當廣泛，以智慧眼鏡為例，鏡架若採用金屬材質，運作過程中所產生的熱，很容易藉由金屬導散至人體皮膚，因此UL 62368-1標準定義長時間穿戴在人體的電子產品，金屬表面溫度不可超過48℃；此外，其內建投影顯示器的發光二極體(LED)燈也有功率或輻射過高而傷害人眼的疑慮，在在須納入設計考量。

蔡英哲透露，近期已有不少OEM業者與UL接洽，攜手在穿戴式電子產品的設計發想階段過濾危險源，以進一步改善系統設計及元件規格，降低產品研發失敗風險。

綜上所述，隨著32位元MCU規格快速演進，加上相關安全法規漸趨完整，智慧型穿戴電子的發展將再往前邁進一大步，成為未來幾年電子科技產業最熱門的關注焦點之一。