在政治、經濟及社會等因素的帶動之下，嵌入式裝置和感測技術與醫療、社群網路等各種既定應用緊密結合的需求顯著增加。其結果就是許多具備接近個人電腦運算能力的嵌入式網際網路裝置蓬勃發展。這些新型嵌入式裝置不僅創造許多新機會，也帶來新挑戰。
已故的Xerox PARC公司技術長Mark Weiser在10多年前便指出，無所不在的運算裝置正逐漸改變我們的生活形態，「我們正針對世上的電腦擘畫一種新的思維模式，把人類的生活環境納入考量，讓電腦融入周圍的環境中。」
根據Weiser的觀察，對人們影響最深遠的科技，並非在實驗室或尖端研究機構裡莫測高深的最尖端科技，而是徹底融入你我日常生活之中的產品，例如每天使用的個人電腦(PC)，便是當代人類生活中不可或缺的重要基礎。
隨著科技不斷發展，網際網路至今已經歷過四波重大變革。回顧網際網路草創之初，當時擁有聯網能力的機器設備，只有少數大型主機；而隨著個人電腦的興起與普及，網際網路也演進到第二個階段，也就是在伺服器上進行電子商務與電子郵件等應用；第三波網際網路革命則是具體表現在蓬勃的社群互動應用，以及快速擴增的行動裝置上。
嵌入式聯網裝置重塑網際網路本質
我們現正處在網際網路演進的第四波起點，英特爾(Intel)稱之為嵌入式網際網路(Embedded Internet)。在這個網路空間中，數十億個嵌入式裝置相互連結成規模更大的運算系統，且毋須人工操作便能運作。市調機構國際數據資訊公司(IDC)的John Gantz支持這個概念，他預測在2015年之前，將有一百五十億個裝置透過網路相互連結(圖1)。
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資料來源：IDC
圖1 全球聯網裝置數量成長趨勢圖 |
嵌入式網際網路將利用為數可觀的聯網裝置與感測器，建構出足以支撐我們生活與商業活動的環境。這些裝置將融入公眾與私人場所，能辨識我們的身分，並針對我們的需求進行調整，滿足我們對於舒適、安全、快速運行的商務、娛樂、教育、節約資源、運作效率、以及個人福祉的需求。
未來，從辦公室建築到零售商店將出現許多可彈性調整與「智慧型」環境，造就出更多創新的使用模式，並大幅提升使用者的經驗。也因為如此，嵌入式裝置將需要更多的功能，促使元件製造商從專利、垂直整合的嵌入式系統，轉而採用新世代的標準型多功能系統。
嵌入式網際網路將協助新產品/解決方案/服務的研發業者創造出許多商機。要實現這些轉變，元件供應商必須推出平台化的解決方案，加上可擴充的效能，以及支援各項網路標準，才能將協助設備業者迅速針對這些機會做出應變。
各方勢力攜手創造嵌入式網路環境
事實上，除了科技發展的因素外，還有許多其他非科技因素對嵌入式網路環境的成熟扮演推手的角色(表1)。
| 表1 嵌入式網際網路的發展動力 |
| 政治 |
立法當局的規劃法案與激勵因素
寬頻、電子化政府、車輛急難呼叫系統(E-Call)、智慧型儀表、醫療電子化系統 |
| 經濟 |
營運效率
提高每位使用者平均營收，降低總持有成本，以及提高生產力 |
| 社會 |
智慧型環境
智慧型可連網嵌入式裝置，能針對使用者的需求、RFID、影像分析、語音辨識、以及其他感測應用進行調整 |
| 科技 |
無所不在的連線技術
長程演進技術(LTE)、全球行動通訊標準(GSM)、全球微波存取互通介面(WiMAX)、無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee、Z-Wave |
例如在政治領域，許多正在研擬中的法案與規範，都必須透過嵌入式裝置提供即時更新的資料，才能實現提升公眾安全、強化執法效率、醫療照護及高效率政府服務等目標；而在經濟層面，企業希望能提升生產力、降低營運成本及簡化資產監控程序，而這些目標均能透過嵌入式硬體間的通訊功能；在社會因素方面，消費者將要求大多數的電子裝置，例如手機、汽車及娛樂裝置等皆能連上網際網路，緊密地串連並支援各種先進功能，像是語音操控，讓人們能在身邊周遭環境中和這些嵌入式設備進行互動。
而嵌入式裝置之所以能提供聯網功能，最終還是須歸功於科技的發展，讓低價的寬頻技術與全球衛星定位系統(GPS)服務成為可能。服務成本的降低，帶來全面涵蓋的網路連結，讓嵌入式裝置製造商與服務供應商能推出各種創新的服務，並擴展新的營收來源。
萬物聯網時代來臨
受到新興市場力量的影響，促使業界開發出許多新一代智慧型聯網裝置，這類產品結合強化的網路功能與互通性，擁有一些關鍵屬性。許多嵌入式裝置將支援許多應用、效能水準及價位等方面的要求。在幾乎不被察覺的狀況之下，這些裝置將能相互連結，進行機器對機器(M2M)的通訊，滿足政府機構、消費者、以及企業的各項需求。
如今，這些裝置所採用的網路連線技術，其頻寬從數Mbit/s或kbit/s的低頻寬連線，一直到10M～1,000Mbit/s的高頻寬技術都有。經濟與科技方面的因素，將促使業者開發出單位位元傳輸成本更低，但傳輸頻寬更高的方案。
但成熟多樣的網路技術選擇只是推動萬物聯網願景發展的一塊重要拼圖。一個嵌入式聯網設備除了聯網能力外，具備各種不同運算能力等級的處理器技術和整合多種科技的平台化架構，也是不可或缺的關鍵。而隨著微處理器效能的進步和平台化的開發架構日益成熟，嵌入式運算與通訊已經開始融入到人們生活中的各個層面。如表2，從軍事國防、醫療、工業現場到零售應用，嵌入式運算裝置已經無所不在。
| 表2 微處理器平台架構為嵌入式網際網路帶來擴充彈性 |
| 處理器平台分類 |
軍事 |
醫療 |
工業 |
零售 |
| 伺服器級多核心處理器 |
雷達/聲納 |
醫療成像技術
(如電腦斷層、核磁共振、正子斷層造影) |
系統層級控制器 |
後勤部門 |
| 高階多核心處理器 |
航空電子 |
X光 |
工業PC |
銷售點管理系統、互動式多媒體機、數位看板 |
| 主流雙核心處理器 |
耐撞擊平板電腦 |
病患監視、診斷、治療 |
工業級PC、人機介面 |
銷售點管理系統、自動櫃員機、互動式多媒體機、店面數位看板 |
| 低功耗處理器 |
智慧型戰士、可穿戴型PC |
可攜式與掌上型裝置 |
工業PC、可程式化邏輯控制器、智慧型隨身碟 |
銷售點管理系統、店面數位看板 |
智慧型聯網裝置改變食衣住行育樂
搭載智慧功能的嵌入式聯網裝置將依賴網際網路的體系，從新的產品與服務以及藉由現有的產品來增加營收以達到快速成長。這些裝置將讓服務供應商得到許多新的機會，在許多先前未涉獵的市場中部署各種創新的網路服務。
舉例來說，消費者尋找各種便利的方法，藉以更有效率且方便地管理與監視各種家用系統並降低水電費用。這對用戶端服務閘道器市場的服務供應商帶來一個發展機會，這類業者負責將家庭網路連結至電力、水、瓦斯儀表、住宅加溫/通風/空調(HVAC)系統、火災與安全系統、以及提供各種娛樂與媒體服務。事實上，這些服務正是今日業界最熱門的智慧型電力網路(Smart Grid)所欲提供的服務內容。
在零售產業方面，新的商業形態將促使聯網裝置、網路及智慧型裝置的數量大幅增加，包括結合強大圖型化人機介面(HMI)的智慧型互動式多媒體機，以支援各種新型零售應用與服務。隨著市場對新服務的需求持續成長，能支援各項應用的匯整式服務平台將會快速崛起，以協助用戶加快開發流程。
除了住宅自動化和零售應用外，智慧型的嵌入式聯網裝置還可為各種新服務創造類似的發展機會，即便是目前已浮上檯面的可攜式醫療監視設備、車內資訊娛樂、數位看板等應用商機，都還只是整個嵌入式聯網設備應用的一小部分而已，整個嵌入式聯網的應用範圍，絕對遠大於此。
嵌入式聯網發展技術障礙不可輕忽
雖然嵌入式聯網技術具有徹底改變人類生活環境的潛力，但同時也會創造出許多新的技術瓶頸。業界須先克服這些障礙，才能創造出一個真正全球化通訊網路，並支援數十億個智慧型聯網裝置。以下便是嵌入式聯網技術在發展的過程中將遭遇的問題。
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網際網路通訊協定(IP)是嵌入式網際網路的共同標準，但快速增加的聯網裝置，迅速耗用掉網際網路的位址空間。業界目前預估IPv4的未分配位址在未來幾年便將耗盡。在2007年初，全球使用中的手機約有二十八億支，每天還新增加一百六十萬支。根據《The Digital Economy Fact Book》的報告，現今全球使用中的手機數量已超過三十五億支。
為了滿足爆發性成長的聯網裝置數量，IPv6是一個可行的解決方案。新世代的通訊協定IPv6大幅擴增可用位址空間，並支援眾多的寬頻、可聯網行動裝置與感測器網路，以及協助業者開發各種新型態服務。
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除了IP位址不足外，聯網裝置數量暴增也可能會形成通訊基礎建設的沉重負擔。隨著具備聯網功能的裝置從手機與PC轉移到數十億台的嵌入式裝置與感測器，網路基礎建設必須支援更多的網路傳輸規格，包括最消耗頻寬的視訊傳輸應用到單筆資料量極小，但資料傳輸筆數可達數以十億計的無線射頻辨識系統(RFID)應用。每當通訊裝置增加或新的通訊應用模式出現，都會對通訊基礎設備的負載帶來新的考驗。
為了解決這些問題，新一代的資料中心和電信設備都必須具備更大的網路容量和處理能力，同時設備的可擴展性也必須提升到新的水準。如刀鋒伺服器和電信級機架式伺服器等產品，便是針對新一代基礎設備的需求而研發出來的系統。
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值得注意的是，原本被用來獎勵創新的專利制度，若使用不慎，也有可能成為嵌入式聯網裝置創新的絆腳石，因為各種專利技術，像是客製化匯流排與非標準的應用程式介面(API)，均限制了不同技術之間的互通性。這些專屬的介面或通訊技術阻礙了重複使用元件的彈性，並增加通訊協定轉譯與產品專屬軟體的需求，進而增加開發新裝置的複雜度與成本。但這個問題也可透過倡導開放性標準來加以迴避。開放性標準可加速創新，排除產品開發過程中所面臨的各種專利技術障礙。
以嵌入式聯網裝置最常使用的ZigBee(802.15.4)為例，該技術便是業界群策群力掃除專利技術障礙的具體實例。ZigBee是針對低成本、標準型、網路無線感測器解決方案的需求所設計，這類產品擁有低功耗、安全性及可靠性等特色。它被廣泛用在許多市場，包括住宅與建築物自動化、智慧型能源儀表、工業自動化及醫療等。
但美中不足的是，ZigBee通訊協定堆疊不支援IP，因此系統開發者須採用802.15.4閘道器解決方案來進行IP轉譯作業。為了彌補這項缺憾，支援IP傳輸通訊協定解決方案的Compact Application Protocol(CAP)協定遂應運而生，該協定可讓用戶簡化大型感測器網路與應用的流程，能減少或完全消除通訊協定轉譯節點，讓更多使用者能利用在ZigBee應用設定檔(Application Profiles)所累積的知識。這種模式亦讓ZigBee聯盟能專注為無線感測器網路開發各種高價值應用，如能源管理與工業控制。 |
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在嵌入式聯網裝置暴增後，這些裝置的整體功耗也將累積成一個可觀的數字。為了環境的永續發展，對低功耗的追求將是永無止境的任務，不因應用為固定式或可攜式裝置而有所差別。
因此，對半導體元件供應商而言，晶片的省電性能必須持續改進，特別是處理器和搭配的的晶片組，由於往往是系統中最高性能的元件，因此消耗的功耗比例往往也最被突顯。所幸目前業界已發展出許多新的省電技術和機制，來協助處理器和晶片組降低功耗。 |
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連結、管理及確保裝置的安全性，是全面採納嵌入式網際網路的先決條件。因為不安全的運算裝置，其所造成的危害跟問題往往比其所能帶來的好處大得多。隱私保障亦為嵌入式聯網裝置能否持續普及的重要關鍵，這類裝置能辨識語音、臉部特徵、車牌、服裝、以及其他個人特有的辨識因素。
虛擬化與可信賴執行嵌入式網際網路的使用者可能會攜帶各種數位權證，像是RSA安全金鑰、磁條、智慧卡、RFID的安全證件及家用裝置。保護經加密的資訊是關鍵的環結。虛擬化技術(Virtualization)與可信賴執行技術(Trusted Execution)相互搭配，能在嵌入式網際網路環境中，取得易用性與保護隱私之間的最佳平衡點。 |
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當網路規模擴大後，要對這些聯網裝置進行管理，常常是件困難的任務。在嵌入式聯網裝置普及的將來，這些管理挑戰只會更加艱鉅。用戶必須管理聯網裝置，以確保它們妥善運作。快速增加的聯網裝置，可能會增加管理的複雜度與成本。
可擴充、可從遠端管理的裝置主動管理技術(Active Management)在未來的網路世代中將扮演更重要的角色。
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許多聯網裝置，若沒有採用適合的標準通訊堆疊，就無法一起搭配運作，形成連而不通的尷尬局面。
標準型通訊中介軟體則是解決這些問題的解答。各種專為網際網路所設計的開放原始碼的中介軟體，包括Java、JSON、XML、SOAP及Python，均為研發業者帶來一個標準化的框架，藉以統合網路感測器與其他統合式個人網路感測器與其他嵌入式裝置的架構。
嵌入式聯網環境所可能造成的問題還有很多，而目前業界也早已展開未雨綢繆，希望能透過早期導入更尖端的技術來防患於未然。 |
嵌入式聯網設備已成大勢所趨
嵌入式運算正經歷一波轉型。每瓦運算效能方面的突破，加上有線與無線寬頻連線的進步，均使得全球在線上提供服務的智慧型嵌入式裝置快速成長。而這些嵌入式裝置的普及，更會對人類的社會文化發展帶來重大的轉型，但前提是各項技術障礙均須被妥善克服。當嵌入式網際網路的環境成熟後，新的商業與日常生活面貌，亦將隨之而來。
(本文作者為英特爾亞太區嵌入及通訊產品市場協理)