物聯網(IoT)是一個廣義的縮寫，涉及將物體連接到網路雲端，以便運用演算法來控管情境，並且執行動作。物聯網可對服務提供、效率、成本、可擴展性和可靠性產生顛覆性的影響，橫跨的產業與消費的應用領域幾乎是不可思議地多元。分析師預估，物聯網的連接節點數將在短短幾年內達到數十億，這突顯了物聯網的巨大潛力。
物聯網成功的關鍵和核心是以高能量和高成本效益的方式感測、處理、控制和通訊的能力。毫無疑問地，電子產業也許受到巨大而令人興奮的廣闊市場潛力推動，已非常迅速地發展到人們對物聯網及其支援的生態系統感興趣和開發一系列活動。在許多情況下，這刺激了令人興奮的硬、軟體技術創新。
物聯網的擴散熱潮是如此之強，以至於它延伸到以前無人想到的物體，包括從電動工具、牙刷到植物和牲畜等各種各樣的東西。人們可以把很多物體看成所謂的數位雙胞胎(Digital-Twins)，就像為人們提供的「雲端虛擬化身(Cloud-avatars)」一樣。 由已連接的智慧物件提供的洞察力使實際行動在效率收益、節省營運成本、改善總體生活品質等方面受益。更棒的是，物聯網可透過單個網路對數十億個物體產生積極影響。
當今物聯網的簡化示意圖如圖1所示，左邊是物聯網中最顯而易見的連接設備。右邊是平常看不見的區域，但對幕後性能至關重要，人工智慧(AI)也是位於這個區域，其中有物聯網伺服器、硬碟、雲端運算、安全檢查等等。
圖1 簡化的物聯網示意圖
物聯網運算/連接需求帶來能源挑戰
如圖2所示，物聯網的兩端都有獨特和截然不同的功耗要求。用一句話概述，相對於物聯網節點數來說，雲端伺服器數量相當少，但其功耗要求卻很高，它們一直在運行，致使需要鉅額的能源預算。在物聯網生態系統的另一端則有大量的終端節點，當它們處於活躍狀態時，功率需求有限、啟動時間通常很短，但需要一個供電來源。
圖2 物聯網電源要求總覽
2018年6月，在法國南錫舉辦的2018年世界材料論壇(World Material Forum)舉行了一次題為促進材料效率的大數據/人工智慧的專門會議。史丹佛大學教授Reinhold Dauskardt點出了以下指標：單是美國的資料中心，一年耗電量估計為900億度，這相當於34個500百萬瓦的核電廠反應爐，相當於全法國核電廠發電量的一半(約56座反應爐)。進一步強調資料中心/雲端運算伺服器資源的電力需求統計資料顯示，2017年資料中心占全球用電量的3%。可能有些人認為這是個很低的比例，但由於世界對資料創建、消耗和移動有無止境的需求，有一種摩爾定律可適用於資料中心的能源消耗，即每四年增加一倍。按照此速度，如果沒有任何更改，那麼理論上來說，至2037年電腦使用的電能將比目前全球產出的更多。
根據Reinhold Dauskardt的總結，未來20年，我們面臨的一個巨大挑戰是透過設計與網路相連、但與電網斷開的物件來減少物聯網的能源消耗。它們必須是省電的、自動的，並運用可想到的任何能源，如振動、熱能和光能。在終端節點方面，正如前面所透露的預測，2021年將部署數百億個節點。它們每一個都會有非常低的功耗，再加上有限的啟動時間，這可以降低個別的能源預算，這是很好的。但這種急劇的成長仍與全球潛在的高耗電量相關。
免電池終端節點之能量收集
高能源效率是當今所有產品和服務的關鍵要求，將來更甚，原因前段文章已說明。標準包括更低的營運成本、符合法規、生態意識和電池使用壽命。大量物聯網邊緣節點可能是無線/電池供電的，超低功耗對於尋求開發實用、可用方案的設備製造商更重要。無線使部署的資本支出更低(即沒有布線成本以及重量減輕)，而免電池方案提供了更低的操作成本，且由於不需要電池維護服務，因此可以完全避免產生與能源相關的污染。
那麼，應該如何將連接、感測和免電池操作結合起來呢？透過結合智慧物件技術和可用通訊協定，單個終端節點僅需100微焦耳的預算就可以實現連接。迄今為止，許多現成的能量收集器能夠滿足這種水準的需求，能產生200到500微焦耳的能量。能量收集器可以由事件驅動(如開關)或連續收集，例如太陽能電板或熱電發電機。
連接物聯網節點
藍牙是在物聯網生態系統中主導市場占有率的一個連結標準，也吸引許多業者投入布局，例如安森美半導體即有藍牙低功耗系統單晶片(System-on-Chip, SoC)平台，也藉此在物聯網應用方面實現了新的產業基準；Zigbee協定的節能特性，則可支援自供電或能量收集物件的連接。而整合上述這些低功耗廣域網路(Low-Power Wide Area Networks, LPWAN)的特性、收發器以及SoC等產品，將可以協助使用者拓展在窄頻物聯網應用中的連接範圍。由於提供連接的SoC通常是物聯網設備開發的首選，這些平台為OEM和開發物聯網方案的服務供應商提供了強而有力的支援。
物聯網感測環節不可忽視
能量收集智慧被動感測器(SPS)和近場通訊(NFC)EEPROM相輔相成之下，可提供創新的高能效感測方案。此外，位置追蹤、環境光測量和運動檢測也是瞭解機器和人類環境的關鍵。讓這些元件運作，以提供現成的綜合解決方案或可行的概念驗證原型是個令人興奮的挑戰。而市面上也有許多物聯網開發套件(IDK)的工具可順暢、加速和簡化概念的開發，使用戶能夠快速、輕鬆地測量、整合和分析物聯網應用的資料。
物聯網的世界是「系統的系統」—它需要一個系統級的方案來實施，因此半導體業者(如安森美)也彙聚並開發了用於物聯網及其生態系統的技術。物聯網似乎勢不可擋，將對工業和消費中幾乎每一個領域的流程和事物產生積極影響。鑒於其潛在的規模，實現最佳能效至關重要。
開發新的能源收集方案無疑具有很大的吸引力，不僅因為上述原因，還因為能量收集器本身主要依靠關鍵的供應來源。能夠從動態中收集能量的超高效磁體的作用就像發電機。太陽能電池獲取光子能量，有時將其儲存在鋰離子電池中。現在收集器的主要原材料來源受到限制，並受到少數供應商的控制，位於數量非常有限的政府中。鑒於這些困難，全球的研發界都認為這是個非常熱門的話題。若要實現其預測的規模，須透過電子產業的技術創新，以支援和推動物聯網環保方案的廣泛部署。
(本文作者任職於安森美半導體)