萬物互聯時代來臨，為因應不同需求，物聯網設計需要權衡功耗、成本、傳輸性能等要素。其中，低功耗能為物聯網帶來的價值逐漸受到重視，成為新世代物聯網的設計關鍵。
與無處不在的技術生態系統進行互動，已是多數人的日常。從健身追蹤裝置、智慧吸塵器及半自動駕駛車，乃至每日早晨喚醒我們的智慧家庭裝置，不可否認，物聯網(IoT)的普及已滲透日常生活的各個方面。觸手可及的即時連線背後，關鍵核心在於強大的雲端運算和機器學習技術。藉由物聯網運用有線和無線方式在網路或資料中心之間傳輸大量資料的能力，雲端運算和機器學習技術得以蓬勃發展。
此類具備情境感知能力，並且能夠即時反應的物聯網裝置已經存在頗長時間。近年來，隨著裝置間相互通訊能力與連接至雲端的發展，更釋放出全新技術的潛在可能性。IDC指出，2019年聯網裝置數量為226億台，預計到2025年，資料使用量將來到180皆位元組(Zettabyte)，聯網裝置數量則增加至750億台。
因應消費者期待物聯網裝置更加輕巧便攜、反應即時的需求，系統單晶片(SoC)設計工程師通常需要在連接性、安全性、個人化和感測器處理等功能之間做出艱難的取捨，以達到令人滿意的電池壽命。
對於旨在將低功耗(Low Power)特性融入設計的開發團隊而言，運用全方位IP解決方案與延續性創新周期，以開發出高效資料處理、超小外形尺寸並支援多種無線網路標準的晶片，將是產品設計的成功關鍵。如今，設計團隊正在重新探索過去擱置的多種方式，以盡量提升設計的功耗效率和效能。也就是說，我們現在才剛開始理解這些相關技術的潛力。
本文將說明低功耗設計的需求、應該考量的關鍵設計技術、擴展物聯網應用的挑戰和機會，以及無所不在的連結將如何推動次世代物聯網設計。
連結全世界的物聯網設計
物聯網的美妙之處在於能夠讓不同位置的裝置進行資料交換，並以前所未有的方式進行控制管理。過去，物理距離是插入式機械或電子裝置進行功能協作的關鍵先決條件，如此要求限制了裝置的控制範圍和方式；如今，具備先進通訊功能的微處理器創造出更大規模的物聯網系統，並以大量的「邊緣裝置(Edge Device)」取代剛性物理系統的障礙。
傳統上，物聯網設計團隊的唯一目標是降低成本而非功耗。雖然降低功耗有一定重要性，但面臨將降低成本列為最主要優先項目的情況，設計人員不得不暫時忽略低功耗特性，以滿足預算要求。不過，時至今日，垂直整合系統公司認為，降低功耗能夠為總體擁有成本(TCO)帶來助益。對其而言，隨著時間推移，能耗將遠遠超過晶片的單位成本，因此將優先考慮低功耗，並與高效能和高效率處理功能結合，而不只是致力於降低晶片成本。此舉徹底改變整個遊戲規則。簡而言之，低功耗、延長電池壽命和將能源足跡(Energy Footprint)最小化等市場價值不斷增加，改變人們對於功耗的重視程度。
智慧技術(例如AI)的進步，讓團隊能夠聚焦在特定任務範圍，並優化每一瓦的功率。為因應新興市場的需求，將需要多種人工智慧演算法和額外的彈性。這將讓系統工程師能夠深入瞭解如何優化晶片功率，並將權衡取捨的指標從超高彈性及超低成本，轉移至較低彈性及較低功耗。
低功耗設計之需求
全球各地的企業都在推動具備更多功能的手持便攜式電池供電工具。「降低功耗以延長電池壽命」是為這類產品帶來差異化的關鍵因素，也會對終端應用產生至關重要的影響。
本質上，低功耗設計的目標是盡可能減少動態和靜態的功率消耗。動態功率由切換功率(Switching Power)和短路功率(Short-circuit Power)組成，而靜態功率則是由無訊號活動時流過電路的漏電流(Leakage Current)構成。這些功率元件中每一項數值都與頻率、峰值電流、電壓、轉換時間、漏電流、電容負載和開關活動等因素直接相關(圖1)。
圖1 功率元件及相關公式 (圖片來源：新思科技)
電壓值越高，零組件消耗的功率就越多。為了在消耗最少功率的同時達成所需的性能，可透過各種低功耗技術和方法測試每項因素的權衡取捨，以滿足激烈極端的市場需求。
決定插入式物聯網裝置是否需搭載專門設計的冷卻系統或散熱器時，縮短關閉/睡眠狀態轉換到開啟/活動狀態所需的時間是一項關鍵參數，電力成本也可能因此而增加。例如，由於每個晶片對系統皆具有重大影響，在平行系統的伺服器叢集中更新使用低功耗IC，將可顯著節省功耗和成本。
採購團隊過往的主要目標是找出降低晶片成本和整合連結性的最佳方法；但要成功實現這兩個參數是一項艱鉅挑戰，原因在於需要有額外記憶體和周邊設備來支持相關需求。
隨著AI日益普及，我們預期將產生更多針對特定應用專屬的任務，並為SoC設計團隊帶來優化特定設計功能和元件的契機。與智慧型手機市場有所不同，這些設計需適用於多種實際應用，以確保應用的數量與設計所投入的資源相稱，這也使得降低成本更具挑戰性。
低功耗：新世代物聯網設計關鍵(1)
低功耗：新世代物聯網設計關鍵(2)