物聯網(IoT)已成為近年最重要的技術趨勢之一。IoT裝置如雨後春筍般冒出，大幅改變了業務的運作和人們與周遭世界的互動方式。辦公室、居家環境、工廠、車輛，以及人們穿戴在身或裝在口袋裡的東西都裝設了嵌入式的電子系統、感測器，甚至裝有人工智慧(AI)軟體。這種IoT裝置從前是只在科幻小說中出現的幻想，現在卻迅速變成了生活中不可取代的一部分。
兼具智慧、安全性及高能源效率的IoT在我們身邊發展起來，各種搭載了智慧型半導體元件的裝置構成了IoT的基礎。這些系統的「智慧」來自現今設計和技術領域的延伸。從前各自獨立的智慧型裝置，如今以幾年前還不可能辦到的方式彼此互相連結，而AI演算法用於處理產生的大量感測器資料。IoT和AI的精彩結合需要有走在科技尖端的感測器、安全防護和供電能力，才能讓一切化為可能。
光是討論IoT究竟是什麼，以及IoT與AI之間的關聯，就出現了許多不同的定義和見解。歸納所有詳細資訊後，終會得到一個簡單的基本解釋：IoT是實體物件組成的網路，這些物件內含嵌入式電子組件，具備感測、運算、致動和通訊的能力。IoT裝置內的AI負責處理嵌入式電子組件提供的感測器資料，對資料進行分析，再嘗試去瞭解周遭的環境和事件(圖1)。
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| 圖1 IoT與資訊流向 |
智慧城市不是夢 物聯網/AI真實體現
這項概念的背後蘊藏著如此驚人的潛能，因此可想而知，全世界的公司都在採取行動，努力以全新的創意方式結合IoT和AI。逐漸興起的「智慧城市」是其中一個有趣的例子。城市的管理人員很快就發現，智慧網路基礎建設的重要性日益提升，影響人們看待自己所處世界的方式。設計師重新思考日常生活中常見的物品，為之加入新功能，或是從頭重新設計。因此，便出現了智慧路燈這類全新的IoT裝置。這種新型態的路燈演變成高度實用、聯網且具備高能源效率的門戶，構成了智慧城市基礎設施的骨幹。IoT與AI的結合，使得路燈可以感測到車輛接近，並據此提高或降低燈光的亮度。智慧路燈能夠感測到附近空出的停車位，並告知車內的導航系統。這種路燈還可以當作電動車的充電站，甚至可以監控和分析路燈本身的效能，在需要預防性維修時通知中央監控系統。
內建AI的IoT路燈再也不是夢。這個再真實不過的概念，是由英飛凌(Infineon)、英特爾(Intel)和慕尼黑的新創公司eluminocity協力合作的結晶。擁有此功能的路燈已經出現在世界各地的不同城市中，例如慕尼黑、芝加哥、牛津和恩荷芬，還會有更多裝設地點跟進(圖2)。
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| 圖2 eluminocity智慧型LED路燈 |
資料來源：eluminocity
IoT與AI開啟了全新的市場，甚至將從前無法實現，以及可說是天方夜譚的市場化為現實。家用電腦的發明、網際網路的發展、雲端運算的演進，一步步鋪成了通往IoT的道路。IoT與AI的結合開啟了充滿可能性的新世界。
雖然裝置本身及AI的演算法是這種新興技術的關鍵所在，但裝置數量的增加，再加上電力需求的成長及安全防護上的重大需求，則讓設計師面臨到巨大挑戰。
電力需求與物聯網裝置爆發 AI設計挑戰倍增
舉例而言，新的AI技術所需的電量非常驚人。AI系統需要每秒執行超過3萬8千兆次的操作(38 PFLOPS)，在過程中消耗超過1,500萬瓦的電量，才能達到相等於只需消耗大約20瓦的人腦處理效能。光是要供應這種程度的電量就已經是一大挑戰。效率無比重要，不僅能源成本在上升，變成熱量散發掉的每一瓦廢電也提高了資料中心的空調需求，進而增加營運成本和碳足跡。
IoT裝置的網路連線能力也產生了一些值得注意的挑戰。裝置幕後的AI系統需要傳輸大量資料，且必須以安全的方式進行，不但要保護裝置本身，也要兼顧資料的安全。根據國際研究暨顧問機構Gartner預估到了2020年，將有超過200億件IoT裝置「聯網」(不含智慧型手機、平板電腦和電腦)。IoT的機器間通訊，讓資料的流量和總量達到史上新高。
這些裝置需要的感測器數量不斷攀升，包括雷達、溫度、壓力、動作、亮度、聲音、鄰近度等各種感測器。這些感測器還必須整合至越來越小的空間內。
為因應IoT設計師和AI程式設計師所面臨的多方挑戰，有哪些出色的解決方案可供採用呢？舉例來說，已有公司如英飛凌提供大量的感測裝置，適合用於IoT裝置像是市場上最小的24GHz工業用雷達晶片解決方案。該方案是一款矽鍺雷達單片微波積體電路(MMIC)收發器，運作於24.0GHz至24.25GHz的ISM頻段，測量精準度相當高。
英飛凌的24GHz雷達產品組合可測量許多不同的參數，包括以都卜勒測得的物體速率和速度，以及電磁波測得的距離數值。額外的接收通道可依據天線的相位偵測，測得角度和方向。24GHz雷達技術可運用在多種用途上，包括UAV/多軸飛行器、服務機器人、工業機器人、安全系統、智慧街道照明和許多其他的IoT應用方式(圖3)。
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| 圖3 BGT24LTR11的方塊圖與套件大小 |
精密的電源管理方式和設計，是滿足IoT與AI電力需求的必要條件。為了因應此需求，引進了先進的數位控制技術，取代傳統的類比式解決方案(圖4)。
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| 圖4 高效的電源管理與資料安全防護 |
擁抱未來 IoT/AI改寫世界新面貌
數位控制為高端電源解決方案的設計提供了許多優勢，尤其是系統的整體靈活度和調整能力。透過數位技術可將控制器客製化，不需要昂貴耗時的矽製程。客製化可延伸到組態的定義、系統效能資料收集的遙測、故障管理的設定和裝置的調校。
隨著電力系統與整體解決方案的整合程度日益提升，電力解決方案與主要CPU/GPU/TPU之間的通訊產生了新的需求。英飛凌成熟的數位控制器技術促進了領先市場解決方案的發展，並且加入可以即時處理系統設計、組態、驗證和監控的GUI。
數位解決方案能就AI所需的可擴充電力解決方案，提供簡化的建構方法。由於具備更佳功能性和精準的供電能力，其價格上的競爭力媲美最終要取代的類比解決方案。
IoT和AI雖處於成長階段初期，但已公認為最重要且快速成長的技術趨勢，預期會對我們所處的世界造成深遠影響。開創性的IoT裝置搭配最新構想出的AI演算法，在許多層面上都大大考驗著設計師。傳統的硬體設計迅速從一開始樸實無華的單用途獨立裝置，轉變為高度先進的智慧型工具，以各種從前在科幻小說和電影中才能想見的方式連結成網路。
IoT與AI的結合會以想像不到的方式，重新塑造和定義我們的生活與企業。我們不能等到趨勢變化造成全面影響後才做出反應。相反地，我們必須一起向前邁進，不斷發展和創新，找出能夠保護IoT通訊安全的方法、改善供電效率，並發展出感測周遭世界的全新方式。IoT與AI的革命近在眼前，現在便是向前邁步，擁抱未來的時刻。
(本文作者任職於英飛凌)