低功耗/高整合方案尽出 穿戴式装置元件规格大翻新

穿戴式装置将引爆新一轮的晶片热战。穿戴式装置受限于体积及重量限制，所需元件规格与一般行动装置不尽相同，为抢食此商机，穿戴式装置中的关键元件开发商，无不戮力针对穿戴式装置发布新一代低功耗或高整合的解决方案，再次翻新行动装置元件规格。  

图1　芯科实验室美国区域市场行销总监Raman Sharma表示，穿戴式产品设计的首要考量，是元件是否能达到超低功耗的水准。
芯科实验室(Silicon Labs)美国区域市场行销总监Raman Sharma(图1)表示，从来自Misfit或Magellan等穿戴式装置开发商给予该公司的回馈可知，穿戴式产品设计时，首先最注重的就是元件够不够省电，他们强调，够长的电池寿命才是穿戴式产品能否为消费者所接受并在市场获得成功的关键；也因此，穿戴式装置开发商通常会选择低耗电的微控制器(MCU)做为装置处理核心，以延长电池寿命。  

为了符合大多数穿戴式装置对于低功耗的需求，MCU厂商除戮力将系统待机及操作电流降至最低外，亦致力优化MCU处于睡眠状态的耗电情形，此将成为MCU厂能否成功抢进穿戴式市场的重要指标。  

满足穿戴式应用　MCU厂力拼低功耗设计


图2　新唐科技微控制器产品中心协理林任烈指出，MCU厂商除将系统待机及操作电流降至最低外，亦致力优化MCU处于睡眠状态的耗电情形。
新唐科技微控制器产品中心协理林任烈(图2)表示，为了达到超低功耗的表现，厂商在开发MCU时通常会导入睡眠模式(Sleep Mode)设计，让MCU在非系统运作高峰期的大部分时间，能够处于低耗电的睡眠状态，进一步降低装置整体功耗。  

林任烈进一步指出，符合穿戴式装置需求的低功耗MCU其操作电流须达到180微安培(μA)以下的水准，在睡眠模式下的待机电流也须低于1微安培；不过，当MCU处于睡眠模式时，系统并非完全静止不动，因此如何优化MCU处于睡眠模式下的系统设计，让装置更省电，便成了MCU厂商戮力改善的一大重点。  

其中，快速唤醒时间更是首要关键。据了解，MCU厂商为了达到节能目的，常在MCU中加入各种运行模式，光是睡眠模式可能就有好几种；以爱特梅尔(Atmel)的SAM4L系列为例，便可支援睡眠、待机、保存和备用等四种睡眠模式。在多种复杂的运行模式下，如果MCU总是要花上长时间才能从睡眠模式中启动，将难以真正降低系统功耗。因此，林任烈提到，MCU厂商除了导入睡眠模式设计外，亦极为注重如何加速唤醒时间。据了解，目前市面上MCU在唤醒时间的平均表现水准约为5?8毫秒(ms)。  

另一方面，MCU与周边感测器、无线射频(RF)元件的传输介面亦攸关MCU是否能达到有效睡眠模式。林任烈解释，由于睡眠模式中MCU与周边元件的运行方式系随着资料传输速度而变动，也就是资料传输速度愈快，MCU与周边元件唤醒/工作模式切换的时间就愈短；因此，串列周边介面(SPI)、I2C、输入/输出(I/O)接脚等传输介面的设计重点就是「抢快」，愈高速的传输介面才能愈快唤醒MCU，并且缩短MCU处理资料的时间，从而让装置更省电。  

林任烈补充，现在愈来愈多诉求低功耗与高效能的MCU，也开始导入可加快记忆体存取速度的多通道直接记忆体存取(Direct Memory Access, DMA)控制器，藉此在不唤醒MCU的状态下执行及分配资料存取。也就是说，DMA控制器能将多笔资料分配储存至静态随机存取记忆体(SRAM)及快闪记忆体(Flash)中，待记忆体储存至一定容量后再唤醒MCU，使其能一次处理多笔资料，让进入睡眠模式的MCU不会被轻易打扰。  

另外，也有MCU开发商透过低功耗感测器介面(Low Energy Sensor Interface, LESENSE)和周边反射系统(PRS)的设计以改善MCU处于睡眠模式下的系统运作表现；如芯科实验室藉由不断优化这两项设计开发出超低功耗MCU--EFM32 Gecko；让MCU即使进入睡眠模式，MCU的周边元件，如类比数位转换器(ADC)等，亦能自行配对、自主性撷取与传递资料。  

值得一提的是，除了以安谋国际(ARM)Cortex-M系列核心打造的低功耗MCU正在穿戴式装置市场大行其道外，亦开始有厂商将采用以Cortex-A系列打造的微处理器(MPU)导入穿戴式装置，让穿戴式装置得以实现更高阶的应用功能。  

锁定中高阶穿戴式产品　MPU方案露头角

飞思卡尔(Freescale)微控制器事业部亚太区市场行销和业务拓展经理王维认为，穿戴式装置的设计重点除集中在整个产品的重量、功耗、易用性之外，产品的功能面是否能满足消费者需求亦为重要考量。  

王维表示，目前MCU方案锁定的主要是中低阶的穿戴式装置，而MPU产品主要锁定的是高解析度彩色萤幕等功能更为复杂的中高阶应用；如飞思卡尔的i.MX6系列MPU即系针对此需求所推出。  

不过，目前MPU方案还在接受其是否能真正符合市场需求的考验。Sharma认为，处理器厂商推出MPU方案的宣示性作用大于实际效用，主要系由于MPU方案相对地会带来更高的耗电量，导致穿戴式装置须频繁充电，若无良好的配套方案将难以为消费者所接受；因此芯科实验室短期内并不会考虑跟进开发Cortex-A系列的处理器，仍将聚焦于超低功耗的MCU。  

尽管如此，可实现更高效能运作模式的应用处理器(Application Processor, AP)仍快步在市场上崭露头角，特别是在智慧型眼镜应用领域，可望与MCU方案一较高下。  

[@B]实现智慧眼镜吸睛功能　AP加入穿戴式战局[@C] 实现智慧眼镜吸睛功能　AP加入穿戴式战局


图3　钜景科技Logic SiP事业处协理周儒聪认为，为了实现智慧型眼镜丰富的人机介面功能，AP将加入穿戴式战局与MCU方案一较高下。
钜景科技Logic SiP事业处协理周儒聪(图3)表示，虽然目前穿戴式装置设计的主流原则在于追求功耗与效能的平衡，但开发商通常宁愿牺牲处理器的运作效能，将低功耗的设计考量奉为圭臬，因而让MCU方案成为现今穿戴式装置的首选；不过，这不仅局限了穿戴式装置的发展性，更使多数穿戴式装置沦为智慧型手机配件的命运，而这些缺乏杀手级应用的装置自然难以成为消费者的必需品。  

周儒聪指出，在众多穿戴式装置中，惟有标榜抬头显示(Head-up Display)的智慧型眼镜，能真正达到免手持(Hands Free)且让使用者毋须再当「低头族」的愿景，因此许多开发商纷纷在智慧眼镜中力拓各种杀手级应用方案，将智慧眼镜视为未来几年内最有可能颠覆行动装置市场生态的革命性电子产品；而能满足智慧眼镜高效能运算需求的AP，也势必成为市场显学。  

周儒聪进一步解释，采用MCU方案的智慧眼镜功能较为受限，仅能用于教育、医疗、游戏等部分利基市场；智慧眼镜若要走入一般的消费性电子市场，并实现高规格的多媒体影音、扩增实境(Augmented Reality)、虚拟实境(Virtual Reality)、中介实境(Mediated Reality)等功能，导入AP等级的处理器将是大势所趋。  

以Google Glass为例，该产品即是采用德州仪器(TI)的双核心处理器--OMAP 4430，运作时脉可达1GHz；另一由钜景科技研发的智慧眼镜原型机，则是采用瑞芯微的低功耗双核心处理器--RK3168，运作时脉可达1.2GHz。  

事实上，智慧眼镜对于高规格处理器的需求将更甚于其他行动装置。周儒聪分析，以扩增实境功能为例，其为智慧眼镜中最重要的功能之一，由于过去在手机应用上必须手持操作导致便利性大减，如今在头戴式显示器上则可彻底释放其应用潜力，使用频率将大幅提升；再加上许多开发商正以使智慧眼镜成为百分之百独立于智慧型手机以外的电子产品为目标，开发各种杀手级应用，将涉及到大量的即时运算，更加需要处理器充沛的运算支援，因此多核心处理器将是未来智慧型眼镜的必备规格。  

有鉴于此，除了开发双核心处理器的方案外，钜景在2014年亦将陆续推出搭载四核心及八核心处理器的智慧眼镜原型机，此亦让八核心处理器的应用版图可望从智慧型手机延伸到穿戴式装置市场。  

周儒聪认为，智慧眼镜的处理器规格与智慧型手机、平板电脑无太大差异，因此行动装置处理器厂商，如高通(Qualcomm)、辉达(NVIDIA)、联发科等，若有心进入此市场并非难事。  

不过，高效能处理器仍须与大量高规格元件互相搭配方能充分发挥其功能，如此一来，穿戴式装置的外型、体积、重量能否符合消费者预期将是另一考验；对此，周儒聪指出，钜景采用的微型化系统级封装(SiP)技术能大幅缩小印刷电路板(PCB)面积，将是最佳解方。此外，当多核心、高效能的AP逐渐成为智慧型眼镜市场的显学，如何将运作功耗降低，让装置的处理效能与功耗达到平衡，亦将考验着各家厂商的智慧。  

不仅MCU与AP处理器方案行情走俏，为了让穿戴式装置更加智慧化，并实现更精准的情境感知(Context Awareness)能力，微机电系统(MEMS)感测器的需求热度也明显飙升，遂引发MEMS元件商新一轮的抢单大战，并竞相发布高整合与微型化的解决方案，以吸引穿戴式装置开发商的青睐。  

MEMS元件商CES较劲　高整合/微型化方案竞出笼

集高整合度与微型化优势于一身的MEMS感测器，纷纷在2014年国际消费性电子展(CES)中亮相。瞄准穿戴式装置商机，意法半导体(ST)、应美盛(InvenSense)、Bosch Sensortec等MEMS感测器大厂，皆在今年的CES展中发布新一代解决方案，其中高整合度与微型化方案更是主要比拚的重点。  

以九轴MEMS感测器为例，先前市面上的解决方案仅能达到4毫米(mm)×4毫米的大小，因此MEMS元件商无不加紧脚步改善MEMS制程与封装技术以微缩感测器尺寸，力求能更符合穿戴式产品对元件尺寸的严苛要求。  

如今，意法半导体则抢先在CES发布尺寸仅3.5毫米×3毫米的九轴感测器--LSM9DS1，其整合加速度计、陀螺仪及磁力计，体积较前一代解决方案缩小35%。  

意法半导体执行副总裁暨类比、MEMS及感测器事业群总经理Benedetto Vigna表示，九轴MEMS感测器能提供行动装置基本的情境感知能力，而这款超微型体积的九轴MEMS感测器则更能满足穿戴式产品的需求；除了体积较前一代方案缩小三分之一之外，LSM9DS1内的磁力计精准度亦提升30%，且功耗可降低约20%，能提供穿戴式装置更为出色的感测能力及稳定性。  

除了MEMS动作感测器方案在尺寸上有所突破外，MEMS环境感测器在提升整合度方面亦有所进展，如Bosch Sensortec及意法半导体皆于今年CES展中正式发布市场上首款整合MEMS压力、湿度、温度感测器的整合型环境量测单元(Integrated Environmental Unit)。除高整合度的特色之外，两款解决方案也分别仅有3毫米×3毫米×1毫米，以及2.5毫米×2.5毫米×0.93毫米的体积大小。  

另一MEMS感测器开发商应美盛，则大秀一系列超低功耗MEMS六轴、九轴动作感测器及MEMS麦克风；以应美盛此次推出的六轴动作感测器--ICM-20655为例，该公司即大胆宣称其功耗仅有2毫瓦(mW)，为目前市面上最低功耗的六轴感测器，若再搭配应美盛AAR(Automatic Activity Recognition)软体，可让穿戴式装置内的感测器即使常时开启(Always On)，也不会大幅影响整体运作功耗。  

事实上，在三种主要的动作感测器--加速度计、磁力计以及陀螺仪中，耗电量最高的非陀螺仪莫属，因此并非所有的开发商都会将陀螺仪大举导入至装置内；着眼于此，MEMS元件商无不戮力开发低功耗的陀螺仪产品，且近来已小有成果，让整体惯性量测单元(IMU)更能符合穿戴式装置对低功耗的需求。  

低功耗陀螺仪现身　穿戴式感测应用更省电


图4　意法半导体技术行销专案经理李炯毅表示，新一代低功耗陀螺仪已经竞相问世，可望助力穿戴式装置设计出更为省电的情境感知功能。
意法半导体(ST)大中华暨南亚区类比、微机电与感测元件技术行销专案经理李炯毅(图4)表示，由于陀螺仪的耗电量让人望而生却，仅有部分高阶的穿戴式装置，如智慧型眼镜、监测激烈运动状态的智慧型手表/手环等，才会将如此高耗电的MEMS感测器导入。  

据了解，市面上大多数陀螺仪的平均操作电流约为加速度计及磁力计的三十倍左右。李炯毅进一步指出，通常加速度计与磁力计的操作电流约要在200微安培以内，方能符合穿戴式装置对于超低功耗的严苛需求；然而，陀螺仪的操作电流约为6毫安培(mA)，与加速度计及磁力计相比，耗电量惊人，因此MEMS感测器厂商无不殚精竭虑，设法将陀螺仪的功耗降至最低，为穿戴式装置打造更为低功耗的情境感知功能，并进一步扩大开发商采用陀螺仪的比例。  

目前应美盛(InvenSense)、Bosch Sensortec及意法半导体皆竞相开发低功耗的陀螺仪产品。相较于先前操作电流约为6毫安培的主流陀螺仪方案，MEMS感测器厂商开发的新一代低功耗陀螺仪，其操作电流皆可降至3毫安培左右；李炯毅指出，虽然从6毫安培降到3毫安培，数字上看来是极微小的差距，但对于实际功耗的缩减却大有助益。以意法半导体目前已开始送样的新一代陀螺仪产品为例，其操作电流可降到2毫安培，与前一代6毫安培的方案相较，可为整体穿戴式装置省却约60%的耗电量。  

值得注意的是，由于加速度计是一般穿戴式产品百分之百会采用的MEMS感测器，因此意法半导体也推出将新一代低功耗陀螺仪与加速度计整合的六轴感测器方案，且因加速度计功耗为10微安培的极低耗电量，因此透过SiP技术将两颗MEMS元件封装在一起后，整体功耗仍为2毫安培左右，与单颗三轴陀螺仪相差无几。  

李炯毅透露，待单颗低功耗三轴陀螺仪及整合加速度计的六轴方案于今年正式量产后，该公司下一步即是考虑开发整合低功耗陀螺仪、加速度计与磁力计的九轴感测器方案，让穿戴式装置的情境感知功能更为省电。他表示，目前已有不少穿戴式装置开发商，表达对新一代低功耗陀螺仪及六轴感测方案的高度兴趣，预计2014年第二季即可看到搭载该方案的终端产品面世。  

据悉，采用低功耗陀螺仪方案的穿戴式装置，将以能提供监测及感知剧烈体感动作的功能为诉求，如须监测角速度变化的高尔夫球运动。  

不过，李炯毅认为，目前MEMS元件商在微缩尺寸、降低功耗、提高元件整合度等三方面的技术水准已相差无几，若只致力于将MEMS感测器的尺寸及功耗降低，长此以往必然无法做到产品差异化的效果；因此，感测器、MCU与无线射频元件厂商亦拟开发三大元件的高整合方案，期能共食穿戴式装置市场大饼。  

穿戴式装置更智慧　MCU/MEMS/RF高整合方案出鞘


图5　意法半导体资深技术行销经理郁正德强调，MCU、MEMS感测器与无线射频元件的整合，将是元件商未来力拓的解决方案。
意法半导体大中华暨南亚区类比、微机电与感测元件资深技术行销经理郁正德(图5)表示，穿戴式装置系一最基本的联网设备，须有能搜集资讯的感测装置、能处理资讯做出反应的控制中枢以及能与外界互动、交换资讯的传输能力，因此MCU、MEMS感测器与无线射频元件的整合将是半导体厂商未来力拓的解决方案。  

初步整合阶段将以MEMS感测器与MCU结合的感测器中枢(Sensor Hub)为主，而目前亦有MEMS元件商正携手MCU厂商开发高整合方案；如Bosch Sensortec即偕同爱特梅尔(Atmel)等MCU厂商发布九轴MEMS感测器与Cortex-M0+ MCU整合的产品，尺寸为5毫米×4.5毫米。  

郁正德表示，相较于异业结盟，同时拥有MCU与MEMS产品线的意法半导体优势更加显著。意法半导体将在2014年相继量产三轴加速度计整合Cortex-M0 MCU，以及六轴感测器(加速度计与低功耗陀螺仪)整合Cortex-M0 MCU的SiP封装方案，而九轴感测器与Cortex-M0的整合方案则预计在年底前完成送样，三款方案尺寸皆仅3毫米×3毫米。  

另一方面，MCU厂商亦正积极发动攻势。以芯科实验室为例，该公司即利用互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程，将MCU、无线收发器及感测器整合在一系统单晶片(SoC)上。  

Sharma进一步表示，芯科实验室目前已针对ZigBee应用开发出32位元MCU与RF整合的SoC方案，未来该公司则计划开发出32位元MCU加上感测器，且可支援多种无线传输协定的超低功耗SoC方案。  

不过郁正德认为，在多种无线传输技术中，考量功耗、传输数据量、传输距离、生态系统健全程度等多方因素，最适合用于穿戴式装置的非蓝牙(Bluetooth)技术莫属，因此蓝牙与MEMS感测器及MCU整合的微型智慧型系统方案，将是意法半导体未来开发的重点。  

另一方面，由于穿戴式电子产品所配备的电池容量通常较小，因此半导体厂商除致力降低元件功耗外，亦推出整合无线充电功能的蓝牙Smart单晶片方案，让穿戴式装置可随时补充电力，包括博通(Broadcom)、Nordic等晶片商皆已发布相关产品。  

穿戴式商机夯　蓝牙整合无线充电方案势起

博通嵌入式无线网路连结装置资深总监Brian Bedrosian表示，除了无线区域网路(Wi-Fi)技术外，导入蓝牙Smart技术的产品数量也正以惊人的速度成长，并迅速成为许多以电池供电的小型穿戴式装置的核心技术；而具备无线充电技术与低功耗特性的解决方案，不仅有助于原始设备制造商(OEM)为各种应用市场设计出更高效能的产品，亦能推动次世代穿戴式装置的发展，让穿戴式装置的性能得以发挥到淋漓尽致。  

随着无线电力联盟(A4WP)于2013年12月中旬发布其产品识别标章--Rezence，不少晶片开发商亦已蠢蠢欲动，如Nordic于Rezence面世后旋即发表针对旗下蓝牙低功耗SoC--nRF51系列所开发的A4WP无线充电软体开发套件(SDK)，强化其蓝牙低功耗产品战力。  

博通同样于日前针对旗下的无线网路连结装置平台--WICED，新增一款整合A4WP无线充电功能的蓝牙Smart SoC--BCM20736。据悉，该晶片搭载安谋国际Cortex-M3处理器，并具备高整合度与小巧外型的优势，可降低穿戴式装置的耗电量，延长电池续航力，达到比其他竞争产品更低的成本与功耗。  

着眼于多种穿戴式元件规格大翻新，为助力开发商加速穿戴式装置产品设计及上市时程，参考设计平台(Reference Design Platform)亦正如雨后春笋般冒出。继德州仪器、瑞芯微、新唐科技等处理器厂商竞相发布相关解决方案后，飞思卡尔、英特尔(Intel)针对穿戴式装置所开发之参考设计平台亦陆续亮相，让市面上的穿戴式参考平台更为五花八门，开发商设计产品时也能更加快、狠、准。  

处理器厂强推参考设计　穿戴式产品开发快狠准

飞思卡尔全球行销与业务开发总监Rajeev Kumar表示，穿戴式装置是物联网(IoT)中感测器节点的最后一环，为了让物联网能够火速成形，针对穿戴式装置所开发的参考设计平台能让设计过程更有效率，设计人员与原始设备制造商也能随时因应市场变化，迅速调整从产品概念到产品原型的开发时程。  

晶奇光电总经理吴世彬进一步分析，在穿戴式装置市场成长阶段的前期，最重要的推手就是有能力将各种关键零组件整合在一起的系统开发商，让市场在初步成形阶段即能夥同更多玩家将这块市场饼做大；而这种角色通常系由装置的心脏--也就是处理器厂商负此重任，也因此现在市面上开始陆陆续续出现，由处理器厂商推出的穿戴式装置参考设计平台。  

根据不同的产品形式及开发社群，这些参考设计平台提供的元件整合程度及设计弹性也不尽相同。以近来对于穿戴式装置市场攻势频频的英特尔为例，该公司即于CES中秀出一系列穿戴式装置原型参考设计，其中包括提供生物量测与健身功能的智慧型耳塞式耳机(Smart Earbuds)，以及能随时与使用者互动并结合个人助理技术(Personal Assistant Technology)的智慧型耳机(Smart Headset)。  

英特尔执行长Brian Krzanich透露，除了为穿戴式装置开发参考设计外，英特尔还将提供一系列低成本的开发平台，旨在降低个人与小型公司的进入门槛，协助他们开发创新的联网穿戴式产品或其他微型化装置。  

值得注意的是，英特尔亦针对穿戴式装置推出仅有一张SD记忆卡大小的超微型运算装置--Edison(图6)。据悉，Edison内含双核心Quark处理器、低功耗第二代双倍资料率记忆体(LPDDR2)、储存型快闪(NAND Flash)记忆体等元件，并支援Wi-Fi、蓝牙4.0、多种作业系统及可弹性扩充的I/O功能，此亦让开发商能更为迅速投入穿戴式产品的研发工作。  


图6　英特尔的超微型运算装置Edison仅有SD卡大小。
另一方面，飞思卡尔也于CES展出WaRP平台(Wearable Reference Platform)，将循Raspberry Pi及Arduino模式，让任何对穿戴式装置有兴趣的开发者都能利用WaRP及相应的开放原始码(Open Source)软体来设计产品，因此WaRP的最大特色即是高设计弹性，最终产品的尺寸外观(Form Factor)及类别均无所限制，能支援多元类型的穿戴式产品开发，如运动监视器类产品、智慧眼镜、智慧手表、医疗监视装置等。  

据了解，WaRP平台系运行于Android 4.3作业系统，并支援内嵌式无线充电，包含的关键元件有飞思卡尔的安谋国际Cortex-A9架构处理器--i.MX 6SoloLite、计步器、电子罗盘，以及做为Sensor Hub和无线充电控制的MCU--Kinetis KL16，预计2014年第二季正式上市。  

事实上，早在2009年底，德州仪器即已推出eZ430-Chronos智慧型运动手表，目的即在于推广其CC430开发平台；该平台整合一16位元MCU--CC430F6137、Sub-GHz的射频收发器--CC1101、压力感测器及三轴加速度计，惟当时锁定的是健康管理类型中较低阶的穿戴式产品市场。  

另外，看好32位元MCU在穿戴式电子市场的发展潜力，MCU大厂新唐科技，亦已于2013年发布参考设计；林任烈表示，由于每种穿戴式装置所需的感测器不尽相同，为让开发商有更高的设计弹性，该公司不将感测元件整合于参考设计之上，而系推出32位元MCU与蓝牙晶片整合的设计平台。  

不同于飞思卡尔、德州仪器及新唐科技提供的高设计弹性方案，中国处理器厂商瑞芯微则是携手钜景科技开发完整的智慧型眼镜原型机。  

据了解，该平台除采用SiP技术将双核心处理器、两颗1GB的第三代双倍资料率同步动态随机存取记忆体(DDR3 SDRAM)、两颗4GB储存型快闪记忆体封装在一起外，在印刷电路板(PCB)上更高度整合了加速度计、电子罗盘、陀螺仪、环境光与距离感测器、Wi-Fi、蓝牙4.0、全球卫星定位系统(GPS)、矽基液晶(LCoS)显示等关键元件/模组。  

周儒聪认为，由于智慧型眼镜开发门槛较高，提供完整的原型机参考设计方能让开发商的产品设计时程更加一日千里。  

显而易见，穿戴式装置的蓬勃发展，除了让更多开发商有意投入外，亦吸引相关关键元件的厂商争相发布高整合及低功耗的解决方案，从而引爆新一轮的晶片热战。