IoT应用之嵌入式运算平台节能设计 成本仍是亟需克服的门槛

IoT应用功能载板，为了降低成本多半会将MCU与较不容易整合的RF收/发器独立至另一功能载板整合。Cerevo

随着物联网IoT应用越来越多元，应用开发者对IoT的微控制器平台要求也越来越高，尤其是对效能、功耗与多元整合功能的需求，但MCU的SoC不光仅是数码元件，更可能是大量类比元件整合，单纯要求功耗降低、功能整合并不容易。

物联网IoT(Internet of Things)应用市场越来越成熟，不仅是家用、商用也渐有IoT应用雏型与商业模式形成，但现有IoT运行平台，部分为使用移动运算高端平台精简而来，或是自MCU SoC功能强化延伸应用实践系统需求，针对IoT终端布署要求系统低功耗、电池驱动的应用型态，可能因为芯片限制难有突破空间。

IoT应用市场增温  开发平台、解决方案需求热门

随着相关应用逐步成形，半导体业者、IC系统业者也开始着眼IoT应用发展需求可能爆发的市场商机，投入更多开发资源优化旗下IoT芯片解决方案，半导体业者可以就导入更精密的IC制程，改善IoT解决方案的功耗与效能问题，而SoC系统业者或基于MCU的SoC产品，由于芯片由数码/类比异质功能芯片整合，要进行系统微缩与运行功耗优化并不简单，况且IoT要求的无线网络整合所需的RF收发器整合，在要求无线数据收发同时须针对驱动功耗进行优化，其芯片优化的研发复杂度要比单纯数码电子元件整合微缩要困难许多。

目前嵌入式系统SoC的优化与芯片微缩改善方向，集中在数码元件、处理器、协同处理器等逻辑元件整合的整体优化，例如，以更微缩的制程制作芯片、或是采用数量更多的微核心提升整体运行效能与改善电源耗用问题，对大量数码逻辑元件而言，的确可以透过采用更进阶的微缩制程优化整个芯片的效能、功能甚至是功耗优化，也相对容易导入进阶微缩制程让芯片产品具显着优化效益。

IoT整合类比/数码控制需求  微缩制程成本高

对于物联网应用而言，同时有大量类比功能、无线RF收发器、快闪存储器(Flash Memory)、静态随机存取存储器(SRAM)等功能模块，并不是这麽容易透过半导体技术就能优化整体功能特性，即便透过芯片微缩改善MCU SoC产品能优化系统表现，但实际上透过制程优化这类高度复杂化的SoC芯片，在面对IoT终端芯片所要求的低成本即有直接冲突，即便改善制程也能优化整体芯片效益。

市场考量下微缩IoT芯片的制程节点的效益有限，即便目前主流高效的半导体元件已追求20纳米以下的制程整合技术，但多数MCU SoC或IoT应用，仍以90nm上下的制程为主。在无线化应用为主的物联网IoT终端中，MCU SoC整合的功能相对繁复，例如针对消费性穿戴式装置设计的MCU SoC，就和智能家庭(家庭自动化)、智能电表、智能照明、工控自动化、智能运输等不同应用领域关注的整合功能不同。

运算核心方面，相较移动运算装置已挑战64位元嵌入式运算核心，主流应用也以64位元多核应用为主，但实际上若是IoT应用场域，对于终端平台的运算需求并未如智能手机、平板电脑有大量数据、图像呈现需求，反而在其应用领域的运算负荷远小于智能手机、移动应用运算处理器，针对如穿戴装置、智能家庭、智能电表、智能照明甚至是工控自动化等应用型态，属于低数据密度运算需求，对核心运算处理器并不须一昧追求多核心、高运算基带方面的技术优化，反而需关注运行电源功耗、无线连接应用方面的功能优化。

因应低运算密度、低成本设计  IoT MCU多使用32位元或更低方案

检视这类低运算密度的IoT需求，其MCU SoC一般会采用32位元的ARM核心进行布署，针对使用领域的实际需求，整合对应的无线网络连接RF收发器，例如智能穿戴装置可能会较重视低功耗蓝牙无线收发器，而智能交通/照明/家庭自动化则可能整合ZigBee或其他无线RF收发器会更为实际，而针对选用不同RF收发器方案，其SoC整合高效或低功耗射频RF设计差异就很大，设计细节差异即左右整个IoT电源耗用状况、与其投放于应用终端的实际功能表现，加上对IoT终端的成本要求，MCU SoC也多半仅使用90nm制程进行平台整合，并不会以最进阶的制程方案进行产品设计与实践。

针对部分IoT投放应用，为以钮扣电池运作终端系统规划可在10年内运行的系统设定，针对这类极低电源功耗要求的IoT应用，其选用的MCU SoC整合内容，势必以极低电源功耗的目标进行系统配置，除针对运算数据需求选择符合其数据流量适宜的运算核心外，SoC整合功能模块以极低功耗元件或功能组件为主，例如采行极低漏电流的SRAM存储器、非挥发性存储器(Non-Volatile Memory；NVM) IP进行功能组构，光是这些元件已大幅垫高SoC的开发难度与制造成本，对于导入更进阶微缩制程的设计受限成本考量，也较难作为优先优化系统的选项之一。

进阶整合RF/类比电子电路  透过进阶整合改善功耗表现

也是针对IoT应用的关系，使得SoC需要整合的类比电子电路增加，针对低功耗改善的NVM电子电路、与低功耗RF收/发器元件整合需求，都会让原本简单的MCU变得更加复杂，芯片所使用的堆叠层数也会因此增加，除了成本变得更高昂，设计难度也提升不少，如何在成本节约前提下建构最佳化的系统整合基础，需要考量的问题相当多。

综观物联网应用场域，其实会发现关键运算或芯片平台可以投放的应用相当广泛且多元，与现有高效嵌入式运算芯片大多用于智能手机、平板电脑，低端MCU多用于控制应用的概念反而显得更加特别，因为IoT应用可以投放在汽车、移动穿戴、智能照明、智能电表等设备智能化应用，不同应用须考量的设备运行问题与供电状态亦不相同，用量不够多的应用反而较无自订平台、成本优化优势，需要使用相对接近需求的低成本方案来实现设计，而针对具一定程度之经济规模、成本优化优势的应用，才可能主导对应智能平台实际需求优化系统设计。

持续微缩制程将增加开发成本  需看准市场需求进行对应优化方向

另一方面观察，虽然直接跳级改用更小、更微缩的制程制作MCU SoC，可以获得缩小制程节点最实际的优化效益，但实际上以电池供电或是环境电能采集的应用方式来说，虽然平台的总体成本与微控制器效能是相当重要的关键，但左右平台是否适用所投放的终端关键，仍是运算平台本身的低功耗表现方面。

三、五年前RF或是类比元件与数码元件的微缩差距仍大，但现今两者的差距已越来越接近，如32位元的MCU SoC已有28nm上下水准的微缩制程导入相关设计，在实际整合需求上，持续微缩MCU SoC的制程是办得到、且可行的方向，但是否直接微缩制程就能带来最大化的商业利益，其实要考虑的反而不是技术本身，而是市场需求、新制程产品进入市场时机等商业化考量方向。

反而IoT的MCU SoC平台，RF收/发器的支持技术，成为影响整体成本的关键，如果是消费性电子应用，如智能家庭、智能照明、智能手环等，一般用上Wi-Fi、低功耗蓝牙传输，甚至是ZigBee就相当时用了，但若要进一步扩展服务应用范围，网通功能是必须增低功耗广域网络(LPWAN)应用，导入如M2M通讯技术，在成本与系统可扩展性取得较均衡的状态，但若针对IoT之于道路交通监控、路灯/灯号控制、智能电网等进阶公众设施监控应用，即便导入蜂巢式通讯网络整合是因应长距离设备沟通、连结较好的做法，但成本也会因此增加。

但比较遗憾的是，蜂巢式通讯技术虽在距离上取得优势，但实际上应用时RF收发会产生较高的能源耗用，可能缩减电池的寿命，或是因为成本而使得运算平台的竞争力变差，即便蜂巢式无线数据传输也导入最新版本的LTE规范，增设了针对M2M应用需求定义的Category 0通讯类别，虽能稍稍兼顾了功耗问题，但成本要求一直仍是其较大的门槛。