透过SoC建构物联网低功耗方案

为让系统更具节能优势，关键元件在功耗控制已进阶至μA即可运行水准，图为STMicroelectronics MEMS元件。STMicroelectronics

物联网IoT应用需求暴增，不管是工业自动化的传感终端，还是连结云端整合的应用终端，都需要更低功耗同时又兼具多元联网技术的运算平台架构应用，透过SoC或高端整合技术建构物联应用解决方案，即成为开发物联网应用终端重点…

在物联网概念、万物联网的智能应用环境趋势，衍生如工业4.0物联应用、车联网的智能交通应用、家庭设备联网的智能家庭，甚至是各产业智能医疗的物联应用体现，都需要具备联网能力的智能终端进行数据撷取、分析与联网整合，而关键的终端平台设计要能满足这些应用设计需求，除了是终端设备本身的运算能力需满足基本应用条件外，终端本身的运行功耗更是一大考验。

物联网进入实质服务部署 运算平台要求更高

物联网应用已经过应用开发、试点等测试研发阶段，对于物联网解决方案的要求不再只是运算能力与扩充性，而是进阶至稳定性、耐用度与运行功耗等要求，尤其是物联应用最受关注极为各传感终端由小数据汇集的大数据分析应用，若终端不稳定或耗能过高导致整个物联服务在终端数据撷取的稳定性与设置成本过高，都会使得物联应用网络应用受影响，影响后续进阶物联网服务部署的导入成效，甚至会影响整个物联应用品质与实际效用。

观察物联网应用的主控芯片市场，在2015年已呈现更严苛的竞争环境，由物联网应用带动的主控芯片超低功耗、少量多样设计需求外，主控芯片使用的运算方案也同时加入更多竞争对手，如ARM、x86、MCU甚至是更多元的运算控制方案均有对应产品加入战局，其中具备低功耗、自动控制市场应用市场优势的MCU微控制器开发商，乘势推出多种整合式MCU，将通用运算核心、无线通讯模块、嵌入式存储器、传感器、射频模块、电源管理等通通整合至SoC(System on Chip)系统单芯片方案之中，抢食物联应用市场大饼。

MCU大厂积极发展SoC方案 抢食物联网终端芯片市场

除MCU大厂积极开发物联应用SoC产品外，在桌上型电脑、笔记本电脑等主力供应高负载运算用途通用处理器的PC芯片大厂，也纷纷推出自有架构、制程进阶优化的移动版运算芯片，甚至再从移动版芯片撷取功耗、运算效能优化的开发经验，再针对物联网应用增针对物联应用设计的SoC整合运算平台，再透过开放平台架构积极抢攻物联应用市场。

不同的是PC运算芯片业者拥有常规处理器的庞大开发资源奥援，推出基于x86架构的物联网开发平台，可让开发资源可自原有PC开发资源延伸，减轻开发难度与资源，加上PC芯片大厂透过运算架构优化与芯片物理制程与工法多重改善手段，不仅让x86架构可达到物联应用的运行门槛，整体SoC化的架构让终端运算载板能有效缩小，运算能力、功耗表现、终端体积均能达到物联网应用要求，其后续衍生物联网应用不容小觑。

有趣的是，在这波物联网应用中，原本在移动设备、智能装置发展热潮乘势而起的通讯芯片业者，簇拥ARM运算架构推出多款移动运算芯片，也从多核心整合的SoC优化架构方向成功让移动处理器性能、功耗各方面提升智能装置的运作体验，而随着智能手机、平板电脑产品市场竞争趋白热化、市场成长趋缓，通讯芯片业者也转而积极投入新兴物联网运算平台开发，以在通讯芯片累积的运算架构平台性能、功耗优化经验，积极开发结合高效能CPU运算、无线通讯、多传感器整合等应用需求，物联应用解决方案市场竞争日趋白热化。

以ARM为基础 发展低功耗、超低功耗SoC更具优势

而ARM在发展低功耗、甚至是超低功耗方面，则有相当程度的优势基础，ARM若在搭配90nm的LP制程优化下，最新一代的Cortex-M0+处理器号称已可达到9μA/MHz超低功耗表现，相关技术方案已获Freescale、NXP Semiconductors等业者导入产品设计，使用Cortex-M0+为基础发展初期物联应用也有不错的系统扩展弹性，例如，Cortex-M0+处理器使用开发资源，可与实时操作系统(RTOS)兼容，投入Cortex-M0+进行开发也可衔接ARM Cortex-M系列的产品生态系统支持，若在运算需求、效能需求增加时，也可将开发成果移植升级至更高性能的Cortex-M3、Cortex-M4处理器运算平台。

物联网运算平台，在常见的部署应用情境，通常不会以高效能、高密度运算应用为主，对于通用处理器的运用方式，并不会优先以高效能、高端制程的处理器优先，反而会以低功耗、甚至是超低功耗的通用处理器，并针对各功能芯片的整合程度、载板占位面积等各方面考量选择。

在传感终端设计的评估重点应会以功耗、整合度、封装尺寸、系统部署资源等作为选用重点，新一代针对物联网需求开发的SoC为了便于开发终端部署，甚至还整合了多频、多协定的无线通讯实体层支持，并直接在SoC内整合如多种传感元件、电源管理模块等，透过芯片级功能封装整合多种应用功能，再搭配定制化的电源管理机制建构物联网运算平台SoC，满足不同领域物联应用的通用运算、联网应用、终端-云服务衔接的功能整合需求，透过高度整合的芯片设计，在元器件数量与系统设计均可大幅压缩开发成本。

MCU整合网通模块 提升物联SoC服务部署优势

在MCU厂商方面，如Silicon Labs、Microchip、STMicroelectronics、Texas Instruments…等，多全力投入物联网应用SoC市场开发，这些业者主要关注的整合重点多放在如ARM为基础的低功耗Cortex-M系列MCU产品的设计延伸，整合如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Thread与Sub-GHz等无线传输连结方案，不同业者大多有其关注地无线方案，也针对不同物联网应用市场需求推出不同无线整合配套SoC产品，业者期待能在物联应用市场逐步走向投放实际应用时，抢搭市场SoC需求快速推出参考设计平台，取得更有利的物联网芯片市场发展定位。

尤其是物联网应用SoC解决方案，产品的关键重点除在功能的高度整合度外，其实芯片商还须熟悉原有MCU市场对功能整合的要求，业者必须具备MCU、无线通讯模块与μA/MHz等级的低功耗、甚至超低功耗的进阶电源管理技术，同时还能在SoC整合阶段结合MCU本身的核心数码逻辑制程设计，最困难的是这类SoC由于必须整合无线通讯射频收？发模块，因此射频功能的无线电、电源供应甚至搭配多传感器？MEMS的数码？类比混合信号整合制程，SoC制程不仅更为繁复，增加后段验证产品功能的难度。

而在无线功能整合上，芯片开发商必须同时发展ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Thread与Sub-GHz的无线通讯应用的软件堆叠(Software Stack)方案、并提供高整合的开发工具以缩短业者开发周期，这也增加了这些物联芯片的整合复杂度。

先前也提到，参与这波物联网应用运算平台，除了MCU业者外，其实另一方强势竞争的PC芯片业者更是来势汹汹，因为PC芯片业者本身具备更高的资本优势与丰沛的研发资源，甚至还具有芯片生产端、芯片制作的直接奥援，但实际上在开发低功耗甚至超低功耗的整合经验，仍以MCU芯片业者更具经验优势。

因为物联网SoC平台与常规运算不同的是，在元件成本有严苛的成本限制，在效能、功耗、功能与成本需能达到物联应用终端的需求，开发与整合的难度相当高，这也让具备成本与运行功耗优势的Cortex-M0+/M3/M4等运算核心较有机会达到物联运算平台的设计需求，而对于无线整合技术能力方面，Bluetooth 4.2、ZigBee…等支持IP网络的Mesh Network低功耗无线连结标准，也是发展物联运算平台不可少的关键网通技术。