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環境感測待起 初期仍靠合作策略互補
生態系統或為方向之一

【作者: 姚嘉洋】   2016年02月15日 星期一

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儘管物聯網這個話題仍然是全球科技產業的主流話題之一,但這幾年來,大致上可以確定的是,物聯網終端系統的設計,大致上離不開:處理控制、連線與感測等三大功能。在處理控制方面,已經有英特爾、高通與眾多MCU(微控制器)等半導體業者們所把持。連線方面,只要具備連線技術能力的晶片業者,亦可位在此列,而感測器方面,目前則是處於百花齊放的階段。


感測器大體上可以分為幾種類別,一種是屬於動作感測,另一種則是環境感測,前者透過MEMS(微機電系統)、影像鏡頭、雷射與音頻等,透過不同的物理變化量,來測知人體的動作狀況,環境感測所用的技術,則較為多元,像是UV(紫外線)、氣壓(壓力)、溫溼度、氣體變化、液體成分等,這些同樣也有可能會利用光學或是不同的感測器,來取得這些環境資訊。即便是時下最流行的智慧型手機,也會採用一些環境感測元件,來因應一些特殊應用,像是壓力感測器就可被用來偵測使用者目前所在的高度為何,進一步實現室內導航的應用。但歸納來看,智慧型手機所用的感測元件,大多還是以人機介面或是動作感測有較為直接的關係。


這邊我們所談的環境感測,將會把車用感測與人機介面等範圍加以摒除,僅就UV(紫外線)、氣壓(壓力)、溫溼度、氣體變化等,做概括的討論。



圖1 : 如何透過環境感測來了解環境氣體濃度的變化,進一步作出反應,已經成了氣候專家們所在乎的課題。(Source:https://upload.wikimedia.org)
圖1 : 如何透過環境感測來了解環境氣體濃度的變化,進一步作出反應,已經成了氣候專家們所在乎的課題。(Source:https://upload.wikimedia.org)

環境感測仍待起飛

談到環境感測的發展,ST大中華暨南亞區技術行銷與應用工程經理蘇振隆以自身的角度觀察,我們所熟知的人體的生理訊號感測,應用在保健醫療領域,已經具備了明顯的雛型。而嚴格來說,人體訊號感測與環境感測還是有相當大的不同,今年才是環境感測起步的一年,到了2020年才會逐漸進入成熟期。現階段來看,環境感測元件業者能切入的應用環境,仍然會停留在智慧家庭,但在諸多惡劣或是工業環境,就解決方案上,還是有許多不足的地方,這方面還是需要時間來加以發展。


而蘇振隆也不諱言,即便是ST在環境感測器的產品線上也不見得可以滿足多種環境的需求,目前ST已經有壓力感測、溼度與UV等感測器方案,但是ST並沒有氣體感測器,所以就會採取合作方式,共同提供整合方案給客戶。


蘇振隆坦言,客戶對於環境感測方案的要求,與一般半導體方案相同,價格、功耗與體積等,都要盡可能向下壓低,所以ST也會朝向這個方向努力。但除此之外,感測器的防塵、防潑水、可靠度或是環境產生變異的元件耐受度等,也都是能否被客戶青睞的重要因素。


不管環境感測市場是否已經成熟,不難理解的是,不採取合作策略,晶片業者的解決方案很難被客戶發現,就更別說要成為這個市場一員了。


圖2 : 就環境感測而言,克服惡劣環境將是必然的發展方向。(攝影:姚嘉洋)
圖2 : 就環境感測而言,克服惡劣環境將是必然的發展方向。(攝影:姚嘉洋)

至於感測器元件的整合上,ST的確已經採取了行動,但作法可以分成:單一裸晶與系統級封裝兩種作法,前者像是動作感測元件,ST已經可以作到三軸加速度計與三軸陀螺儀整合在單一裸晶上。所以,像是壓力感測器與MEMS麥克風,都是以薄膜震動為基礎的MEMS技術,整合成單一裸晶就有相當高的可能性,只是現階段ST還沒有這樣的產品線面世。而系統級封裝則可以用多裸晶整合在同一封裝內的技術,但這方面仍有些許技術上的難度需要克服。


從生態系統出發 FPGA補足訊號處理不足之處

但是,由於環境感測市場正處於萌芽期的階段,造就了諸多元件供應商的出現,這對於負責的資料彙整的感測器集線器(Sensor Hub)來說,也形成了全新的挑戰。


Lattice(萊迪思半導體)亞太區資深事業發展經理陳英仁不諱言,市場最為火熱的話題莫過於物聯網,但也因為這個話題過於浮濫,反倒看不出這個市場真正的價值與發展情勢。陳英仁認為,物聯網必須從服務模式與附加價值著手,從消費者的取向來解決問題那才有意義。所以回過頭來看環境感測,也是同樣的道理,Lattice會從系統與服務業者,甚至是從整個生態系統切入,思考Lattice能切入的地方有哪些,就現階段而言,Lattice能夠扮演的,就是感測器到應用處理器之間的橋梁,因應整體系統還有哪些不足的地方,由Lattice的FPGA(可編程邏輯陣列)產品線來補強。


至於MCU與FPGA之間的競合關係,陳英仁談到,兩者的競合關係到未來都會存在著,他舉例談到,台北捷運與U-bike兩者就是一種互補關係,同理MCU與FPGA也是。長遠來看,有些裝置所搭載的感測器數量將會愈來愈多,光憑既有的MCU可能就沒有辦法負責這麼多的感測器,此時若有個FPGA,就能補MCU在I/O或是相容性上的不足。



圖3 : 就諸多應用的系統設計來說,MCU與FPGA可以扮演互補角色。所以某程度上來說,雙方的合作應是大於競爭。(攝影:姚嘉洋)
圖3 : 就諸多應用的系統設計來說,MCU與FPGA可以扮演互補角色。所以某程度上來說,雙方的合作應是大於競爭。(攝影:姚嘉洋)

但陳英仁也指出,MCU在資料處理上,就偏重小量資料的處理,在影像領域還是要藉由FPGA來進行加速或是預處理會較為適當。


陳英仁以安全監控為例,儘管這個市場的價格競爭十分激烈,但從鏡頭擷取到的影像,如何即時地處理,就並非MCU的能力所能及。過去的安全監控市場應用,最多就是進行即時追蹤,但若要再增加一些附加價值的功能或是雙鏡頭的影像即時整合,FPGA就能扮演這類的角色,亦或是成為影像即時傳輸的橋梁。


陳英仁認為,在感測器元件方面,其市場可說是相當成熟,關鍵在於後端的處理上,如何能更加地智慧化?這時候,資料的「預處理」或是附加價值的功能設計,就看FPGA與應用處理器之間的工作分配與協調。畢竟,近年來的應用處理器的效能也開始強化到可以處理感測器訊號,如高通自前年開始,便開始倡導自家的驍龍處理器已經具備感測器集線器的功能,可以一次性處理九軸動作感測器的訊號。


當然,這包含了與演算法業者之間的合作,所以Lattice會從生態系統的角度來切入,從服務端、系統、演算法、應用處理器與感測器等業者,用合作的方式來因應環境感測市場的多元需求。蘇振隆也表示,ST的感測器的除了能與自家的MCU作到完美搭配外,也能與其他的處理器或是MCU晶片進行系統的整合搭配。



圖4 : 應用處理器業者高通的801處理器由於具備優異的運算效能,對於感測器訊號的處理,也能一次性的處理。(攝影:姚嘉洋)
圖4 : 應用處理器業者高通的801處理器由於具備優異的運算效能,對於感測器訊號的處理,也能一次性的處理。(攝影:姚嘉洋)

值得一提的是,陳英仁認為,感測器市場其實是相對成熟的市場,但若沒有後端訊號處理元件的支援,系統要如何進行判斷,所以在系統中扮演大腦的角色就十分重要。像是無人機應用,它必須同時具備多種不同的感測器元件在上面,即便現在的感測器技術發展仍然不到成熟的階段,但長期而言,由於這些技術都會同時發展的情況下,在未來幾年內,將可以看到整體市場會蓬勃發展。


結論

不論是感測器或是負責後端處理的晶片業者,都可以看得出來環境感測應用若要加速發展,保持合作的態度仍然不可免。從物聯網的發展正在如火如荼的現況來看,環境感測的發展可望被物聯網帶動,進而衍生新一波的市場商機。


**刊頭圖片(Source:computationalculture.net)


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