低功耗Sensor Hub成標配 穿戴裝置傳感功耗驟降
2015-02-11 20:43:39 本站原創穿戴式裝置續航力可望大幅提升。穿戴式裝置配備的感測功能不斷增加，促使晶片商加緊研發更省電的微機電系統(MEMS)感測器，并開始提出低功耗感測器中樞(Sensor Hub)方案，以減輕主處理器工作負擔，讓整體感測系統耗電量大幅下降。
穿戴式裝置感測系統功耗可望大幅降低。穿戴式裝置受限于體積，因此內部電池蓄電量無法盡如人意，容易引發使用者體驗不佳等問題；因此，相關業者無不戮力精進電源管理技術，同時竭盡所能降低相關元件的耗電量，或是透過更有效的系統配置方式，降低主處理器的運作負擔，以滿足穿戴式裝置內感測系統常時開啟 (Always-on)的需求。
圖1 Bosch Sensortec亞太區總裁百里博表示，整合溫/濕/壓/氣感知的Combo環境感測器，可符合穿戴式裝置對體積與功耗的設計要求。
Bosch Sensortec亞太區總裁百里博(Leopold Beer)(圖1)表示，目前市面上已有各種穿戴裝置，但2014年穿戴裝置出貨狀況卻是差強人意。探究其原因，主要是現今市面上的穿戴裝置方案不管設計如何精良，或技術如何先進，都無法確實滿足使用者的期待。
百里博進一步分析，使用者購買穿戴式產品主要有三大考量，分別為設計、連結性與功能性。然而，這三項需求彼此有其矛盾之處；例如網路連結性與電池使用時間的沖突，就會壓抑產品功能性的發揮。
也因此，目前市面上的方案只能針對特定使用族群提供一個折衷選擇，這種不明確的市場區隔正說明了為什么穿戴式產品無法成為主流趨勢，同時也指出新一代穿戴裝置必須克服的問題。
為突破上述挑戰，打造更好的使用者體驗，穿戴式裝置與晶片開發商已積極采納新的設計方法，如使用高整合型感測器，或引入低功耗感測器中樞(Sensor Hub)。
滿足穿戴式裝置尺寸/低電量需求 MEMS感測器整合度/功耗迭有突破
以微機電系統(MEMS)感測器來說，在產品設計彈性上即有不少進展。繼動作感測器慣性量測單元(IMU)突破九軸設計瓶頸后，環境感測器的多功能組合(Combo)設計也突破層層關卡。
以Bosch Sensortec最新發布的MEMS Combo環境感測器為例，該公司瞄準行動裝置、穿戴式裝置應用，日前已成功開發出整合大氣壓力、溫度、濕度與氣體(Gas Sensor)四種感測器的Combo環境感測器--BME680，且封裝尺寸僅3毫米(mm)×3毫米×0.93毫米，為目前業界獨樹一格的高整合 Combo環境感測器方案(圖2)。
圖2 整合溫度、濕度、壓力、氣體感測功能的Combo環境感測器 圖片來源：Bosch Sensortec
百里博表示，微機電系統感測器體積必須盡可能縮小，為了達到這個目標，最有效的方法是把各種感測器功能整合在一個微小的封裝，這可讓系統介面整合之應用最大化，并降低封裝制造費用。
事實上，日前Bosch Sensortec發布的BME680，即是同時整合四種環境感測器，包括常見的大氣壓力、溫度、濕度感測器，以及檢測室內空氣品質的氣體感測器。
據了解，氣體感測器可監測室內環境中，涂料、油漆、脫漆器、清潔用品、家具、辦公設備、膠水、黏合劑、酒精等產品上的揮發性有機化合物(VOC)的濃度，例如甲醛；若再結合溫度、濕度、壓力感測器，則可提供行動裝置、穿戴式裝置及其他物聯網應用更為全面的環境感知能力。
不過，光提升感測器的整合度仍然不夠，降低穿戴式感測器功耗仍為首要重點。百里博認為，現今大多數感測器并不符穿戴式應用對高電源效率與高整合度的要求；而要降低感測器數據融合(Fusion)處理的耗電量，必須透過特殊設計與優化的處理器與感測器整合。也因此，MEMS感測器廠商除須提供更高整合度與更多樣化的產品之外，還須持續開發更低功耗的MEMS感測器，以符合使用者的期待。
百里博指出，如果要達到低功率消耗的目標，有幾個因素必須最佳化，其中最重要的絕對是低耗能的感測器，其次是感測器資料處理的效能。Bosch Sensortec積極就這兩個因素進行研發，因此能提供消費性電子產品所需的最低功耗微機電加速度計、陀螺儀與大氣壓力感測器。
為了降低感測器數據融合與資料處理的功耗，除了從元件設計下手外，高效率的演算法亦能發揮關鍵作用；以慣性量測單元--BMI160為例，該元件可在低功耗狀態下，透過演算法持續進行外部資訊偵測，并整合精確的計步功能，且其電流消耗僅為20微安培(μA)。
不過，空有低功耗的感測器仍然不足。由于感測器必須常時開啟，使得主處理器必須時時處于運作狀態，而不能隨意進入休眠模式，長期以往對于主處理器而言將造成龐大的運算負擔；因此，有愈來愈多的穿戴式裝置開始導入Sensor Hub元件，以進一步降低感測系統功耗。
晶片商爭相競逐 低功耗Sensor Hub大舉出籠
圖3 晶心科技總經理林志明表示，晶心科技的IP除了具備低功耗特性外，亦提供客制化指令集服務，可協助晶片商開發客制化的Sensor Hub產品。
晶心科技總經理林志明(圖3)表示，Sensor Hub已成為未來穿戴式裝置的標準配備，且以微控制器(MCU)為主的Sensor Hub形式仍占據多數。
林志明進一步指出，做為次要處理器的Sensor Hub，其內部矽智財(IP)核心與系統配置要求以低功耗為第一順位，與行動裝置一味追求高效能、多核心的發展方向大相逕庭。
晶心科技市場及服務部協理賴俊澤認為，除了低功耗IP核心之外，Sensor Hub的IP還要具備易整合的開發環境以及客制化指令集等特色。以晶心科技的E801系列為例，該產品除可支援復雜的感測資料運算之外，最大特色即是具備安謀國際(ARM)及其他IP大廠所沒有的客制化指令集服務。
賴俊澤指出，過去有提供客制化指令集服務的IP廠商，后來多碰到周邊開發環境支援不足，反而增加設計負擔的窘境，因而紛紛暫停提供此類服務；而晶心科技則是“站在巨人的肩膀上看世界”，推出客制化指令集的同時，也汲取先進者的經驗，同步優化指令集周邊的開發環境，并提供客戶完整產品開發資源，讓晶片開發商除了能設計出超低功耗的Sensor Hub方案外，亦能借助開放的指令集設定，開發出各式各樣客制化的Sensor Hub元件。
值得注意的是，雖然目前Sensor Hub皆以單一核心為主，但近期恩智浦(NXP)已推出非對稱雙核心的Sensor Hub概念，強攻穿戴式、物聯網裝置市場。
據了解，恩智浦新推出的相關系列產品，其非對稱雙核心架構可使處于工作狀態下的MCU降低耗能，如開發人員可使用每單位兆赫電流為55μA/MHz的 Cortex-M0+核心處理器，來完成感測器資料的獲取、整合及外部通訊等任務；當MCU須以更快的速度執行如融合動作感測器等復雜且密集的數學演算時，即可切換至每單位兆赫電流為100μA/MHz的Cortex-M4F核心處理器，進而優化MCU效能，并節省能源(圖4)。
圖4 非對稱雙核心Sensor Hub配置示意圖 資料來源：恩智浦
賴俊澤認為，非對稱雙核心確實有助于進一步降低Sensor Hub功耗，這種設計方式也為其他業者指引另一條道路，未來可望形成另一種設計風潮(圖5)。
圖5 非對稱雙核心Sensor Hub可大幅提升效能并減少電力消耗?！≠Y料來源：恩智浦
值得注意的是，MCU并非唯一能提供低功耗Sensor Hub的解方，業界還有許多以超低功耗為訴求的Sensor Hub產品形式，如現場可編程閘陣列(FPGA)或是客戶特定標準產品(CSSP)等。
據悉，CSSP的超低功耗Sensor Hub能以低于1毫瓦(mW)的功耗運作，系MCU方案的三十分之一，因此該方案未來在穿戴式電子市場亦極具發展潛力(圖6)。
圖6 超低功耗CSSP Sensor Hub功能區塊、外部應用示意圖 資料來源：QuickLogic
此外，MEMS晶片商亦積極研擬整合MEMS感測器、微型且低功耗的Sensor Hub方案。
百里博透露，Bosch Sensortec日前即將整合加速度計、陀螺儀、磁力計的九軸慣性量測單元，與預先編碼的微控制器整合，可執行完整的數據融合與校正，這也是市面上首見真正的隨插即用(Plug and Play)九軸感測器數據融合模組。
整合度躍進 Sensor Hub邁向微型智慧系統
Sensor Hub的另一個發展趨勢，則是整合度將更上一層樓。為了完善穿戴式裝置感測應用開發環境，Sensor Hub供應商正積極攜手MEMS感測器及通訊晶片廠商，打造高整合度的Sensor Hub平臺，進而實現微型智慧系統(Small Smart System)的愿景。
圖7 QuickLogic總裁暨執行長Andrew J. Pease預估，高整合度的Sensor Hub將更趨重要，以加速中低價穿戴式產品的開發并降低其研發成本。
QuickLogic 總裁暨執行長Andrew J. Pease(圖7)表示，預估至2015年時，價格區間位于100?250美元，且沒有高階顯示螢幕的中低價穿戴式裝置，如智慧型手環等，也可望大量采用 Sensor Hub；因此，如何加速中低價穿戴式產品的開發并降低其研發成本，就成了一個重要的課題。
有鑒于此，Sensor Hub解決方案開發商除了將MEMS感測器與Sensor Hub整合在一起外，也開始將無線射頻(RF)方案納入，以進一步降低其功耗及占位面積；隨著平臺整合度提高，Sensor Hub就成了一個不僅有控制中樞，同時也具備感測能力以及與外界溝通能力的微型智慧系統。
以CSSP業者QuickLogic為例，該公司日前即發表一款整合藍牙低功耗(BLE)技術的穿戴式Sensor Hub開發套件--TAG-N。該開發套件采用QuickLogic的ArcticLink3 S2超低功耗Sensor Hub、QuickLogic所開發的演算法，以及直接連接至Nordic半導體的多協議開發套件--nRF51 DK，以讓開發商能在nRF51822系統單晶片(SoC)上進行無線開發。
Pease指出，在Sensor Hub應用平臺中納入聯網方案，能提升穿戴式裝置與外界通訊的能力，使感測資料更能即時地被處理及傳輸；因此該平臺非常適合需要快速原型設計的穿戴式裝置開發商。
另一方面，MEMS感測器大廠意法半導體(ST)則是提出異質整合的Sensor Hub產品概念。事實上，意法半導體已采用系統級封裝(SiP)等先進微型封裝技術，開發出高整合度的解決方案，其整合三軸的加速度計、藍牙 (Bluetooth)晶片及微控制器，體積僅10立方毫米，該公司更號稱其為全世界最小的微型智慧系統。
綜上所述，可發現MEMS感測器及Sensor Hub的功耗、整合度，將是穿戴式裝置在開發過程中的重要考量；而隨著IP廠及晶片商爭相推出符合市場需求的解決方案，未來穿戴式裝置感測系統的功耗表現將會更加理想，可望滿足消費者對于穿戴式裝置電池續航力的期待。
