高效節能：物聯網應用的共同目標(萊迪思半導體白皮書)
2015-05-05 18:48:32 N高效節能與物聯網
最近，物聯網（Internet of Things, IoT）已然變得非常流行，各種連接到因特網以及互相連接的電子設備構成了物聯網的世界。物聯網所涵蓋的范圍之廣著實令人吃驚——從智能消費電子應用和車輛到可穿戴設備領域的幾乎所有事物，而且覆蓋范圍由于移動應用的爆炸式增長（圖1）還將大幅擴大。這些產品以及衍生出的生態系統將改變人們的日常生活。對于個人消費者來說，物聯網能夠讓人們以更低的成本、更高的效率處理日常事物，使得生活更加安全，甚至還能使人們的生活變得更加健康。對于商業領域來說，物聯網將為自動化、能源效率、資產追蹤和庫存控制、物流和定位、安防、個人追蹤以及資源節約領域帶來極大的變革。
圖1：此處為計算得出的增長數據。移動應用正不斷推動物聯網的成長，而反過來物聯網也在不斷推動移動應用的發展。
有了這些好處，我們很容易就能理解為什么物聯網能夠變得這么流行。不過，要想完全獲得上述好處，物聯網行業必須先要解決諸多關鍵的挑戰，可能目前最為緊要的挑戰就是實現高效節能。
定義物聯網
最近“物聯網”這個詞充斥著人們的生活，那么它到底是什么？簡單地說，物聯網是由形形色色的硬件、軟件和服務組成（大部分是后面兩者），上述三個部分緊密合作，收集和傳輸信息、分析數據，然后基于這些數據形成決策，提升特定任務的效率（圖2）。例如在個人健康這一塊，物聯網可以提供一個更加有效的方式將指定藥物或治療的療效信息傳送給醫生。而在居家生活領域，物聯網能夠幫助消費者更高效地使用冰箱，如通知消費者食物是否已經臨近保質期，是否需要補充食物，或者在線訂購食物并送至家中。
圖2：物聯網將多個生態體系整合到一起。
構成物聯網生態體系的應用涵蓋智能家電（如冰箱、烤箱和HVAC系統）和汽車到可穿戴設備領域。盡管它們可能在應用形式和使用方法上并不相同，但上述應用領域具備四項關鍵的共性：感知、數據收集、互連和數據處理。本質上來說就是物聯網設備能夠感知事物，然后收集感知到的數據，最后這些數據將通過因特網傳輸至另外的設備或地點，進行處理或分析。
物聯網生態體系中的大多數設備由電池供電，并且必須在沒有維護或替換的情況下工作數年。如果僅使用單個電池而要提供長時間的服務，這些設備的功耗就必須要盡可能降到最低。還有一些物聯網設備將通過外部來源供電，即能量收集。在上述兩種情況中，高效節能對于發揮物聯網的潛力，造福大眾生活來說都是至關重要的。
實現高效節能：物聯網領域的主要挑戰
物聯網本身是一個很大的概念，能夠徹底改變社會生活和人們的工作。實際上，物聯網應用的開發正在諸多領域中進行著。在不遠的將來，很多事物將和現在的看起來不一樣，而且這還不是僅僅局限于消費電子領域。想象一下，像Nike FuelBand 一樣通常需要8、9 個元件的可穿戴設備在3 到4 年后可能只需1 個元件，而且價格也會變得更加便宜（圖3）。
圖3：如何降低功耗、減小尺寸、縮減成本是物聯網領域的主要挑戰。
消費者對于更小、更輕薄設備的需求不斷推動這種趨勢，特別是在可穿戴設備領域。“摩爾定律”中所預測的大約18 個月左右晶體管數量就會激增這一情況使得這種趨勢變得更加復雜。將8 到9 個元件減少到1 個需要高度的集成。不僅如此，當您將更多的功能集成到單個芯片上時，相應地必須要添加更大的存儲器，這反過來也會增加功耗，而這點并不契合物聯網設備追求更低功耗的需求。
在未來幾年里，物聯網將為我們提供非常卓越的用戶體驗。它將提供更好的互連，更簡單更方便，并且是“永遠在線”的，或者說給用戶帶來的體驗是“永遠在線”的。倘若物聯網設備能夠“永遠在線”，始終待命并執行用戶的指令，那就無需摁一下按鈕激活設備這種操作了。可穿戴的健康追蹤設備是看得見的例子。它每天都記錄用戶的心率、全天的睡眠/活動時間。未來的物聯網設備也需要實現類似的“每周7 天，每天24 小時”的工作。
顯而易見的是，對于“永遠在線”功能的需求正是推動實現更加高效節能的動力。如果物聯網設備不能以很低的功耗運行，無論是通過持續數年的電池供電或從外部獲得能源，“永遠在線”的想法仍然不能實現。
“永遠在線”的設備還處于一個進退兩難的困境中。如果一直在工作，物聯網設備就會收集到海量的數據，此時如何利用這些數據變成了最優先考慮的事。換句話說，收集數據相對來說很簡單，而難的是真正使用好這些數據。
智能感知和大數據分析此時就會變得非常重要，通過更加智能的數據獲取并且以更大的數據集進行處理，那么根據需求獲得的動態趨勢或重要項目就能夠最快地得到確定并執行。這里不得不再次提醒，高效節能仍然非常關鍵，因為數據收集會增加功耗，存儲器存儲數據同樣如此。
克服挑戰
實現對于物聯網設備至關重要的高效節能，使得設備僅需單個電池就能運行數年并不簡單。這需要使用低功耗元件以及更加高效的電源系統。同時，架構和芯片本身也需要進行改變。
現在，物聯網領域各個方面的設計都集中于如何盡可能實現高效節能（圖4）。對于智能手機來說，這意味著數量級的提升，不會一夜之間就實現。這種提升需要通過幾代產品一步一步實現。
圖4：物聯網領域的方方面面都要求高效節能。
作為低功耗可編程半導體器件的行業領導者，萊迪思半導體致力于助力各廠商實現功耗更低的物聯網互連設備。目前，萊迪思主要集中于研究新的方式來提升能源效率，包括實現工藝技術創新和推出更先進的半導體器件。同時，萊迪思也不斷為系統設計工程師提供更多的靈活性，以支持電源門控、可編程速率和電源管理功能。不僅僅是低功耗，萊迪思獨有的架構還可實現模式狀態電源管理，基于某些參數來判斷設備所處的真正狀態——開啟或關閉，睡眠或部分喚醒，能夠動態地從一種狀態轉換到另一種狀態。
相較于僅基于處理器的元件，萊迪思正在使用先進的工藝技術和已有的速度/功耗靈活性來擴展其產品功耗優勢。利用集成的半導體器件和軟件解決方案，萊迪思能夠實現能源效率數量級的提升。
物聯網是一個引人注目、非常有前途的領域，能夠改變人們日常生活的方方面面。現在物聯網領域已小有成就，但是發展空間還十分巨大。想要完全發揮物聯網的潛力，就要把物聯網生態體系中的設備變得更小更便宜，此時更高度的集成就變得至關重要。它還要求設備開發工程師能夠為用戶帶來“永遠在線”的體驗，并找到新的方式來更加智能地感知和分析設備捕捉到的數據。以下都是該領域中各類應用的共同發展趨勢：集成、“永遠在線”的用戶體驗、智能的感知/數據分析。這些趨勢也是將物聯網生態體系引入到人們日常生活的過程中面對的最主要障礙。
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