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感測器集線器之爭 勝負由市場決定
現階段仍以MCU為市場主流

【作者: 姚嘉洋】   2015年05月08日 星期五

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感測器集線器(Sensor Hub)的出現其實已經有了一段時間,它主要扮演的角色,是將系統各個感測器的所偵測到的訊號加以處理,再交給應用處理器進行後處理的工作,以讓整體系統的運作達到最佳化的效果,這種情形在智慧型手機與平板電腦市場中最為常見。


它的出現,起因於終端裝置的感測器數量愈來愈多,若是只有簡單的三軸加速度計或是三軸的陀螺儀的資料,應用處理器或許還有辦法應付,但是隨著感測器的數量增加,像是三軸的磁力計與壓力感測器也成了標準配備的情況下,若全交由應用處理器來負責,會造成相當大的負擔,整體系統的表現也會一落千丈,所以感測器集線器就像是子系統(subsystem)一樣,分擔應用處理器的工作,好讓應用處理器能專心於更為重要的工作。而這種分擔應用處理器的作法,也並不是第一次,像是音訊處理器或是專職電源管理的電源管理晶片,在整體系統中,也各自負責其重要的工作。


進入穿戴式應用 功耗更形重要

談到感測器集線器,產業界能夠連想到的晶片供應商,大多就是ST(意法半導體)與NXP(恩智浦)等大廠,而我們知道,在全球消費性感測器元件市場中,ST居於龍頭地位,所以連帶的,ST在感測器集線器市場也居於一線位置。事實上,市場出現感測器集線器的說法,約莫也是由ST所傳出,在當時,九軸感測器正開始為諸多智慧型手機大廠所採用。只不過到了後來,隨著蘋果在先前新款iPhone推出時,提到了協同處理器M7的存在,這也讓感測器集線器的重要性變得更加重要。


接下來的問題是,感測集線器在未來會面臨哪些挑戰?ST MCU部門資深產品行銷經理楊正廉談到,隨著Android的版本不斷更新,這對感測器集線器而言,不啻是一種挑戰。對於感測器集線器而言,最基本的要求,不外是功耗更可以再持續下探、性能提升與軟硬體整合的最佳化。以降低功耗為例,Google在去年所發布的Android 5.0(代號為Lollipop;棒棒糖)版本中,就針對延長電源壽命提出對應作法,同時也希望該版本能無縫搭載平板電腦、智慧型手機、車用電腦與穿戴式裝置上,既然應用範圍涵蓋了穿戴式裝置,功耗的問題就不能視而不見。



圖一 : Google所推出的Android 5.0會導入穿導式應用上,功耗勢必是一大設計問題。(Source:phandroid.com)
圖一 : Google所推出的Android 5.0會導入穿導式應用上,功耗勢必是一大設計問題。(Source:phandroid.com)

針對功耗問題,QuickLogic事業發展資深經理連文賢同意楊正廉的說法,消費者和OEM廠商一直不斷要求在每一代智慧型手機及穿戴式裝置上包含更多的功能,所以這提高了感應器演算法的複雜性,以及對於感測器集線器的負擔。


但是,電池容量沒有趕上這些需求。根據業界估計,在智慧型手機和穿戴式裝置上的典型電池,在過去的十年裡,其每單位面積容量只增加約25%,而感測器集線器的負擔,也為電池帶來了額外的負擔。所以,找到一種方法來不斷滿足消費者和OEM廠商不斷成長的需求,同時還要以盡可能以最低的功耗來達成。


Bosch Sensortec亞太區總裁百里博也同意,即便有許多應用系統都把彈性與高感測器效能列為關鍵績效指標 (KPIs),因此在體積與電力消耗方面稍作讓步也無可厚非,但另一方面也有些應用系統把體積與電力消耗列為關鍵績效指標。所以Bosch Sensortec所開發的BHI160,就是一款三軸加速度計與三軸陀螺儀,再內建一顆32位元的浮點運算處理器核心,它能因應前面所談到的Android 5.0版本,此外,該處理器核心本身就具備浮點運算功能,所以在處理演算法上極具效益。同樣能把功耗壓至相當低的程度。而楊正廉也談到,感測器相關的演算法,目前採用具浮點運算功能的MCU(微控制器)已經是普遍的趨勢,差別就在於,核心時脈的選擇要如何對應感測器數量的多寡罷了。


就現狀而言,MCU似乎還是市場的主流,但也請注意,

至少也要32位元架構才有辦法執行資料融合與轉換的工作,

當然,若有浮點運算功能,更是如虎添翼。

進入物聯網應用 處理器核心優化是一大考量

過去業界對於感測器集線器的印象,大多停留在與以MEMS(微機電系統)感測器的搭配為主,楊正廉指出,由於感測器集線器的應用也會慢慢移動到物聯網應用領域,所以如果將感測器集線器侷限在與MEMS感測器搭配,格局就會縮限許多,對ST而言,不論是MEMS感測器或是其他類別的感測器,甚至是諸多無線技術的支援等,ST的MCU都能滿足相關的系統設計。所以,ST看待感測器集線器的方式是,ST的MCU將肩負起所有感測器與無線技術方面的工作的運算,涵蓋的應用範圍只會更加廣泛。



圖二 : 物聯網的出現,使得感測器集線器涵蓋的技術層面,將不再只是感測器的範疇,網通技術也會是相當重要的一環。(Source:www.genco.com)
圖二 : 物聯網的出現,使得感測器集線器涵蓋的技術層面,將不再只是感測器的範疇,網通技術也會是相當重要的一環。(Source:www.genco.com)

至於目前市場上有其他半導體業者打算進攻感測器集線器市場,面對這種情況,楊正廉笑稱,就他觀察,似乎還是ST居於較為明顯的領先位置。即便市場上有業者強調在功耗上可以遠勝MCU架構,但就實務而言,除了硬體之外,軟體的協助與後續支援服務也都必須到位才行,再者,ST的MCU可以動態調整核心時脈,可以在最短時間內處理所有感測器的資料後,再進入休眠狀態,這種作法也能相當省電。


連文賢則是認為,若能提供專用的感測器集線器的處理器核心,便能有進一步優化該系統的功耗表現。他以該公司旗下的ArcticLink 3 S2 為一超低功耗的感測器集線器,主要鎖定智慧型手機及穿戴式應用。


S2是特別創建的感測器集線器,一開始的設計目標就是作為感測器集線器,而不是一個可以被重新利用為感測器集線器的通用MCU。S2解決方案的核心是QuickLogic正在申請專利、專有的microDSP-like 核心,這就是所謂的彈性融合引擎(FFE)。彈性融合引擎可以應用於日常生活監控(如散步、跑步),用戶交通傳輸(自行車、汽車),用戶手勢(轉手、抬腕)和裝置位置(在口袋裡,而非人身上、意外掉落)等各種任務的理想選擇。


QuickLogic啟動QVL program 打造生態系統

當然,在軟體與相關服務上,QuickLogic也有相當多的資源,像是SenseMe資料庫,並且還可運作於OEM所開發或第三方夥伴的感測器演算法,或三種的任意組合。此外,S2的可編程架構可因應OEM獨特功能目標,如電視遙控器、膠合邏輯(glue logic)或其他功能。而QuickLogic也在2014年啟動了Qualified Vendor List (QVL) program,該計畫涵蓋市場十多家供應商的十二種最流行類型感測器。這能讓系統整合業者確信QuickLogic的感測器集線器不僅能夠根據多種感測器類型、製造商和型號來讀取和寫入,同時我們也證明了現有的代碼能夠在客戶的設計過程中快速提供感測器子系統。這十二種感測器,除了我們所熟知的加速度器、陀螺儀與磁力計外,還包括了壓力、心率顯示器、環境光源、接近、手勢、紫外線、氣體、濕度和溫度。供應商方面,則有AKM、ADI、AMS、Bosch、ST與Silicon Labs等。


系統設計作法多元 由市場決定何者勝出

ST MEMS暨感測器部門技術行銷經理李炯毅談到,單以感測器供應商的角度來看,ST的確相當樂見與其他供應商配合,所以除了與自家的MCU產品配合,也不排除與其他的感測器集線器或是應用處理器業者合作,來打造客戶理想中的系統設計。他進一步指出,滿足感測器系統設計,一般來說可以分成:應用處理器加感測器、感測器集線器加感測器,以及感測器內建處理器核心等三種作法,就目前他所觀察到的市場狀況,還是以第二種的設計搭配居多,而感測器集線器也是採用MCU架構為大宗。只不過,像是應用處理器業者Qualcomm(高通),也曾經公開表示,高通能以應用處理器搭配感測器的設計,來滿足客戶的需求。而第三種作法,ST也有提供對應的解決方案供客戶選擇。但未來的發展可能還是會有成本上的考量,而出現取捨的情形,但還是交由市場來決定主流的設計作法。



圖三 : 高通所提供的應用處理器也能應付不同類型感測器的資料。(Source:Qualcomm)
圖三 : 高通所提供的應用處理器也能應付不同類型感測器的資料。(Source:Qualcomm)

當然,第三種作法也並非僅有ST獨家提供而已,百里博談到,早在2013年,Bosch Sensortec就推出了BNO055,它整合了三軸加速度計、三軸陀螺儀與三軸磁力計與一顆Cortex-M0+處理器核心,百里博以客戶Hillcrest為例,它們就提供自家的演算法再結合BNO055硬體,鎖定的市場應用為頭戴式顯示器。當然,若要滿足平板電腦或是智慧型手機,Bosch Sensortec也有提供演算法,來滿足這類應用的設計。



圖四 :  Bosch Sensortec所提供的BNO055就是一款九軸感測器加上32位元處理器核心的高整合元件。(Source:Bosch Sensortec)
圖四 : Bosch Sensortec所提供的BNO055就是一款九軸感測器加上32位元處理器核心的高整合元件。(Source:Bosch Sensortec)

對於系統設計方法的選擇,楊正廉補充說明談到,考量到成本問題,MCU或許有可能會成為被犧牲的對象,但是目前市場主流仍然是MCU的原因,在於後續的客戶服務的技術支援上,這包含了軟體層面與演算法,這在過去就必須要累積相當多的實務經驗,才有辦法作到,即便ST的MCU是屬於泛用型MCU,卻也因為如此,才有辦法廣泛地支援不同類型的客戶群。


結論

歸納來看,感測器集線器市場的發展,可以確認的是,MCU架構目前是市場主流,與此同時,各家大廠所採取的策略基調也沒有太大的差異,軟硬體的整合方案提供已經是大家必備的策略,重點就在於後續的技術支援,或是合作業者數量的多寡等差異,未來感測器集線器市場的發展,MCU架構能否持續成為市場主流,就有待市場來證明。


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