物聯網邁向多元無線接取低功耗智慧控制/感測設計的趨勢日益明朗將促進MCU無線通訊IC和感測器出貨量涌現一波接一波漲勢半導體廠商亦看好這三類晶片將成為物聯網的明星方案競相啟動新技術投資及產品開發計畫

物聯網IC潛力股漲聲不斷在穿戴裝置車聯網工控自動化和智慧家庭等物聯網應用需求帶動下32位元微控制器MCU低功耗無線通訊IC以及微機電系統MEMS感測器的出貨量正持續翻漲相關晶片業者皆可望雨露均霑

尤其今年開年以來各個物聯網應用山頭皆有極具代表性品牌大廠全力相挺如蘋果Apple力拱智慧手表--AppleWatchGoogle/Nest強攻智慧家庭而特斯拉Tesla奧迪Audi和Volvo則快馬加鞭布局車聯網系統甚至是下世代的無人駕駛車更讓晶片開發商們吃下定心丸更加義無反顧投資研發新產品線或發動購并攻勢以快速補強專利和欠缺的技術拼圖

其中MEMS感測器搭上行動/穿戴裝置以及各式支援智慧感測功能的物聯網設備熱潮2014-2015年的出貨量已顯著彈升未來5年內行動及物聯網裝置規模將上看三百億部且內建多軸動作感測器麥克風壓力計和溫/濕度等感測器的數量亦可望翻倍將逐年為MEMS市場挹注巨大成長動能讓MEMS晶片商出貨及營收成長一飛沖天

物聯網甘霖降不停MEMS感測器出貨連年旺

中國臺灣博世執行董事暨中國香港博世總經理BerndBarkey強調未來MEMS感測器類型和出貨量將顯著增加

中國臺灣博世Bosch執行董事暨中國香港博世總經理白邦德BerndBarkey圖1表示智慧家庭安防監控智慧照明以及汽車的先進駕駛輔助系統ADAS和無人駕駛車皆帶來相當廣泛的感測器需求MEMS感測器業者正沿用在行動穿戴裝置市場的成功路徑以加速度計磁力計和陀螺儀等慣性感測器以及壓力與溫/濕度等感測器大舉在上述應用領域開疆辟土

白邦德進一步解釋如同手機和智慧手表一般聯網汽車和家庭能源管理系統皆須利用感測器采集使用者或環境資訊才能透過后端的嵌入式處理和無線通訊技術將這些數據化為可運算且有參考及決策價值的資料因此物聯網應用滲透得愈快也意味著更龐大可期的MEMS感測器需求以BoschSensortec為例2014年在車用感測器市場的出貨量已翻倍此一巨幅成長走勢將延續至2015年再攀上另一個高峰

至于行動/穿戴裝置智慧家電等ICT產品對MEMS感測器的導入需求更是顯著尤其自2014年以來業界從對AppleWatch將上市的預期心理到產品正式出爐那一刻將智慧手表市場帶至最高潮皆為MEMS感測器應用創造新契機

BoschSensortec中國臺灣暨東南亞區總經理黃維祥補充中國臺灣系全球ICT產品制造重鎮對于系統關鍵零組件往往有春江水暖鴨先知的掌握度而2014年BoschSensortec在中國臺灣的MEMS感測器出貨量繳出成長100%以上的成績單產品規格則明顯朝三軸六軸甚至九軸發展因此更能突顯市場火熱的態勢今年各種ICT設備引進智慧感測設計的風潮更盛對元件功耗和性能要求更嚴格預料MEMS感測器在2015年仍將有雙位數成長率且在電路設計和封裝形式方面將呈現全新風貌

黃維祥強調因應穿戴裝置小體積長效待機的設計趨勢多軸MEMS感測器須進一步與MCU結合以減輕系統主處理器運算負擔同時縮減PCB占位空間因此今年3月該公司已發表三軸六軸感測器內建Cortex-M系列核心的方案搶占技術演進浪頭

下一階段行動/穿戴裝置將鎖定生物及環境感測設計觸發光學式生物感測模組及環境感測器方案需求

黃維祥透露看好環境感測市場潛力該公司已在臺設立先進MEMS封裝中心并成功打造壓力計溫/濕度和氣體感測器整合型模組將大幅縮減系統布局空間此外上述感測器封裝皆有一共通點--須開孔換句話說諸如MEMS麥克風或其他類型的環境感測器也有機會如法炮制讓系統廠能兼顧產品尺寸和功能性

無獨有偶芯科實驗室SiliconLabs亦針對穿戴裝置健身追蹤器醫療設備聯網家電和工業自動化等領域強打光學和環境感測器在光學感測器方面該公司已提供用于檢測紅外線IR環境光線和紫外線UV強度的產品并結合軟體開發工具和硬體參考設計達成心率紫外線指數相對濕/溫度檢測功能下一步更將朝血壓血氧等生物征象監測功能邁進

運籌敦宏/訊芯三方合璧Dialog納入光感測戰力

無庸置疑穿戴裝置因貼身使用幾乎已成生物感測應用的最佳載具因此包括聯發科意法半導體ST奧地利微電子ams等重量級晶片廠以及華星神念等中國臺灣新秀IC設計業者皆計畫搶進光學感測器市場并正積極部署產品大軍不過隨著感測元件增加系統功耗問題將日益突顯導致感測器與電源管理晶片PMIC的設計更加緊密看準此一趨勢行動裝置PMIC大廠--戴樂格半導體Dialog也啟動與中國臺灣光學感測器廠--敦宏以及系統封裝SiP技術供應商--訊芯的三方合資大計以一舉掌握生物感測關鍵技術

據悉Dialog將藉此機會取得敦宏40%股權而訊芯亦將取得15%股權三家公司將共同開發高精準度感測高效率電源管理和高整合度SiP模組方案用以開拓物聯網智慧感測市場

戴樂格半導體企業發展及策略資深副總裁MarkTyndall認為相較于中國大陸廠商中國臺灣IC業者具有更強的設計能力故選擇與后者合作

戴樂格企業發展及策略資深副總裁MarkTyndall圖2表示現下穿戴裝置物聯網設計最大挑戰在于發散又復雜的無線通訊/感測器方案緊縮的PCB空間以及相較于手機再降十倍的系統功耗要求基于這些考量Dialog從智慧型手機平板電腦的PMIC市場發跡一路補強音訊編解碼器AudioCodec藍牙低功耗BLE及近期成功引進的光學感測器和SiP技術未來將能提供Wearable-on-Chip的全新概念產品幫助系統廠一次搞定關鍵設計

敦宏科技總經理黎世宏表示感測器技術愈來愈成熟但要走到系統級解決方案還有很長一段路其中的癥結不外乎軟硬體整合及周邊電源管理隨著Dialog訊芯和敦宏三方合璧下一代光學感測模組將除能集結環境光源/距離感測器色彩和手勢分析等技術還可運用SiP增加MCU即時處理PMIC和BLE/Wi-Fi連線功能形成智慧感測統包方案

Tyndall透露Dialog已與聯發科高通Qualcomm等處理器大廠建立合作關系擁有感測器SiP技術能量后將能以更高層級的系統解決方案進一步拓展與OEM廠商的合作管道挹注營收成長動能

多協定/低功耗需求拉動無線SoC設計商機大豐收

芯科實驗室物聯網解決方案資深行銷總監GregHodgson提到Thread技術可支援IP網狀網路未來在智慧家庭的發展備受期待

除感測器外無線通訊亦是成就物聯網的關鍵技術特別是多協定/多頻段同步支援網狀網路和點對點連線的無線SoC更將成為物聯網市場今年最大亮點之一為相關晶片商捎來商機

芯科實驗室SiliconLabs物聯網解決方案資深行銷總監GregHodgson圖3表示無線SoC導入需求源自超低功耗多重標準互通與系統簡化設計今年初許多MCU業者無線通訊晶片商皆發布可支援Wi-Fi藍牙ZigBeeThread或融合上述協定的SoC就是相中市場對整合型方案的殷切期盼

Hodgson進一步指出在物聯網當中家庭聯網市場是成長快速且技術覆蓋最多元的區塊基本上智慧家庭須有一種以上的裝置可能有數百個裝置節點連結在一起并連上網路使屋主能以這種方式控管和監控環境包括氣溫耗能資料存取照明保全和居家照護等落實這些應用的共通之處是整合為無線聯網生態系統

現階段長程演進計畫LTECat.1/0Wi-FiBluetoothSmartZigBee和Thread無線標準皆是構筑物聯網環境的潛力技術在未來10年內已開發國家的家庭平均將擁有二十到五十個聯網裝置這意味著家庭聯網市場正在大幅成長及多元技術融合的開端2015年將是至為關鍵的一年

Hodgson指出為支援多重協定和無線射頻頻段SiliconLabs已發表系列無線SoC打頭陣的是BluetoothSmartSoC下一步將朝Wi-Fi網狀網路協定ZigBee和IP型Thread可支援sub-GHz頻段專用協定或整合型設計邁進為此該公司亦加入為ARMmbed物聯網開發平臺成員以強化MCU和多重協定軟體堆疊的軟硬整合能力他更斷言不久的將來大部分聯網裝置都將以高度整合的多協定多頻段SoC為核心

由于物聯網系統內建無線感測元件與日俱增因此嵌入式處理器效能亦須與時俱進瞄準此一需求意法半導體恩智浦NXP瑞薩電子RenesasElectronics和德州儀器TI等MCU供應商正不斷導入更高性能的Cortex-M4/M7核心以及4028奈米先進制程

低功耗/高性能優勢顯著STMCU馳騁穿戴式市場

鎖定穿戴裝置應用意法半導體32位元MCU家族再添生力軍意法半導體日前祭出最新的MCU--STM32L4可用于兼顧超低功耗與高性能的穿戴式應用以及下一代節能型消費性電子產品工業醫學和量測設備等領域以滿足物聯網市場日益成長的需求

意法半導體大中華與南亞區微控制器行銷和應用總監JamesWiart圖4右表示未來穿戴式裝置發展的重要趨勢將邁向微型化低功耗以及高效能的客制化應用而將體積輕小又同時具備快速處理能力的微控制器置入不同的穿戴式裝置可為智慧手表心率監控器HeartRateMonitor活動追蹤器等特定市場提供更多所需的效能

圖4

左起為意法半導體大中華暨南亞區產品行銷經理楊正廉意法半導體微控制器記憶體及安全微控制器事業群行銷經理Jean-JulienPegoud以及意法半導體大中華與南亞區微控制器行銷和應用總監JamesWiart

然而隨著耗電問題成為穿戴式技術發展的重要挑戰之一意法半導體大中華暨南亞區產品行銷經理楊正廉圖4左也指出消費性裝置若須過于頻繁充電將會喪失使用者的信任有鑒于此該公司致力發展更低功耗的MCU以滿足各種智慧周邊設備的設計需求并壯大市占率

意法半導體微控制器記憶體及安全微控制器事業群行銷經理Jean-JulienPegoud圖4中強調低功耗MCU會隨著應用領域及使用方式的差異而有所不同對此該公司新款MCU特別增添能依照不同處理需求動態電壓調節功能還能透過七個子模式選項的電源管理模式如睡眠待機及最低功耗僅30耐安培nA的關機模式達成最佳化電源管理

至于運算性能方面Wiart說明穿戴裝置主要靠MCU驅動各部功能著眼于各種智慧元件供電量需求攀升為同時實現MCU低功耗與性能最大化意法半導體還開發智慧架構與通訊周邊設備以讓該產品在不同運作狀態下皆不會犧牲性能例如該產品的內部智慧操作可支援兩種不同取樣速率其中低速取樣功耗僅為數10微安培能限制最大電流而另一種高速取樣速率則可使處理器快速返回超低功耗模式

不僅穿戴裝置引發諸多MCU功能新需求汽車近來轉向聯網智慧化亦牽動MCU設計巨幅轉變

28奈米設計一馬當先瑞薩搶當車聯網MCU一哥

瑞薩電子全球業務暨行銷單位執行副總裁ManabuKawashima表示物聯網可區分消費性工業和車用多個領域其中尤以車用市場對MCU即時控制效能功耗穩定性和可靠度要求最為嚴格因此多數晶片商不敢貿然推進制程節點以避免產品不符車規的風險但無疑也限制了MCU性能和整合度擴展

為克服此一桎梏瑞薩已率先采用獨家28奈米嵌入式快閃記憶體eFlash制程技術--MONOSMetalOxideNitrideOxideSilicon開發次世代車用MCU以不斷滿足車廠和一級Tier1供應商對MCU升級的需求Kawashima透露相較于消費性電子方案車用MCU制程演進速度較慢現階段大多仍停留在90奈米以上節點然而在先進駕駛輔助系統ADAS迅速發展下基于成熟制程的MCU在效能記憶體容量方面都出現不足情形因此跨越制程門檻同時又能保有可靠度將成為車用MCU供應商未來的決勝焦點

車用MCU首重可靠度隨著晶片節點微縮電路設計也更加復雜晶片運作失效的風險也跟著擴大對此Kawashima強調瑞薩透過與全球主要車廠長期合作的經驗搭配專利MONOS制程架構新一代28奈米MCU已通過車廠對可用性高速及低功率的嚴格規范將突破現行90奈米MCU的效能和記憶體容量壁壘協助系統業者開發更先進的ADAS系統

據悉瑞薩已盤據車用MCU市占龍頭多年在2014-2015接連發布4028奈米先進制程MCU后更可望進一步拓展市占版圖Kawashima認為搭上ADAS無人駕駛車發展風潮2015-2016年該公司車用MCU將有雙位數的出貨成長率

綜上所述MCU無線通訊和感測器已成為物聯網市場眾所矚目的三寶未來10年在出貨量產值方面均相當令人期待不僅如此這三類IC方案的技術日新月異變化程度將超越過去幾10年的總和將有助相關晶片供應商脫離價格競爭的泥淖并引來更多新設計與技術導入契機