低功耗/高整合方案尽出 穿戴式装置元件规格大翻新

2014-02-13 19:20:59来源: 新电子 关键字:低功耗  高整合  穿戴式装置
    穿戴式装置囿于体积及重量限制,对晶片尺寸与功耗要求较行动装置更加严苛,因此微控制器(MCU)、微处理器(MPU)与微机电系统(MEMS)感测器等元件开发商,纷纷推出更低功耗高整合度的新一代解决方案,期能大啖穿戴式电子商机。

穿戴式装置将引爆新一轮的晶片热战。穿戴式装置受限于体积及重量限制,所需元件规格与一般行动装置不尽相同,为抢食此商机,穿戴式装置中的关键元件开发商,无不戮力针对穿戴式装置发布新一代低功耗或高整合的解决方案,再次翻新行动装置元件规格。  

图1 芯科实验室美国区域市场行销总监Raman Sharma表示,穿戴式产品设计的首要考量,是元件是否能达到超低功耗的水准。
芯科实验室(Silicon Labs)美国区域市场行销总监Raman Sharma(图1)表示,从来自Misfit或Magellan等穿戴式装置开发商给予该公司的回馈可知,穿戴式产品设计时,首先最注重的就是元件够不够省电,他们强调,够长的电池寿命才是穿戴式产品能否为消费者所接受并在市场获得成功的关键;也因此,穿戴式装置开发商通常会选择低耗电的微控制器(MCU)做为装置处理核心,以延长电池寿命。  

为了符合大多数穿戴式装置对于低功耗的需求,MCU厂商除戮力将系统待机及操作电流降至最低外,亦致力优化MCU处于睡眠状态的耗电情形,此将成为MCU厂能否成功抢进穿戴式市场的重要指标。  

满足穿戴式应用 MCU厂力拼低功耗设计


图2 新唐科技微控制器产品中心协理林任烈指出,MCU厂商除将系统待机及操作电流降至最低外,亦致力优化MCU处于睡眠状态的耗电情形。
新唐科技微控制器产品中心协理林任烈(图2)表示,为了达到超低功耗的表现,厂商在开发MCU时通常会导入睡眠模式(Sleep Mode)设计,让MCU在非系统运作高峰期的大部分时间,能够处于低耗电的睡眠状态,进一步降低装置整体功耗。  

林任烈进一步指出,符合穿戴式装置需求的低功耗MCU其操作电流须达到180微安培(μA)以下的水准,在睡眠模式下的待机电流也须低于1微安培;不过,当MCU处于睡眠模式时,系统并非完全静止不动,因此如何优化MCU处于睡眠模式下的系统设计,让装置更省电,便成了MCU厂商戮力改善的一大重点。  

其中,快速唤醒时间更是首要关键。据了解,MCU厂商为了达到节能目的,常在MCU中加入各种运行模式,光是睡眠模式可能就有好几种;以爱特梅尔(Atmel)的SAM4L系列为例,便可支援睡眠、待机、保存和备用等四种睡眠模式。在多种复杂的运行模式下,如果MCU总是要花上长时间才能从睡眠模式中启动,将难以真正降低系统功耗。因此,林任烈提到,MCU厂商除了导入睡眠模式设计外,亦极为注重如何加速唤醒时间。据了解,目前市面上MCU在唤醒时间的平均表现水准约为5?8毫秒(ms)。  

另一方面,MCU与周边感测器、无线射频(RF)元件的传输介面亦攸关MCU是否能达到有效睡眠模式。林任烈解释,由于睡眠模式中MCU与周边元件的运行方式系随着资料传输速度而变动,也就是资料传输速度愈快,MCU与周边元件唤醒/工作模式切换的时间就愈短;因此,串列周边介面(SPI)、I2C、输入/输出(I/O)接脚等传输介面的设计重点就是「抢快」,愈高速的传输介面才能愈快唤醒MCU,并且缩短MCU处理资料的时间,从而让装置更省电。  

林任烈补充,现在愈来愈多诉求低功耗与高效能的MCU,也开始导入可加快记忆体存取速度的多通道直接记忆体存取(Direct Memory Access, DMA)控制器,藉此在不唤醒MCU的状态下执行及分配资料存取。也就是说,DMA控制器能将多笔资料分配储存至静态随机存取记忆体(SRAM)及快闪记忆体(Flash)中,待记忆体储存至一定容量后再唤醒MCU,使其能一次处理多笔资料,让进入睡眠模式的MCU不会被轻易打扰。  

另外,也有MCU开发商透过低功耗感测器介面(Low Energy Sensor Interface, LESENSE)和周边反射系统(PRS)的设计以改善MCU处于睡眠模式下的系统运作表现;如芯科实验室藉由不断优化这两项设计开发出超低功耗MCU--EFM32 Gecko;让MCU即使进入睡眠模式,MCU的周边元件,如类比数位转换器(ADC)等,亦能自行配对、自主性撷取与传递资料。  

值得一提的是,除了以安谋国际(ARM)Cortex-M系列核心打造的低功耗MCU正在穿戴式装置市场大行其道外,亦开始有厂商将采用以Cortex-A系列打造的微处理器(MPU)导入穿戴式装置,让穿戴式装置得以实现更高阶的应用功能。  

锁定中高阶穿戴式产品 MPU方案露头角

飞思卡尔(Freescale)微控制器事业部亚太区市场行销和业务拓展经理王维认为,穿戴式装置的设计重点除集中在整个产品的重量、功耗、易用性之外,产品的功能面是否能满足消费者需求亦为重要考量。  

王维表示,目前MCU方案锁定的主要是中低阶的穿戴式装置,而MPU产品主要锁定的是高解析度彩色萤幕等功能更为复杂的中高阶应用;如飞思卡尔的i.MX6系列MPU即系针对此需求所推出。  

不过,目前MPU方案还在接受其是否能真正符合市场需求的考验。Sharma认为,处理器厂商推出MPU方案的宣示性作用大于实际效用,主要系由于MPU方案相对地会带来更高的耗电量,导致穿戴式装置须频繁充电,若无良好的配套方案将难以为消费者所接受;因此芯科实验室短期内并不会考虑跟进开发Cortex-A系列的处理器,仍将聚焦于超低功耗的MCU。  

尽管如此,可实现更高效能运作模式的应用处理器(Application Processor, AP)仍快步在市场上崭露头角,特别是在智慧型眼镜应用领域,可望与MCU方案一较高下。  

[@B]实现智慧眼镜吸睛功能 AP加入穿戴式战局[@C] 实现智慧眼镜吸睛功能 AP加入穿戴式战局


图3 钜景科技Logic SiP事业处协理周儒聪认为,为了实现智慧型眼镜丰富的人机介面功能,AP将加入穿戴式战局与MCU方案一较高下。
钜景科技Logic SiP事业处协理周儒聪(图3)表示,虽然目前穿戴式装置设计的主流原则在于追求功耗与效能的平衡,但开发商通常宁愿牺牲处理器的运作效能,将低功耗的设计考量奉为圭臬,因而让MCU方案成为现今穿戴式装置的首选;不过,这不仅局限了穿戴式装置的发展性,更使多数穿戴式装置沦为智慧型手机配件的命运,而这些缺乏杀手级应用的装置自然难以成为消费者的必需品。  

周儒聪指出,在众多穿戴式装置中,惟有标榜抬头显示(Head-up Display)的智慧型眼镜,能真正达到免手持(Hands Free)且让使用者毋须再当「低头族」的愿景,因此许多开发商纷纷在智慧眼镜中力拓各种杀手级应用方案,将智慧眼镜视为未来几年内最有可能颠覆行动装置市场生态的革命性电子产品;而能满足智慧眼镜高效能运算需求的AP,也势必成为市场显学。  

周儒聪进一步解释,采用MCU方案的智慧眼镜功能较为受限,仅能用于教育、医疗、游戏等部分利基市场;智慧眼镜若要走入一般的消费性电子市场,并实现高规格的多媒体影音、扩增实境(Augmented Reality)、虚拟实境(Virtual Reality)、中介实境(Mediated Reality)等功能,导入AP等级的处理器将是大势所趋。  

以Google Glass为例,该产品即是采用德州仪器(TI)的双核心处理器--OMAP 4430,运作时脉可达1GHz;另一由钜景科技研发的智慧眼镜原型机,则是采用瑞芯微的低功耗双核心处理器--RK3168,运作时脉可达1.2GHz。  

事实上,智慧眼镜对于高规格处理器的需求将更甚于其他行动装置。周儒聪分析,以扩增实境功能为例,其为智慧眼镜中最重要的功能之一,由于过去在手机应用上必须手持操作导致便利性大减,如今在头戴式显示器上则可彻底释放其应用潜力,使用频率将大幅提升;再加上许多开发商正以使智慧眼镜成为百分之百独立于智慧型手机以外的电子产品为目标,开发各种杀手级应用,将涉及到大量的即时运算,更加需要处理器充沛的运算支援,因此多核心处理器将是未来智慧型眼镜的必备规格。  

有鉴于此,除了开发双核心处理器的方案外,钜景在2014年亦将陆续推出搭载四核心及八核心处理器的智慧眼镜原型机,此亦让八核心处理器的应用版图可望从智慧型手机延伸到穿戴式装置市场。  

周儒聪认为,智慧眼镜的处理器规格与智慧型手机、平板电脑无太大差异,因此行动装置处理器厂商,如高通(Qualcomm)、辉达(NVIDIA)、联发科等,若有心进入此市场并非难事。  

不过,高效能处理器仍须与大量高规格元件互相搭配方能充分发挥其功能,如此一来,穿戴式装置的外型、体积、重量能否符合消费者预期将是另一考验;对此,周儒聪指出,钜景采用的微型化系统级封装(SiP)技术能大幅缩小印刷电路板(PCB)面积,将是最佳解方。此外,当多核心、高效能的AP逐渐成为智慧型眼镜市场的显学,如何将运作功耗降低,让装置的处理效能与功耗达到平衡,亦将考验着各家厂商的智慧。  

不仅MCU与AP处理器方案行情走俏,为了让穿戴式装置更加智慧化,并实现更精准的情境感知(Context Awareness)能力,微机电系统(MEMS)感测器的需求热度也明显飙升,遂引发MEMS元件商新一轮的抢单大战,并竞相发布高整合与微型化的解决方案,以吸引穿戴式装置开发商的青睐。  

MEMS元件商CES较劲 高整合/微型化方案竞出笼

集高整合度与微型化优势于一身的MEMS感测器,纷纷在2014年国际消费性电子展(CES)中亮相。瞄准穿戴式装置商机,
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关键字:低功耗  高整合  穿戴式装置

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0213/article_30572.html
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