低功耗Sensor Hub成標(biāo)配　穿戴裝置傳感功耗驟降

　　穿戴式裝置續(xù)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(fā)更省電的微機(jī)電系統(tǒng)(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(fù)擔(dān)，讓整體感測系統(tǒng)耗電量大幅下降。

　　穿戴式裝置感測系統(tǒng)功耗可望大幅降低。穿戴式裝置受限于體積，因此內(nèi)部電池蓄電量無法盡如人意，容易引發(fā)使用者體驗(yàn)不佳等問題;因此，相關(guān)業(yè)者無不戮力精進(jìn)電源管理技術(shù)，同時(shí)竭盡所能降低相關(guān)元件的耗電量，或是透過更有效的系統(tǒng)配置方式，降低主處理器的運(yùn)作負(fù)擔(dān)，以滿足穿戴式裝置內(nèi)感測系統(tǒng)常時(shí)開啟 (Always-on)的需求。

　　圖1　Bosch Sensortec亞太區(qū)總裁百里博表示，整合溫/濕/壓/氣感知的Combo環(huán)境感測器，可符合穿戴式裝置對體積與功耗的設(shè)計(jì)要求。

　　Bosch Sensortec亞太區(qū)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(qiáng)人意。探究其原因，主要是現(xiàn)今市面上的穿戴裝置方案不管設(shè)計(jì)如何精良，或技術(shù)如何先進(jìn)，都無法確實(shí)滿足使用者的期待。

　　百里博進(jìn)一步分析，使用者購買穿戴式產(chǎn)品主要有三大考量，分別為設(shè)計(jì)、連結(jié)性與功能性。然而，這三項(xiàng)需求彼此有其矛盾之處;例如網(wǎng)路連結(jié)性與電池使用時(shí)間的沖突，就會(huì)壓抑產(chǎn)品功能性的發(fā)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(gè)折衷選擇，這種不明確的市場區(qū)隔正說明了為什么穿戴式產(chǎn)品無法成為主流趨勢，同時(shí)也指出新一代穿戴裝置必須克服的問題。

　　為突破上述挑戰(zhàn)，打造更好的使用者體驗(yàn)，穿戴式裝置與晶片開發(fā)商已積極采納新的設(shè)計(jì)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器來說，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)彈性上即有不少進(jìn)展。繼動(dòng)作感測器慣性量測單元(IMU)突破九軸設(shè)計(jì)瓶頸后，環(huán)境感測器的多功能組合(Combo)設(shè)計(jì)也突破層層關(guān)卡。

　　以Bosch Sensortec最新發(fā)布的MEMS Combo環(huán)境感測器為例，該公司瞄準(zhǔn)行動(dòng)裝置、穿戴式裝置應(yīng)用，日前已成功開發(fā)出整合大氣壓力、溫度、濕度與氣體(Gas Sensor)四種感測器的Combo環(huán)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(yè)界獨(dú)樹一格的高整合 Combo環(huán)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(huán)境感測器　圖片來源：Bosch Sensortec

　　百里博表示，微機(jī)電系統(tǒng)感測器體積必須盡可能縮小，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，最有效的方法是把各種感測器功能整合在一個(gè)微小的封裝，這可讓系統(tǒng)介面整合之應(yīng)用最大化，并降低封裝制造費(fèi)用。

　　事實(shí)上，日前Bosch Sensortec發(fā)布的BME680，即是同時(shí)整合四種環(huán)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(nèi)空氣品質(zhì)的氣體感測器。

　　據(jù)了解，氣體感測器可監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境中，涂料、油漆、脫漆器、清潔用品、家具、辦公設(shè)備、膠水、黏合劑、酒精等產(chǎn)品上的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的濃度，例如甲醛;若再結(jié)合溫度、濕度、壓力感測器，則可提供行動(dòng)裝置、穿戴式裝置及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更為全面的環(huán)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(diǎn)。百里博認(rèn)為，現(xiàn)今大多數(shù)感測器并不符穿戴式應(yīng)用對高電源效率與高整合度的要求;而要降低感測器數(shù)據(jù)融合(Fusion)處理的耗電量，必須透過特殊設(shè)計(jì)與優(yōu)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(chǎn)品之外，還須持續(xù)開發(fā)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(dá)到低功率消耗的目標(biāo)，有幾個(gè)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(gè)因素進(jìn)行研發(fā)，因此能提供消費(fèi)性電子產(chǎn)品所需的最低功耗微機(jī)電加速度計(jì)、陀螺儀與大氣壓力感測器。

　　為了降低感測器數(shù)據(jù)融合與資料處理的功耗，除了從元件設(shè)計(jì)下手外，高效率的演算法亦能發(fā)揮關(guān)鍵作用;以慣性量測單元--BMI160為例，該元件可在低功耗狀態(tài)下，透過演算法持續(xù)進(jìn)行外部資訊偵測，并整合精確的計(jì)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(shí)開啟，使得主處理器必須時(shí)時(shí)處于運(yùn)作狀態(tài)，而不能隨意進(jìn)入休眠模式，長期以往對于主處理器而言將造成龐大的運(yùn)算負(fù)擔(dān);因此，有愈來愈多的穿戴式裝置開始導(dǎo)入Sensor Hub元件，以進(jìn)一步降低感測系統(tǒng)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(jīng)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(wù)，可協(xié)助晶片商開發(fā)客制化的Sensor Hub產(chǎn)品。

　　晶心科技總經(jīng)理林志明(圖3)表示，Sensor Hub已成為未來穿戴式裝置的標(biāo)準(zhǔn)配備，且以微控制器(MCU)為主的Sensor Hub形式仍占據(jù)多數(shù)。

　　林志明進(jìn)一步指出，做為次要處理器的Sensor Hub，其內(nèi)部矽智財(cái)(IP)核心與系統(tǒng)配置要求以低功耗為第一順位，與行動(dòng)裝置一味追求高效能、多核心的發(fā)展方向大相逕庭。