低功耗Sensor Hub成標配　穿戴裝置傳感功耗驟降

　　穿戴式裝置續航力可望大幅提升。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)更省電的微機電系統(MEMS)感測器，并開(kāi)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擔，讓整體感測系統耗電量大幅下降。

　　穿戴式裝置感測系統功耗可望大幅降低。穿戴式裝置受限于體積，因此內部電池蓄電量無(wú)法盡如人意，容易引發(fā)使用者體驗不佳等問(wèn)題;因此，相關(guān)業(yè)者無(wú)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(guò)更有效的系統配置方式，降低主處理器的運作負擔，以滿(mǎn)足穿戴式裝置內感測系統常時(shí)開(kāi)啟 (Always-on)的需求。

　　圖1　Bosch Sensortec亞太區總裁百里博表示，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計要求。

　　Bosch Sensortec亞太區總裁百里博(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人意。探究其原因，主要是現今市面上的穿戴裝置方案不管設計如何精良，或技術(shù)如何先進(jìn)，都無(wú)法確實(shí)滿(mǎn)足使用者的期待。

　　百里博進(jìn)一步分析，使用者購買(mǎi)穿戴式產(chǎn)品主要有三大考量，分別為設計、連結性與功能性。然而，這三項需求彼此有其矛盾之處;例如網(wǎng)路連結性與電池使用時(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(chǎng)區隔正說(shuō)明了為什么穿戴式產(chǎn)品無(wú)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(wèn)題。

　　為突破上述挑戰，打造更好的使用者體驗，穿戴式裝置與晶片開(kāi)發(fā)商已積極采納新的設計方法，如使用高整合型感測器，或引入低功耗感測器中樞(Sensor Hub)。

　　滿(mǎn)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

　　以微機電系統(MEMS)感測器來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品設計彈性上即有不少進(jìn)展。繼動(dòng)作感測器慣性量測單元(IMU)突破九軸設計瓶頸后，環(huán)境感測器的多功能組合(Combo)設計也突破層層關(guān)卡。

　　以Bosch Sensortec最新發(fā)布的MEMS Combo環(huán)境感測器為例，該公司瞄準行動(dòng)裝置、穿戴式裝置應用，日前已成功開(kāi)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)界獨樹(shù)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(lái)源：Bosch Sensortec

　　百里博表示，微機電系統感測器體積必須盡可能縮小，為了達到這個(gè)目標，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，這可讓系統介面整合之應用最大化，并降低封裝制造費用。

　　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(jiàn)的大氣壓力、溫度、濕度感測器，以及檢測室內空氣品質(zhì)的氣體感測器。

　　據了解，氣體感測器可監測室內環(huán)境中，涂料、油漆、脫漆器、清潔用品、家具、辦公設備、膠水、黏合劑、酒精等產(chǎn)品上的揮發(fā)性有機化合物(VOC)的濃度，例如甲醛;若再結合溫度、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)應用更為全面的環(huán)境感知能力。

　　不過(guò)，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)。百里博認為，現今大多數感測器并不符穿戴式應用對高電源效率與高整合度的要求;而要降低感測器數據融合(Fusion)處理的耗電量，必須透過(guò)特殊設計與優(yōu)化的處理器與感測器整合。也因此，MEMS感測器廠(chǎng)商除須提供更高整合度與更多樣化的產(chǎn)品之外，還須持續開(kāi)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，如果要達到低功率消耗的目標，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)，因此能提供消費性電子產(chǎn)品所需的最低功耗微機電加速度計、陀螺儀與大氣壓力感測器。

　　為了降低感測器數據融合與資料處理的功耗，除了從元件設計下手外，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(guò)演算法持續進(jìn)行外部資訊偵測，并整合精確的計步功能，且其電流消耗僅為20微安培(μA)。

　　不過(guò)，空有低功耗的感測器仍然不足。由于感測器必須常時(shí)開(kāi)啟，使得主處理器必須時(shí)時(shí)處于運作狀態(tài)，而不能隨意進(jìn)入休眠模式，長(cháng)期以往對于主處理器而言將造成龐大的運算負擔;因此，有愈來(lái)愈多的穿戴式裝置開(kāi)始導入Sensor Hub元件，以進(jìn)一步降低感測系統功耗。

　　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(kāi)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(lái)穿戴式裝置的標準配備，且以微控制器(MCU)為主的Sensor Hub形式仍占據多數。

　　林志明進(jìn)一步指出，做為次要處理器的Sensor Hub，其內部矽智財(IP)核心與系統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。