朝向感測聯網自動化發展的嵌入式技術

嵌入式應用帶動嵌入式處理器、SSD晶片與感測模組的發展(Vivante/芯科/Intel/SanDisk/Innodisk/Libelium)

自80年代以來，以微處理器(MicroProcessor)為核心所設計的通用型電腦，便以小型、價廉、高可靠性等特點，使電腦系統離開機房而出現在企業與個人用戶的面前；自動化控制業者，亦藉由微處理器嵌入到一個實際物件╱機台設備的嵌入式系統(Embedded System)，來實現自動化╱智慧控制應用。

桌上型PC/筆記型NB等傳統通用型電腦系統，強調量大、標準化規格，訴求強大運算╱繪圖效能與較多的儲存裝置容量；嵌入式電腦系統則強調少量多樣、剛好就好的運算效能，較著重於寬溫甚至軍規等惡劣環境下的品質、耐用度與可靠性。相較於PC/NB甚至3C產品一兩年規格就瀕臨主流規格升級的更新頻率，嵌入式市場(尤其是工業控制、汽車電子)對上游零組件供應週期，常被要求到5年甚至10年以上。

以專屬嵌入式處理器╱晶片組件 打造多樣化的嵌入式應用

早期嵌入式業者也曾以PC、NB等通用型處理器來設計嵌入式電腦系統，然而對小型物品如家電、電器、儀器而言等，用PC/NB的CPU設計的嵌入式系統，既浪費運算效能又無法壓低功耗，更使產品體積、製造成本無法壓低。因此系統業者會針對各種不同嵌入式應用，去挑選可靠耐用、供期長久的嵌入式處理器、晶片組、週邊零組件，來打造符合成本效益、體積微縮，具備適切效能且信賴可靠的嵌入式系統。嵌入式應用市場的特性(尤其像工控市場、國防軍用市場)的供應量也許不大，但不像消費性3C產品退潮流時會有既有產品的庫存攤銷，或「毛三到四」的代工低毛利。

當嵌入式應用市場開始擴大，且半導體工業的線距微縮╱製程技術，處理器朝向SOC密集設計，還有MCM、SIP、3D等多晶片/系統級封裝/3D立體封裝技術的精進，吸引越來越多CPU/GPU/Chipset/Network/Storage等晶片供應商，針對嵌入式市場推出專屬晶片╱解決方案。如今新一代嵌入式處理器，無論效能、體積、儲存容量上，跟當前PC/NB、平板、智慧手機的入門級通用型CPU╱應用處理器相去不遠，甚至也有廠商推出多核心的嵌入式處理器，主打即時運算、連網多媒體應用等；部份著重於遊戲機╱博奕機台的嵌入式系統，其內建或搭配的圖形處理晶片(GPU)，3D影像效能、視訊串流處理上，還遠優於商業桌機╱一體機╱筆電等。

從工業控制、連網、終╱雲端到物聯網的多元化應用

嵌入式系統╱市場應用，也從戶外的環境感測、交通設施╱公眾基礎建設，到地點區域的工業╱工廠設備╱機台自動化，進入戶內的網通訊產品如CPE用戶端設備、無線分享器、機上盒、遊戲機╱遊戲娛樂檯╱博奕機台，智慧醫療電子領域，以及行動中的汽車電子╱汽車控制等領域。

嵌入式應用也涵蓋到過去功能性手機(Feature Phone)、類智慧手機的範疇。就現在的平板電腦、智慧手機產品來看，原本也屬於嵌入式應用的一環；在2007、2010年先後由Apple iPhone、iPad等智慧手機、平板電腦所引爆的爆發性成長，智慧手機、平板這類消費性嵌入式應用，已習慣被另外歸類成行動裝置－3C主流類別，以與偏重於工控╱軍用╱公共設備的嵌入式應用劃分開來。

倒是在網際網路邁向雲端化、行動化之際，嵌入式系統也開始著重連網能力。從部署於第一線的無線感測器╱感測網路(Wireless Sensor Network；WSN)，上傳到雲端資料中心的中繼節點，再進一步到萬物皆可連接的物聯網(Internet of Thing；IoT)，及穿戴式裝置等，都算是嵌入式應用發展三十幾年後開枝散葉的新分類。也有人以這種具備連網與後端雲端運算的嵌入式應用裝置，稱之為智慧連網裝置(Smart Connected Devices)。

從控制匯流排到即時作業系統的標準化

工業4.0 (Industry 4.0)訴求持續引領工業自動化－透過分散式區域控制、環境感測與網路連接，建造一個結合上中下游供應鏈雲端化、可產前模擬並反饋到設計端、具備混線彈性化生產等智慧自動化的生產工廠。此趨勢不僅帶動像是機器視覺╱AOI光學檢測設備的需求，更進一步需具備整合不同類型的工控伺服子系統－包括可編程邏輯控制器(PLC)、馬達╱動作控制單元(Motion I/O Unit)，各種先進感測介面，以及從傳統專屬工業控制匯流排(例如CAN Bus)，到走向標準乙太網路化的EtherCAT、POWERLINK、PROFINET RT/IRT、EtherNET I/P、SERCOSⅢ等工業乙太網路，使得輸入/輸出(I/O)設備╱機台透過更高速、標準的網路通訊協定結合，實現機械自動化、智慧生產化的作業情境。

軟體方面，從最核心層的作業系統，如隸屬於Embedded Linux類的Android、Firefox OS、Web OS、QNX，微軟的Windows Embedded/Mobile/Phone，小巧且強調單工的即時作業系統(RTOS)如freeRTOS、OpenRTOS、Micrium的μC-OS/Ⅲ，以及第三方供應商提供驅動程式、軟體堆疊協定、中介軟體如Interniche TCP/IP、wolfSSL的CyaSSL Embedded SSL、如各種USB/Audio/Video解碼播放器、支援HTML5的網路瀏覽器、視訊串流播放器、相關應用函式庫(Function Libraries)等等，而嵌入式系統平台商更會推廣評估套件(Evaluation Kit)以及韌體整合式開發環境(Integrated Developer Environment；IDE)，以協助開發嵌入式系統應用業者進行系統整合與加值。

基於對耐震與惡劣環境的容忍性需求，絕大多數嵌入式系統使用NAND Flash所設計的記憶卡╱儲存裝置，像是SD/SDHC/microSDHC/SDXC、CompactFlash CF/CFast記憶卡、IDE或SATA介面的磁碟模組(Disk On Module；DOM)，內建SD/SDHC/microSDHC插槽╱讀卡機介面，或者直接銲上eMMC或SSD單晶片，依照系統需要從4/8GB到64/128GB不等。過去工控市場偏好高抹寫次數的SLC NAND Flash快閃記憶體，隨著NAND Flash跨入1x奈米製程，也有廠商以pseudoSLC的技術，將MLC四種電荷記錄狀態，以間隔使用其中兩組的方式，來提升可抹寫次數(Program/Erase；P/E)與耐受度，因應對耐受度要求極高的軍方與工控嵌入式市場。

據各市調研究機構，如IDC預估嵌入式裝置2013年有56.7億部，其中智慧嵌入式裝置18億部，預料到2016年全球嵌入式裝置數破70億部，其中智慧連網裝置出貨量近26億部；由於智慧城市、智慧家電、家庭網路、工控機聯網(M2M Industrial)、POS設備與Kiosk電話亭、醫療保健、交通運輸與物流、交通與基礎設施、視訊監控、感測器等所帶動的市場商機，預估2020年全球嵌入式裝置加智慧連網裝置總數將達250億。其中消費端所使用的物聯網裝置數達130億。