IoT應用之嵌入式運算平台節能設計 成本仍是亟需克服的門檻

IoT應用功能載板，為了降低成本多半會將MCU與較不容易整合的RF收/發器獨立至另一功能載板整合。Cerevo

隨著物聯網IoT應用越來越多元，應用開發者對IoT的微控制器平台要求也越來越高，尤其是對效能、功耗與多元整合功能的需求，但MCU的SoC不光僅是數位元件，更可能是大量類比元件整合，單純要求功耗降低、功能整合並不容易。

物聯網IoT(Internet of Things)應用市場越來越成熟，不僅是家用、商用也漸有IoT應用雛型與商業模式形成，但現有IoT運行平台，部分為使用行動運算高階平台精簡而來，或是自MCU SoC功能強化延伸應用實踐系統需求，針對IoT終端佈署要求系統低功耗、電池驅動的應用型態，可能因為晶片限制難有突破空間。

IoT應用市場增溫  開發平台、解決方案需求熱門

隨著相關應用逐步成形，半導體業者、IC系統業者也開始著眼IoT應用發展需求可能爆發的市場商機，投入更多開發資源優化旗下IoT晶片解決方案，半導體業者可以就導入更精密的IC製程，改善IoT解決方案的功耗與效能問題，而SoC系統業者或基於MCU的SoC產品，由於晶片由數位/類比異質功能晶片整合，要進行系統微縮與運行功耗優化並不簡單，況且IoT要求的無線網路整合所需的RF收發器整合，在要求無線數據收發同時須針對驅動功耗進行優化，其晶片優化的研發複雜度要比單純數位電子元件整合微縮要困難許多。

目前嵌入式系統SoC的優化與晶片微縮改善方向，集中在數位元件、處理器、協同處理器等邏輯元件整合的整體優化，例如，以更微縮的製程製作晶片、或是採用數量更多的微核心提升整體運行效能與改善電源耗用問題，對大量數位邏輯元件而言，的確可以透過採用更進階的微縮製程優化整個晶片的效能、功能甚至是功耗優化，也相對容易導入進階微縮製程讓晶片產品具顯著優化效益。

IoT整合類比/數位控制需求  微縮製程成本高

對於物聯網應用而言，同時有大量類比功能、無線RF收發器、快閃記憶體(Flash Memory)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)等功能模塊，並不是這麼容易透過半導體技術就能優化整體功能特性，即便透過晶片微縮改善MCU SoC產品能優化系統表現，但實際上透過製程優化這類高度複雜化的SoC晶片，在面對IoT終端晶片所要求的低成本即有直接衝突，即便改善製程也能優化整體晶片效益。

市場考量下微縮IoT晶片的製程節點的效益有限，即便目前主流高效的半導體元件已追求20奈米以下的製程整合技術，但多數MCU SoC或IoT應用，仍以90nm上下的製程為主。在無線化應用為主的物聯網IoT終端中，MCU SoC整合的功能相對繁複，例如針對消費性穿戴式裝置設計的MCU SoC，就和智慧家庭(家庭自動化)、智慧電表、智慧照明、工控自動化、智慧運輸等不同應用領域關注的整合功能不同。

運算核心方面，相較行動運算裝置已挑戰64位元嵌入式運算核心，主流應用也以64位元多核應用為主，但實際上若是IoT應用場域，對於終端平台的運算需求並未如智慧手機、平板電腦有大量數據、圖像呈現需求，反而在其應用領域的運算負荷遠小於智慧手機、行動應用運算處理器，針對如穿戴裝置、智慧家庭、智慧電表、智慧照明甚至是工控自動化等應用型態，屬於低資料密度運算需求，對核心運算處理器並不須一昧追求多核心、高運算基頻方面的技術優化，反而需關注運行電源功耗、無線連接應用方面的功能優化。

因應低運算密度、低成本設計  IoT MCU多使用32位元或更低方案

檢視這類低運算密度的IoT需求，其MCU SoC一般會採用32位元的ARM核心進行佈署，針對使用領域的實際需求，整合對應的無線網路連接RF收發器，例如智慧穿戴裝置可能會較重視低功耗藍牙無線收發器，而智慧交通/照明/家庭自動化則可能整合ZigBee或其他無線RF收發器會更為實際，而針對選用不同RF收發器方案，其SoC整合高效或低功耗射頻RF設計差異就很大，設計細節差異即左右整個IoT電源耗用狀況、與其投放於應用終端的實際功能表現，加上對IoT終端的成本要求，MCU SoC也多半僅使用90nm製程進行平台整合，並不會以最進階的製程方案進行產品設計與實踐。

針對部分IoT投放應用，為以鈕扣電池運作終端系統規畫可在10年內運行的系統設定，針對這類極低電源功耗要求的IoT應用，其選用的MCU SoC整合內容，勢必以極低電源功耗的目標進行系統配置，除針對運算數據需求選擇符合其數據流量適宜的運算核心外，SoC整合功能模組以極低功耗元件或功能組件為主，例如採行極低漏電流的SRAM記憶體、非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory；NVM) IP進行功能組構，光是這些元件已大幅墊高SoC的開發難度與製造成本，對於導入更進階微縮製程的設計受限成本考量，也較難作為優先優化系統的選項之一。

進階整合RF/類比電子電路  透過進階整合改善功耗表現

也是針對IoT應用的關係，使得SoC需要整合的類比電子電路增加，針對低功耗改善的NVM電子電路、與低功耗RF收/發器元件整合需求，都會讓原本簡單的MCU變得更加複雜，晶片所使用的堆疊層數也會因此增加，除了成本變得更高昂，設計難度也提升不少，如何在成本節約前提下建構最佳化的系統整合基礎，需要考量的問題相當多。

綜觀物聯網應用場域，其實會發現關鍵運算或晶片平台可以投放的應用相當廣泛且多元，與現有高效嵌入式運算晶片大多用於智慧手機、平板電腦，低階MCU多用於控制應用的概念反而顯得更加特別，因為IoT應用可以投放在汽車、行動穿戴、智慧照明、智慧電表等設備智能化應用，不同應用須考量的設備運行問題與供電狀態亦不相同，用量不夠多的應用反而較無自訂平台、成本優化優勢，需要使用相對接近需求的低成本方案來實現設計，而針對具一定程度之經濟規模、成本優化優勢的應用，才可能主導對應智能平台實際需求優化系統設計。

持續微縮製程將增加開發成本  需看準市場需求進行對應優化方向

另一方面觀察，雖然直接跳級改用更小、更微縮的製程製作MCU SoC，可以獲得縮小製程節點最實際的優化效益，但實際上以電池供電或是環境電能採集的應用方式來說，雖然平台的總體成本與微控制器效能是相當重要的關鍵，但左右平台是否適用所投放的終端關鍵，仍是運算平台本身的低功耗表現方面。

三、五年前RF或是類比元件與數位元件的微縮差距仍大，但現今兩者的差距已越來越接近，如32位元的MCU SoC已有28nm上下水準的微縮製程導入相關設計，在實際整合需求上，持續微縮MCU SoC的製程是辦得到、且可行的方向，但是否直接微縮製程就能帶來最大化的商業利益，其實要考慮的反而不是技術本身，而是市場需求、新製程產品進入市場時機等商業化考量方向。

反而IoT的MCU SoC平台，RF收/發器的支援技術，成為影響整體成本的關鍵，如果是消費性電子應用，如智慧家庭、智慧照明、智慧手環等，一般用上Wi-Fi、低功耗藍牙傳輸，甚至是ZigBee就相當時用了，但若要進一步擴展服務應用範圍，網通功能是必須擴增低功耗廣域網路(LPWAN)應用，導入如M2M通訊技術，在成本與系統可擴展性取得較均衡的狀態，但若針對IoT之於道路交通監控、路燈/燈號控制、智能電網等進階公眾設施監控應用，即便導入蜂巢式通訊網路整合是因應長距離設備溝通、連結較好的做法，但成本也會因此增加。

但比較遺憾的是，蜂巢式通訊技術雖在距離上取得優勢，但實際上應用時RF收發會產生較高的能源耗用，可能縮減電池的壽命，或是因為成本而使得運算平台的競爭力變差，即便蜂巢式無線數據傳輸也導入最新版本的LTE規範，增設了針對M2M應用需求定義的Category 0通訊類別，雖能稍稍兼顧了功耗問題，但成本要求一直仍是其較大的門檻。