高效節(jié)能與物聯(lián)網(wǎng)

最近，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)已然變得非常流行，各種連接到因特網(wǎng)以及互相連接的電子設備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的世界。物聯(lián)網(wǎng)所涵蓋的范圍之廣著實令人吃驚——從智能消費電子應用和車輛到可穿戴設備領(lǐng)域的幾乎所有事物，而且覆蓋范圍由于移動應用的爆炸式增長(圖1)還將大幅擴大。這些產(chǎn)品以及衍生出的生態(tài)系統(tǒng)將改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢τ趥€人消費者來說，物聯(lián)網(wǎng)能夠讓人們以更低的成本、更高的效率處理日常事物，使得生活更加安全，甚至還能使人們的生活變得更加健康。對于商業(yè)領(lǐng)域來說，物聯(lián)網(wǎng)將為自動化、能源效率、資產(chǎn)追蹤和庫存控制、物流和定位、安防、個人追蹤以及資源節(jié)約領(lǐng)域帶來極大的變革。

圖1：此處為計算得出的增長數(shù)據(jù)。移動應用正不斷推動物聯(lián)網(wǎng)的成長，而反過來物聯(lián)網(wǎng)也在不斷推動移動應用的發(fā)展。

有了這些好處，我們很容易就能理解為什么物聯(lián)網(wǎng)能夠變得這么流行。不過，要想完全獲得上述好處，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)必須先要解決諸多關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，可能目前最為緊要的挑戰(zhàn)就是實現(xiàn)高效節(jié)能。

定義物聯(lián)網(wǎng)

最近“物聯(lián)網(wǎng)”這個詞充斥著人們的生活，那么它到底是什么?簡單地說，物聯(lián)網(wǎng)是由形形色色的硬件、軟件和服務組成(大部分是后面兩者)，上述三個部分緊密合作，收集和傳輸信息、分析數(shù)據(jù)，然后基于這些數(shù)據(jù)形成決策，提升特定任務的效率(圖2)。例如在個人健康這一塊，物聯(lián)網(wǎng)可以提供一個更加有效的方式將指定藥物或治療的療效信息傳送給醫(yī)生。而在居家生活領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)能夠幫助消費者更高效地使用冰箱，如通知消費者食物是否已經(jīng)臨近保質(zhì)期，是否需要補充食物，或者在線訂購食物并送至家中。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)將多個生態(tài)體系整合到一起。

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系的應用涵蓋智能家電(如冰箱、烤箱和HVAC系統(tǒng))和汽車到可穿戴設備領(lǐng)域。盡管它們可能在應用形式和使用方法上并不相同，但上述應用領(lǐng)域具備四項關(guān)鍵的共性：感知、數(shù)據(jù)收集、互連和數(shù)據(jù)處理。本質(zhì)上來說就是物聯(lián)網(wǎng)設備能夠感知事物，然后收集感知到的數(shù)據(jù)，最后這些數(shù)據(jù)將通過因特網(wǎng)傳輸至另外的設備或地點，進行處理或分析。

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系中的大多數(shù)設備由電池供電，并且必須在沒有維護或替換的情況下工作數(shù)年。如果僅使用單個電池而要提供長時間的服務，這些設備的功耗就必須要盡可能降到最低。還有一些物聯(lián)網(wǎng)設備將通過外部來源供電，即能量收集。在上述兩種情況中，高效節(jié)能對于發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛力，造福大眾生活來說都是至關(guān)重要的。

實現(xiàn)高效節(jié)能：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)本身是一個很大的概念，能夠徹底改變社會生活和人們的工作。實際上，物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)正在諸多領(lǐng)域中進行著。在不遠的將來，很多事物將和現(xiàn)在的看起來不一樣，而且這還不是僅僅局限于消費電子領(lǐng)域。想象一下，像Nike FuelBand 一樣通常需要8、9 個元件的可穿戴設備在3 到4 年后可能只需1 個元件，而且價格也會變得更加便宜(圖3)。

圖3：如何降低功耗、減小尺寸、縮減成本是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)。

消費者對于更小、更輕薄設備的需求不斷推動這種趨勢，特別是在可穿戴設備領(lǐng)域。“摩爾定律”中所預測的大約18 個月左右晶體管數(shù)量就會激增這一情況使得這種趨勢變得更加復雜。將8 到9 個元件減少到1 個需要高度的集成。不僅如此，當您將更多的功能集成到單個芯片上時，相應地必須要添加更大的存儲器，這反過來也會增加功耗，而這點并不契合物聯(lián)網(wǎng)設備追求更低功耗的需求。

在未來幾年里，物聯(lián)網(wǎng)將為我們提供非常卓越的用戶體驗。它將提供更好的互連，更簡單更方便，并且是“永遠在線”的，或者說給用戶帶來的體驗是“永遠在線”的。倘若物聯(lián)網(wǎng)設備能夠“永遠在線”，始終待命并執(zhí)行用戶的指令，那就無需摁一下按鈕激活設備這種操作了?？纱┐鞯慕】底粉櫾O備是看得見的例子。它每天都記錄用戶的心率、全天的睡眠/活動時間。未來的物聯(lián)網(wǎng)設備也需要實現(xiàn)類似的“每周7 天，每天24 小時”的工作。

顯而易見的是，對于“永遠在線”功能的需求正是推動實現(xiàn)更加高效節(jié)能的動力。如果物聯(lián)網(wǎng)設備不能以很低的功耗運行，無論是通過持續(xù)數(shù)年的電池供電或從外部獲得能源，“永遠在線”的想法仍然不能實現(xiàn)。

“永遠在線”的設備還處于一個進退兩難的困境中。如果一直在工作，物聯(lián)網(wǎng)設備就會收集到海量的數(shù)據(jù)，此時如何利用這些數(shù)據(jù)變成了最優(yōu)先考慮的事。換句話說，收集數(shù)據(jù)相對來說很簡單，而難的是真正使用好這些數(shù)據(jù)。

智能感知和大數(shù)據(jù)分析此時就會變得非常重要，通過更加智能的數(shù)據(jù)獲取并且以更大的數(shù)據(jù)集進行處理，那么根據(jù)需求獲得的動態(tài)趨勢或重要項目就能夠最快地得到確定并執(zhí)行。這里不得不再次提醒，高效節(jié)能仍然非常關(guān)鍵，因為數(shù)據(jù)收集會增加功耗，存儲器存儲數(shù)據(jù)同樣如此。

克服挑戰(zhàn)

實現(xiàn)對于物聯(lián)網(wǎng)設備至關(guān)重要的高效節(jié)能，使得設備僅需單個電池就能運行數(shù)年并不簡單。這需要使用低功耗元件以及更加高效的電源系統(tǒng)。同時，架構(gòu)和芯片本身也需要進行改變。

現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域各個方面的設計都集中于如何盡可能實現(xiàn)高效節(jié)能(圖4)。對于智能手機來說，這意味著數(shù)量級的提升，不會一夜之間就實現(xiàn)。這種提升需要通過幾代產(chǎn)品一步一步實現(xiàn)。

圖4：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的方方面面都要求高效節(jié)能。

作為低功耗可編程半導體器件的行業(yè)領(lǐng)導者，萊迪思半導體致力于助力各廠商實現(xiàn)功耗更低的物聯(lián)網(wǎng)互連設備。目前，萊迪思主要集中于研究新的方式來提升能源效率，包括實現(xiàn)工藝技術(shù)創(chuàng)新和推出更先進的半導體器件。同時，萊迪思也不斷為系統(tǒng)設計工程師提供更多的靈活性，以支持電源門控、可編程速率和電源管理功能。不僅僅是低功耗，萊迪思獨有的架構(gòu)還可實現(xiàn)模式狀態(tài)電源管理，基于某些參數(shù)來判斷設備所處的真正狀態(tài)——開啟或關(guān)閉，睡眠或部分喚醒，能夠動態(tài)地從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。

相較于僅基于處理器的元件，萊迪思正在使用先進的工藝技術(shù)和已有的速度/功耗靈活性來擴展其產(chǎn)品功耗優(yōu)勢。利用集成的半導體器件和軟件解決方案，萊迪思能夠?qū)崿F(xiàn)能源效率數(shù)量級的提升。

物聯(lián)網(wǎng)是一個引人注目、非常有前途的領(lǐng)域，能夠改變?nèi)藗內(nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已小有成就，但是發(fā)展空間還十分巨大。想要完全發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛力，就要把物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系中的設備變得更小更便宜，此時更高度的集成就變得至關(guān)重要。它還要求設備開發(fā)工程師能夠為用戶帶來“永遠在線”的體驗，并找到新的方式來更加智能地感知和分析設備捕捉到的數(shù)據(jù)。以下都是該領(lǐng)域中各類應用的共同發(fā)展趨勢：集成、“永遠在線”的用戶體驗、智能的感知/數(shù)據(jù)分析。這些趨勢也是將物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系引入到人.們?nèi)粘Ｉ畹倪^程中面對的最主要障礙。