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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。

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結合行動╱穿戴式裝置、IoT、工業自動化與數位醫療的智慧連網裝置日漸蓬勃(Intel)

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。

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