馬兒好又能少吃草的穿戴式裝置核心技術

Imagination Technologies資深經理Bryce Johnstone。

當今的穿戴式裝置設計，若不是只擁有超長電力但僅具備基本功能，不然就是具備豐富功能但得三不五時充充電。

是否有同時兼顧兩者，提供豐富功能且超長電力的系統解決方案？讓我們來看看Imagination是怎麼辦到的…

別向現實妥協  穿戴≠行動

Imagination Technologies負責第三方關係的資深經理Bryce Johnstone，就「Get that smartphone chip out of my wearable! Designing SoCs optimized for wearable computing」的議題做演說。他指出當今的低階穿戴式裝置，大多採用多顆晶片的方案，導致設計出成本高昂、向現實妥協的產品。

而高階穿戴式產品卻大多採用智慧型手機晶片，導致設計出功耗過高、規格過剩的裝置。要提高銷售量，穿戴式晶片應該重新設計。因此他先從穿戴式科技的耗電量與軟體安全性談起，並介紹其合作夥伴為穿戴式裝置所量身打造的新晶片解決方案。

Bryce認為，其實穿戴式產品已行之有年，例如Polar多年前就推出心率監測器。隨著近年來智慧手機的流行，以及軟硬體平台與技術的演進，催生了穿戴式產品的市場風暴。人們開始對技術越來越精通，Facebook、Twitter更成為每日必上的生活習慣。

如何透過穿戴式科技來過濾多餘的垃圾訊息、有重要訊息才須被即時通知，則是非常至關重要的。因此業界紛紛開始重視這塊市場，提供低成本？低功耗的MEMS(微機電系統)感測器、先進的電源管理技術，以及專屬的晶片組架構，來迎合這塊市場的需求。

行動與穿戴裝置  硬體架構大不同

Bryce指出，目前市場的穿戴式產品，大多是採用妥協的解決方案。其中有具備智慧型手機功能的智慧手錶；而Pebble、Sony Smartwatch等，則採用自家專屬的OS，提供警訊、來電號碼、簡訊顯示、訊息通知等功能；或者Samsung Gear系列、果殼智能手錶等，採全功能的Android/Tizen OS，提供語音通訊、視訊通話、收發電郵、遊戲？App、GPS、多媒體應用等功能。

這些產品的共通特性，就是採用與手機同等級的高階晶片與硬體規格，耗電速度快，使用者必須時常充電，而使用者介面跟手機類似，且各家操作方式不同，尚未有標準的API。

但是，穿戴式裝置不應該只是行動裝置的迷你版，應該針對不同的市場需求，提供必要的特色，所以必須考量這些因素：低耗電(以健身感測的電力須以日或周計算、家庭照護的以月計算、生命跡象類的以年計算)、低成本、少量記憶體配置、如何使用、資訊安全與資料蒐集的正確性、有意義地蒐集？處理、管理所感測到的各項資料，以及連接元件(低頻寬？高效率的電源使用與網路傳輸、支援低耗電的網狀網路、無線與行動網路)。

Bryce列出智慧手環、智慧手錶、智慧手機的硬體需求表，CPU速度依序是：<100MHz MCU、0.3？1GHz的多核省電型AP(應用處理器)、2GHz四核CPU。其餘的需求像是圖形與顯示部分，則分別是不需要、小螢幕搭配簡單操作介面、大螢幕提供完整的各種功能。記憶體與電池容量分別是小、中、大，而電池壽命卻分別是大、中、小。

正由於不同種類的穿戴式裝置，有不同的功能需求與電池壽命(例如手環最需要各式的感測器、以精準蒐集資訊為主；手錶提供更方便的訊息查閱，以簡易互動為主；眼鏡提供高解析度畫面與相機拍攝，賦予擴增的實境體驗為主)，因此硬體上，只有部分週邊元件可拿智慧型手機的來用，在核心部分則必須配置全新的三CPU架構「穿戴式計算CPU」＋「穿戴式控制CPU」＋「感測器CPU」(連結至各感應器)，以及連結元件(藍牙BLE)，或小螢幕(手錶專用)，且必須採省電架構才行。

Bryce剖析了各種穿戴式裝置，在分別採用手機元件和穿戴元件時的耗電量比較。以智慧手錶的應用為例，在A. 健身監測(只開啟感測器CPU)；B. 語音？手勢辨識或執行各式App (再開啟穿戴控制CPU)；C. 運用在搭配Android Wear時(再開啟穿戴運算CPU)，耗電量分別可省A. 10倍以上；B. 10？20倍；C. 3倍。說明了多CPU的配置，可以符合穿戴式產品的需求。

省電兼顧高效能  最佳穿戴式方案

Android Wear是Google針對穿戴式裝置所設計的OS，提供最佳的使用者體驗，以及API呼叫標準。為此，Imagination與Ingenic(北京君正集成電路)一同推出了MIPS架構的穿戴式硬體開發平台「Newton平台」。

內建低耗高效的JZ4775 1GHz MIPS CPU，具備多媒體處理能力(2D繪圖引擎、多種視訊硬體加速)、記憶體支援能力(256K L2快取+高達3GB的Mobile DDR3/2/LPDDR記憶體+eMMC)、4合1連結元件(Wi-Fi a/b/g/n, 2.4/5GHz、藍牙4.0+EDR支援BLE、NFC、FM)，以及支援各式感測器(慣性類、環境類、生物類等感應器)。待機約4微瓦，平均工作時約100微瓦，PCB尺寸僅有兩枚1歐元的硬幣大小。

另一家Ineda推出的Dhanush WPU(Wearable Processing Unit；穿戴處理器)則是業界首顆針對穿戴市場所量身打造，系統架構分成前述的三種CPU (全天候開機的超低耗電感測CPU＋低耗電的子CPU＋應用處理器等級的主CPU)。其感測CPU只執行Tiny RTOS來蒐集感測資料，比市面上純MCU解決方案，具備1/3的運作耗電、2？3x的待機耗電、支援2？30x記憶體、內建DSP/FPU能提供2？3x能效等優勢。

最後Bryce總結，MIPS架構是業界最具可擴展性的CPU，產品從最低能效到最高效能一應俱全，適合各行各業來導入使用。