低功耗Sensor Hub成標配　穿戴裝置傳感功耗驟降

　　穿戴式裝置續航力可望大幅提升。穿戴式裝置配備的感測功能不斷增加，促使晶片商加緊研發更省電的微機電系統(MEMS)感測器，并開始提出低功耗感測器中樞(Sensor Hub)方案，以減輕主處理器工作負擔，讓整體感測系統耗電量大幅下降。

　　穿戴式裝置感測系統功耗可望大幅降低。穿戴式裝置受限于體積，因此內部電池蓄電量無法盡如人意，容易引發使用者體驗不佳等問題;因此，相關業者無不戮力精進電源管理技術，同時竭盡所能降低相關元件的耗電量，或是透過更有效的系統配置方式，降低主處理器的運作負擔，以滿足穿戴式裝置內感測系統常時開啟 (Always-on)的需求。

　　圖1　Bosch Sensortec亞太區總裁百里博表示，整合溫/濕/壓/氣感知的Combo環境感測器，可符合穿戴式裝置對體積與功耗的設計要求。

　　Bosch Sensortec亞太區總裁百里博(Leopold Beer)(圖1)表示，目前市面上已有各種穿戴裝置，但2014年穿戴裝置出貨狀況卻是差強人意。探究其原因，主要是現今市面上的穿戴裝置方案不管設計如何精良，或技術如何先進，都無法確實滿足使用者的期待。

　　百里博進一步分析，使用者購買穿戴式產品主要有三大考量，分別為設計、連結性與功能性。然而，這三項需求彼此有其矛盾之處;例如網路連結性與電池使用時間的沖突，就會壓抑產品功能性的發揮。

　　也因此，目前市面上的方案只能針對特定使用族群提供一個折衷選擇，這種不明確的市場區隔正說明了為什么穿戴式產品無法成為主流趨勢，同時也指出新一代穿戴裝置必須克服的問題。

　　為突破上述挑戰，打造更好的使用者體驗，穿戴式裝置與晶片開發商已積極采納新的設計方法，如使用高整合型感測器，或引入低功耗感測器中樞(Sensor Hub)。

　　滿足穿戴式裝置尺寸/低電量需求　MEMS感測器整合度/功耗迭有突破

　　以微機電系統(MEMS)感測器來說，在產品設計彈性上即有不少進展。繼動作感測器慣性量測單元(IMU)突破九軸設計瓶頸后，環境感測器的多功能組合(Combo)設計也突破層層關卡。

　　以Bosch Sensortec最新發布的MEMS Combo環境感測器為例，該公司瞄準行動裝置、穿戴式裝置應用，日前已成功開發出整合大氣壓力、溫度、濕度與氣體(Gas Sensor)四種感測器的Combo環境感測器--BME680，且封裝尺寸僅3毫米(mm)×3毫米×0.93毫米，為目前業界獨樹一格的高整合 Combo環境感測器方案(圖2)。

　　圖2　整合溫度、濕度、壓力、氣體感測功能的Combo環境感測器　圖片來源：Bosch Sensortec

　　百里博表示，微機電系統感測器體積必須盡可能縮小，為了達到這個目標，最有效的方法是把各種感測器功能整合在一個微小的封裝，這可讓系統介面整合之應用最大化，并降低封裝制造費用。

　　事實上，日前Bosch Sensortec發布的BME680，即是同時整合四種環境感測器，包括常見的大氣壓力、溫度、濕度感測器，以及檢測室內空氣品質的氣體感測器。

　　據了解，氣體感測器可監測室內環境中，涂料、油漆、脫漆器、清潔用品、家具、辦公設備、膠水、黏合劑、酒精等產品上的揮發性有機化合物(VOC)的濃度，例如甲醛;若再結合溫度、濕度、壓力感測器，則可提供行動裝置、穿戴式裝置及其他物聯網應用更為全面的環境感知能力。

　　不過，光提升感測器的整合度仍然不夠，降低穿戴式感測器功耗仍為首要重點。百里博認為，現今大多數感測器并不符穿戴式應用對高電源效率與高整合度的要求;而要降低感測器數據融合(Fusion)處理的耗電量，必須透過特殊設計與優化的處理器與感測器整合。也因此，MEMS感測器廠商除須提供更高整合度與更多樣化的產品之外，還須持續開發更低功耗的MEMS感測器，以符合使用者的期待。

　　百里博指出，如果要達到低功率消耗的目標，有幾個因素必須最佳化，其中最重要的絕對是低耗能的感測器，其次是感測器資料處理的效能。Bosch Sensortec積極就這兩個因素進行研發，因此能提供消費性電子產品所需的最低功耗微機電加速度計、陀螺儀與大氣壓力感測器。

　　為了降低感測器數據融合與資料處理的功耗，除了從元件設計下手外，高效率的演算法亦能發揮關鍵作用;以慣性量測單元--BMI160為例，該元件可在低功耗狀態下，透過演算法持續進行外部資訊偵測，并整合精確的計步功能，且其電流消耗僅為20微安培(μA)。

　　不過，空有低功耗的感測器仍然不足。由于感測器必須常時開啟，使得主處理器必須時時處于運作狀態，而不能隨意進入休眠模式，長期以往對于主處理器而言將造成龐大的運算負擔;因此，有愈來愈多的穿戴式裝置開始導入Sensor Hub元件，以進一步降低感測系統功耗。

　　晶片商爭相競逐　低功耗Sensor Hub大舉出籠

　　圖3　晶心科技總經理林志明表示，晶心科技的IP除了具備低功耗特性外，亦提供客制化指令集服務，可協助晶片商開發客制化的Sensor Hub產品。

　　晶心科技總經理林志明(圖3)表示，Sensor Hub已成為未來穿戴式裝置的標準配備，且以微控制器(MCU)為主的Sensor Hub形式仍占據多數。

　　林志明進一步指出，做為次要處理器的Sensor Hub，其內部矽智財(IP)核心與系統配置要求以低功耗為第一順位，與行動裝置一味追求高效能、多核心的發展方向大相逕庭。