智慧製造2019.06.06

晶片所面對的 5G 物聯網新需求

飛飛

物聯網 硬體 創新

 

晶片的設計與製造,始終都是效能、耗能與體積三角點之間的完美平衡。過往,資料處理具備像是電腦、行動裝置等獨立專用裝置,無非強調運算速率提升、記憶體存取速度加快等規格優越性,如今資料處理體系走出專用裝置,結合種種用途各異的電子物件,還有供新型雲端體系所承載巨量資料流處理的共享伺服器新興市場,再加上迎接 5G 所帶來全新通訊技術與規格的通訊功能,晶片產品進入了另一階段的新技術考量及挑戰。

 

簡單說來,IC 納含數位與類比訊號兩大類;前者主要為數據處理,後者包括電能與 RF 無線射頻。除了數據處理之外,也可涵蓋通訊、記憶等不同功能;如今整合晶片已是方向。晶片透過半導體技術,創造介於導體與絕緣體之間的減度導電性,人工打造「0」(無電子) 與「1」(有電子)的關與開以構成訊號,並間接經由 CPU Architecture 內 ISA 指令集設定為介面,完成使用者所指示的任務。IC 的設計跟製造息息相關;設計的基礎建構在,能於 IC 微縮體積上人工製作出數十億級高量電晶體,還要能使電晶體於電流通過時,精準表現出每秒超過一千億次關與開,至今仍屬頂尖技術。

 

高頻

5G 不但採用迥異於過往的無線電超高頻區段,也前所未有地提供高、低兩種頻段,應用切片技術,隨不同需求時時切換於兩種頻段之間,追求高效能、低功耗的目標。RF 具熱敏感性,溫度升高,則效能下降;然而,IC 上的電子活動愈頻繁,代表著電阻伴隨的加強熱效應,兩者之間的平衡成了一大挑戰。尤其是 5G 通訊三大重點中,其所強調的 low-latency 低延遲特性;以及大規模物聯網特性,即mMTC 達每平方公里可同時連接最高一百萬個達服務品質(QoS)水準的裝置,更將代表通訊活動密集度升級之際,還需兼顧實時特性,因此如何實時精準補捉散佈於空氣中的無線電波,又克服熱效應的影響,也是眼前晶片的其一重點。

 

資料流吞吐量

車聯網、智慧城市、工業物聯網、智慧醫療、智慧家庭等,每個物聯體系具備不同重點,譬如:車聯網著重實時;智慧家庭內的物聯品項不但五花八門,也更頻繁更新;而智慧城市網路交流結點智慧路燈,同時肩負實時資料交流與較被動性質的監測記錄。這些不同需求都將最終倚賴 IC 晶片控管,也就表示在 IC 供應上必將具差異性,反映於各具重點考量的設計。再以工業物聯網為例,就垂直整合為物聯體系設定而言,地理性業務變動、全球性合作夥伴新增或變更、產品製程隨客戶要求變化等,都將是未來物聯網架設後,資料流不確定性的眾多來源因素,從而牽動著晶片規格的考量不再如同以往較能根據預設需求選擇,而可預見需面對未來更具彈性變動的使用要求。

 

移動性需求

5G 通訊涵蓋不同於以往的高量移動性需求,其中包括:工廠內像搬貨等移動機器人、智慧交通內 V2X 的運輸實時資訊交流、無人機等。例如:飛機航行中的某個機件故障,可實時自動發訊傳送地面,資訊可精準到零件型號,待飛機降落時,新的零件已備好待換。這些細多繁雜的移動性通訊需求也將更加深資料流不確定性,遑論移動性需求所面對環境變化性因素。

 

高量、高品質影像

VR / AR、3D 畫質/攝影機等影像已躍入新一境界,並將較以往更大幅廣泛應用於我們的生活場景中,如:工廠品管、監視系統、遠距/醫療院所、博物館/展覽等,而不再侷限於娛樂螢幕;此外,影像實時補捉真實於鏡像內的人機互動,也提升資料流量與細緻處理的高度。因此,晶片也需納入 GPU 圖像處理晉級規格的持續發展,增添新一級的技術提升需求。

 

可預見晶片三角完美平衡點,將從固定一點趨向更能回應因時因地制宜的彈性平衡點。

延伸討論

智慧製造

關於感測器的兩三事

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感測收集的資料囊括類比、數位兩種訊號輸出。一般自然界的連續波都屬於類比訊號,包括:風速、太陽幅射、光強度、聲波、電波等;由於數位時代電子儀錶的蓬勃發展,許多感測器均已能轉化類比訊號為數位訊號,方便數位資料處理。隨著科學研發成果進展愈發豐碩,人類對環境中的基本物質愈發瞭解,透過物理特性(如:聲波回傳測距、幅射能反應為熱感指標等)、化學變化(如:特殊物質遇特定氣體產生濃氣味或色變的氣體偵測等)等感測指標也已愈發多元又精密,還能以不同感測數據交叉比對,滿足高精準度要求的感測結果。
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感測器怎麼裝?

飛飛
時間不回頭,感測回報的數據也沒有重來的機會。精準度當然是毫無疑問的考量。然而,感測器的裝設還牽涉成本,這其中除了裝置的初始成本,還必須考量維護成本、耗能成本等。因此,感測器的裝設看似簡單概念,實行起來倒像是裝置藝術了。這話怎麼說呢?
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從 CPU Architecture 談起 晶片 於物聯網時代的再進化

飛飛
智慧物聯網已經進入了風起雲湧的初期市場爭奪大戰階段。從電信設備到相對應 5G 智慧手機都緊鑼密鼓,各自紛紛就定位,少數已上市,多數也已經排定陸續上市。相對於過往從 2G 語音到 4G 影音以獨立裝置為應用發展環境,物聯網的概念更顯得具無限延伸特性。 在此之中,核心運算舞台 ─ CPU 成了往後應用擴展機會的基石。