紅塵數載浮沉 UWB和mini-LED能因蘋果而「定錨」嗎？
2021-05-06
作者
邵樂峰
UWB與mini-LED這兩種神秘技術在蘋果在2021春季發佈會上被蘋果推出後，會不會從「星星之火」燒成「燎原之勢」？
蘋果(Apple)在2021春季發佈會上推出「千呼萬喚始出來」的AirTag和「亮出新巔峰」的12.9英吋iPad Pro，一點也不讓人感到意外。令人真正感興趣的，反而是蘊含其中的兩種「神秘」技術，以及依靠蘋果強大的生態示範效應，是否能將其從「星星之火」燒成「燎原之勢」。
脫胎換骨的超寬頻(UWB)
蘋果AirTag的廣告詞——「把掉東掉西的習慣，丟掉吧」，道出了其中的秘密。
「如果你的AirTag在附近，iPhone就能透過『精確尋找』功能，帶你直接找到它。藉由UWB技術，你可以看到自己距離AirTag有多遠，以及該往哪個方向找尋。」
(來源：蘋果)
- 「新」與「舊」
現代意義上的UWB資料傳輸技術最早出現於1960年，主要用於軍用雷達、定位和低擷取率/低偵測率的通訊系統中。2002年，美國聯邦傳播委員會(FCC)正式開放3.1GHz~10.6GHz頻段作為室內通訊用途的UWB，意味著UWB開始用於民用無線通訊。中國從2006年開始進行UWB頻譜規劃的準備工作，2008年12月12日，中國UWB頻譜規劃正式發佈，包括UWB訊號的射頻指標、應用場所限制、裝置核准等方面的內容。
但請記住，千萬不要把當前基於802.15.4a/4z標準的「新」UWB與過去基於802.15.3a標準的「舊」UWB混為一談，這點非常重要。舊標準是在2000年左右專為短距高速率資料通訊應用而設計，作為USB/HDMI纜線的替代技術，但高成本、高功率和缺乏標準化成為該技術最終被拋棄的三大致命傷。而新的UWB標準制定則是在2004年啟動，基於802.15.4a/4z標準，其重點是能夠提供公分等級的精確定位功能，同時實現高達27MBps的資料通訊。
其實早在蘋果使用之前，「新」UWB技術就已經在40多個垂直領域(工業、汽車、消費)中的超過800萬台裝置上被部署。只不過蘋果對該技術的背書在更大程度上推動了這些產業一線廠商的興趣，這一點可能是不為大眾所知的。
目前全球有FiRa和UWB聯盟兩大組織致力於積極拓展UWB生態系統。兩者之間的區別在於UWB聯盟的重點是保護/加強UWB在監管方面的權利(FCC/ETSI)，努力實現一個開放的標準，包括Decawave在內的成員對此表示支持；而成立於2019年8月的FiRa則由恩智浦(NXP)和三星(Samsung)推動，致力於定義關於擴音狀態下存取控制、室內位置服務和「裝置到裝置」等應用案例，在MAC和應用層(與藍牙SiG相同的模式)上開發互通性規範、運作認證計畫，並確保UWB的技術優勢得到推廣。
換句話說，FiRa更關注「精細測距的互通性」，即透過利用可互動操作UWB技術的安全精密測距和定位功能，不斷推動從手機到物聯網再到汽車的無縫用戶體驗的開發和廣泛採用。成立至今，已經吸引到了包括三星、恩智浦、小米、OPPO、中國訊息通訊研究院、Assa Abloy、Bosch、HID、Sony、現代等多個業界重量級合作夥伴的支持和加入。
- 用UWB做什麼？
UWB能夠以極高的可靠性(99%+)達到公分級定位精準度，AirTag正是利用了UWB的這一特性。其神奇之處來自兩方面：
一是UWB採用了飛行時間(ToF)技術，距離由脈衝封包的傳播時間乘以光速來確定。根據FiRa聯盟的說法，「UWB的脈衝陡而窄，傳播速度極快，使得以更高確定性標記訊號時序成為可能。即使裝置之間的距離增加，UWB脈衝訊號仍能保持準確性，並且在非視距(non-LoS)場景中表現出良好的彈性。」且顧名思義，UWB具備500MHz的極高頻寬，這也是實現高精準度的關鍵——因為解析度與頻寬(BW)成反比(解析度=1/BW)。
另一個關鍵優勢是UWB技術空中交換資料包的持續時間非常短(10毫秒)。正是由於短資料封包，所以UWB裝置的能耗非常低。但更重要的是能讓工程師設計出具有每秒高達100倍位置更新速率的應用，這對於高速物體(如無人機、機器人等)或需要在小區域內部署非常高密度裝置的應用(如在工廠中定位10,000多個零組件)至關重要。
因此，當被用於消費領域時，UWB支援基於環境場景的使用者介面，例如基於位置的遠端指向及控制操控、多房間跟隨揚聲器、擴音狀態下存取控制、借助隨身機器人和機器人導航來實現消費型機器人技術。考慮到UWB現已應用於電話中，準確的位置資料將使人們能夠輕鬆地在大型公共場所中使用導航，無論是要查找會議室還是在商店中搜尋特定商品，都非常便捷。
除了室內定位，汽車很可能成為智慧型手機採用UWB的另一大推動力，適用於車鑰匙智慧門禁2.0的主要汽車廠商都在研究基於UWB的汽車鑰匙，有手機製造商已經積極參與到UWB開發中。穿戴式裝置也是UWB的目標市場之一，如果在兒童手錶中加入UWB功能，能夠將定位範圍做到±3度、定位距離縮小到5~10公分的精準度。
但該技術自身既有的兩大問題也需要儘快解決：一是功耗，在低功耗場景特別是電池供電的應用中，與藍牙相比仍有一定的局限性；二是UWB的生態系統還未被真正培育出來，如何打通服務流程，如何產生更多的應用案例都是值得再思考。
- 別誤解UWB
先前恩智浦NFC讀卡器解決方案資深經理Peter Pric專門撰文，解開了關於UWB的四個誤解。
誤解一，UWB僅能在短距離運作
這種誤解可以理解，但它是不正確的。儘管從技術上說，與固定使用2.4GHz的藍牙相比，UWB可以在6.5GHz~10GHz頻率範圍內運作。一般而言，頻率越高，距離越短。但是，在視距條件下，UWB的工作範圍可以延伸到100公尺，等同於國際足球場的長度。
誤解二，UWB只是又一種連接技術
如前文所述，基於802.15.4a/4z標準的UWB現在已經從資料通訊演變為一種獨特的安全精密測距脈衝無線電技術。因此，它更適合被歸類到感測技術，能夠更精確地定位物件(誤差低至±10cm)，並為產品技術帶來空間和背景感知的新維度。
誤解三，藍牙與UWB皆具有相當「精細」的優勢
低功耗藍牙和Wi-Fi使用接收器訊號強度指示(RSSI)技術，依賴於在窄頻上傳輸的調變正弦波，更容易受到環境因素的影響(包括障礙物和來自其他無線電裝置的干擾)，造成訊號功率嚴重衰減，導致準確性降低，進而產生數公尺的誤差，這在物理上無法與UWB比擬。
誤解四，UWB是小眾化的技術
目前主要是蘋果、三星和BMW三家大公司不斷放出有關UWB強大行動接入和文件檔共用功能的消息，他們對生態發展的影響力不可低估。實際上，FiRa聯盟已經列出了超過35個應用案例，包括室內GPS、憑證共用、存取控制、基於手勢的控制和VR遊戲、基於狀態的裝置啟動……相信這一數字還會不斷增加。
走進mini-LED新時代
蘋果在2021新款iPad Pro中採用了超過10,000顆mini‑LED，尺寸比上一代產品小了120倍，搭配12.9英吋Liquid視網膜XDR螢幕，使得全螢幕亮度高達1,000尼特，峰值亮度高達1,600尼特。同時，這10,000多顆mini-LED又被劃分為2,500多個局部調光區。根據螢幕顯示內容的不同，每個調光區都可以精確調節亮度，從而實現1000000:1的驚人對比度。
(來源：蘋果)
mini-LED是指尺寸在100μm量級的LED晶片，尺寸介於小間距LED(相鄰燈珠點間距＜2.5mm)與micro-LED之間，是小間距LED進一步精細化的結果。作為當前顯示產業的熱點，雖然該技術仍處於發展的早期，但是未來龐大的潛在市場規模使之備受關注。
- mini-LED市場規模有多大？
根據Yole Développement的預測：到2023年，採用mini-LED的裝置將高達8,070萬套。其中，車載mini-LED顯示器的出貨量為3,570萬套，是增速最快的單一應用；mini-LED智慧型手機應用的出貨量將達到2,410萬支，主要與OLED手機競爭；mini-LED還應用於中小型高附加值顯示器領域，其出貨量將達1,450萬台；mini-LED電視將出貨640萬台，可望在高階市場與OLED電視競爭。
mini-LED在姊妹刊《國際電子商情》(ESMC)《2021年十大熱點應用趨勢展望》一文中同樣上榜。文章認為，mini-LED背光在顯示上，相比LCD具備天然的局部調光優勢，可顯著增大顯示畫面的對比度，可在不犧牲亮度的情況下獲得更高的效率，因此mini-LED背光也更易於製造滿足HDR標準的顯示器產品。另外，將mini-LED背光與QDEF (LCD量子點加厚薄膜)結合，最終面板還能獲得廣色域的顯色，最終獲得可與OLED面板接近或媲美的畫質。
在大尺寸面板領域，「mini-LED + LCD」的技術方案，被認為是對抗OLED陣營的重要武器。預計2021年，mini-LED出貨量預計將增長近180%，而到2025年，搭載mini-LED面板的裝置年總出貨量將超4800萬台，更多的電視、筆記型電腦和平板裝置製造商將發佈mini-LED背光的裝置。LEDinside預估每年mini-LED背光顯示器成本將以15~20%的幅度下降，在2022年將有機會低於OLED顯示器，具備市場競爭力。
但mini-LED面臨的首要問題，是會在很多領域與產業鏈相當成熟的OLED展開競爭。其次，目前mini-LED的成本還是相對較高，製造商需要在技術路線與成本規格當中進行平衡，以確保既降低成本又確保性能；第三，mini-LED在不同市場中的滲透率不盡相同，存在一定風險；最後，從技術角度來看，LED晶片製造、巨量轉移、電極連接、驅動、拼接等方面仍然存在挑戰。
- 與OLED、Micro LED的差異
OLED又稱為有機電雷射顯示、有機發光二極體。OLED無需背光燈，採用非常薄的有機材料塗層和玻璃基板(或軟性有機基板)，當有電流通過時，這些有機材料就會發光。依驅動方式，OLED又可分為被動式(被動驅動，即PMOLED)與主動式(主動驅動，即AMOLED)兩類。
Micro LED技術，即LED微縮化和矩陣化技術。該技術可以讓LED單元間距小於50μm，僅為普通LED的1%，並且與OLED一樣，可實現每個畫素單獨定址和單獨驅動發光。它的優勢在於既繼承了無機LED的高效率、高亮度、高可靠度及反應時間快等特點，又具有自發光無需背光源的特性，體積小、輕薄，還能輕易實現節能的效果。
IHS Markit資料顯示，在過去兩年裡Micro LED的出貨量還不到1,000套。巨量轉移環節與關鍵性裝置是主要困難，預計2~3年以後才能突破量產瓶頸，2026年左右能看到定價下調：應用於智慧型手機的1.5英吋Micro LED顯示器的製造成本將降至當前的1/10，應用於電視的75英吋Micro LED面板的製造成本也會降到目前的1/5。
(來源：煉金術資本)
- 量產落地
目前，蘋果、TCL、海信、華碩、群創、友達、京東方等巨頭紛紛推出mini-LED背光或類似技術的電視、顯示器、VR和車載顯示等終端產品，mini-LED正在迎來快速發展期。例如：2019年4月，湖北三安光電mini/Micro LED晶片專案簽約，總投資額人民幣120億元；2019年底，利亞德與晶電成立合資公司，累計投資預計不低於人民幣10億元，主要研發和生產mini-LED背光顯示、mini/Micro自發光顯示產品；國星光電目前mini-LED IMD-M09T規模量產，並推出了更小間距的IMD-M05；京東方在CES 2020期間就展示了mini-LED技術，玻璃基板mini-LED背光及顯示產品也在2020年下半年實現量產。
總體來看，mini-LED直顯背光兩相宜，將與OLED一起用於高階顯示終端，並長期共存。各技術之間相互互補，激烈的競爭可望讓消費者以更低的價格獲得更好的顯示效果。
本文原刊登於EE Times China網站
