物聯網(IoT)的未來可能取決於售價不到50美分的晶片?根據最近在ARM年度科技論壇ARM TechCon一場專題討論上的技術專家表示,未來的IoT SoC需要搭配新型的記憶體、連接性與感測器等功能,才能擴展至IoT所需要的規模;然而,實現這一目標的道路仍不明朗。

當今的靜態隨機存取記憶體(SRAM)和快閃記憶體(flash)、藍牙介面和感測器等元件消耗了太多的功率,到了2027年時將無法因應大量的IoT節點要求,因此,參與專題討論的技術專家們分別提出了幾種可能的的替代方案。

ARM無線部門軟體總監Jason Hillyard說,在理想的情況下,2027年時終端節點SoC將僅消耗10微瓦(uW/MHz)功率,以無線傳送資料時僅耗電1或2毫瓦(mW)。他還提出了‘slideware SoC’新架構,採用適於其能量採集電源打造的次閾值電路。

ARM資深首席研究工程師Lucian Shifren表示,實現這種裝置的最大問題就在於缺乏適當的記憶體。

20171030_IoT_NT01P1 ARM認為,新型記憶體仍無法達到IoT的功耗和成本要求(來源:ARM)

Shifren說:「記憶體的能量是未來發展的主要問題。大家都十分看好可變電阻式隨機存取記憶體(ReRAM)和自旋力矩轉移磁阻式隨機存取記憶體(STT-MRAM)能取代SRAM和flash,但我認為沒有一個能真正實現……,而且也看不到有任何可行的替代方案」。他指出,STT極其昂貴,而且在寫入時的能耗太高,而ReRAM和相變記憶體替代方案則是使用了相對較高的電壓。

ARM技術長Mike EE Muller在接受《EE Times》的採訪時表示,ARM採用來自學術研究的新式記憶體製造測試晶片,然而,他並未透露有關該測試晶片的任何成果。

Muller說:「理想上它是一種非揮發性、低功耗的設計,有利於邏輯和記憶體元件…預計未來將會出現更多的記憶體,但並不至於取代flash。」

同時,Ambiq Micro技術長Scott Hanson指出,基於次閾值電路的微控制器(MCU)已經達到記憶體極限了。他說:「有一些實際情況是就算想在本地寫入大量資料,目前也還無法實現。」

20171030_IoT_NT01P2 預計在2027年,IoT SoC必須能徹底在功耗和成本方面寫下新低點

1mW能量採集

在無線方面,Hillyard預計,在2022年以前將會出現一項新標準,最終將能以相當於目前藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy;BLE)約十分之一的功率級運作。他解釋說,BLE從40mW功耗開始,即是原始藍牙功耗的十分之一。

他問道,「那麼如果我們能再次展現飛躍式進展,讓功率再降低一個數量級達到1mW甚至更低呢?預計它將超越CMOS的演進。」

ARM無線技術資深總監Frank Martin說,未來將會需要一項新的無線電標準,它可能執行於新的頻段——經過10年的努力之後。他說,新的規格必須因應能量採集器產生持續低功率的需要,而不是依靠當今以電池驅動的無線電,在長時間的睡眠週期之間發送短波資料。

Muller說:「很多人都在討論針對物聯網的新無線電標準,但至今尚未具體成形,主要的問題就是能從何處權衡折衷。「實際上存在大約1-2公尺的鄰近性…但這一領域尚未成為主流,」他指出其他人更著重於較低頻寬。

20171030_IoT_NT01P3 ARM認為,現在正是導入功耗降至藍牙1/10的新無線技術時機(來源:ARM)

同時,Integra Devices技術長Mark Bachman表示,感測器方面也開始探索新的材料和設計技術,以便能進一步降低功耗、縮小尺寸與增加功能。

Bachman說:「大多數的感測器並不容易以晶片製造…因而難以整合。我們則採用封裝技術製造一部份的感測器,使得該封裝成為內含晶片的感測器。」

用於監控工業馬達的動作感測器需要內建智慧功能,才能在節點上分析無法實際傳送到雲端的大量資料。另一方面,Integra也致力於打造傳統的零功率感測器,其中一些感測器可經由遠端攝影機檢測到顏色變化,從而回報告溫度的改變。

Intera目前採用動能(kinetic energy)來開發感測器,目前用於採集高達10mW的能量,有些是從水或氣流中採集能量。長期來看,他說:「我們從根本上就需要新的能量採集器,但其價格必須與採用電池相當,而且可持續更長10倍的使用效能。」

20171030_IoT_NT01P4 有些感測器開始內建於SiP封裝中(來源:Integra)

編譯:Susan Hong

(參考原文:IoT May Need Sub-50-Cent SoCs,by Rick Merritt)