「在物聯網(IoT)時代,我們的願景是讓數十億智慧物聯網裝置實現互連互通;未來,幾乎任何系統都可以利用網際網路和雲端運算生態系統實現創新,讓物聯網產品變得更智慧、感知力更強。」這是意法半導體(ST)總裁執行長Jean-Marc Chery在2018年度全球CEO峰會上的開場白。他強調物聯網將使世界變得更智慧,特別是從智慧產品、智慧家庭/智慧城市、智慧工廠、智慧駕駛等四大面向。

20181112_ST_NT61 意法半導體總裁兼執行長 Jean-Marc Chery

四大物聯網領域發展及其場景

Chery指出,智慧產品、智慧家庭/智慧城市、智慧工廠和智慧駕駛都可以實現互連。物聯網將對我們的生活產生巨大的影響。如下圖所示,這四大領域從2017年到2021年都將實現顯著市場成長,並將不斷提高我們的生活品質。在帶來很多資產和價值並促進經濟發展的同時,物聯網也會使移動性得到增強,使我們的往來越來越多。

同時,人工智慧在這方面也起到了很大的作用。現代生活中有很多大的發展都和物聯網息息相關。我們在應用這些設備時,都希望能及時獲得設備的回應,並及時和相關的人員取得聯繫和產生互動。

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物聯網讓世界變得更智慧,它不僅能帶來便利和高效,使我們在使用設備的時候更加安全,而且能讓我們和世界的互動變得越來越強。舉例來說,Chery表示。「在智慧工廠中會使用很多的機器人來代替人工進行操作,從而促進生產力。同時,利用互連互通的智慧方式實現生活和生產,可以節約大量的能源,提高至少30%以上的生產力。與此同時,很多關鍵領域和產業也在應用人工智慧(AI)和物聯網,改變世界的基礎設施,促使汽車變得更加安全和環保,讓駕駛人和乘客有更好的體驗。如今發展出的任何新科技都與物聯網息息相關。與此同時,它還能不斷減少碳排放,讓我們的環境更加節能環保。」

智慧駕駛:更安全、更環保和更智慧互連

在智慧駕駛方面,汽車產業透過不斷應用更多物聯網產品,將能使駕駛變得更安全、更環保和更智慧互連。簡單來說,車聯網能夠實現更多服務,連網汽車將掀起車輛安全的變革,V2X (車與外界通訊)將實現更安全、更快速的出行,以及環保。

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SiC將推動電動車普及

SiC是實現電動車的一個關鍵技術,對續航里程延長、電池尺寸變小(或可靠性提高)、充電更快速高效來說具有重要意義。如下圖所示,SiC MOSFET和Si IGBT相較,能在多項性能指標上顯著提升。

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智慧工業計劃與市場機遇

物聯網是一種全球性的趨勢,在世界各地都有不同的智慧產業專案:包括中國製造2025、德國工業4.0以及美國的工業物聯網(IIoT)。智慧工業中有些共同的主題,即使工廠和機器變得越來越智慧、越來越有意義,而感測器則為其賦予這些能力。感測器與本地分散式的智慧結合在一起,可以提供非常強的功能,進而促進人機合作。如此一來,工人的角色會發生巨大變化,工廠會變得更有連線性,從而實現更好的資料收集,並將其上傳到雲端。

這樣的資料收集非常必要,在萬物互連的時代,資料收集可以提供很多的分析和見解。為了使機器變得更智慧、風險更小,對於新工廠來說,可以在建廠的時候透過無線或有線網路的方式將資料收集設備安裝進去,而對於舊工廠來說,沒有這樣的設備,就需要去改造工作場所而使其變得更加安全。

Chery表示,我們可以透過相應的技術來監測電器設備,使它們漏電的可能性更小;也可以透過相應的技術來監測能耗,使其降低,在有些情況下甚至可以降低30%以上。智慧監控系統也可以大範圍使用,從而持續監控每台機器,進而實現預測性維護。

到2021年,我們會看到很多這樣的智慧技術投入使用。這些都意味著巨大的機會。到底如何抓住這些機會呢?「在所有這些機會中,首先是有大量的連網設備。到那時,互連的水、電、天然氣表以及工業物聯網設備的數量將新增約8億。」Chery強調,「另一個巨大的機會是工業用馬達——這些馬達目前在全球的安裝量在3億左右,並將以每年10%的速度成長,佔全球能耗的30%左右。因此,我們要對這些電動馬達進行監控,查看它們是否以必要或高效的方式進行運作——什麼時候出現故障,什麼時候效率不高——這樣就可以降低能耗。」

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遠端狀態監測及預測性維護

原則上,越早檢測到缺陷,修復缺陷的成本就越低,維護也越方便,生產停機時間也就越短。直到最近,設備專家以及維護人員在監控失效方面仍然沒有很好的手段。他們使用離線式手持感測器檢測,這些感測器基於節能或超音感測的原理是非常落後的。而今天利用低成本的半導體解決方案和高智慧的演算法,就可將感測器放在機器上進行即時監測。這樣就可以預處理很多資料,並將其傳送到本地設備或者雲端上去。

Chery說:「我們有非常小、非常智慧的感測器,這些感測器帶有微處理器、電源管理電路以及有線或無線連接支援。相較於傳統的監控方案,它們可以提供巨大的優勢,進而實現預測性維護。」對於物聯網產業的發展,半導體產業提供很多基本要素,包括感測、驅動、處理、安全、連接、調節、保護、馬達控制以及電源管理。

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感測功能可以收集資料,而使物聯網設備能夠感知周圍狀況。處理功能則使設備擁有智慧——它將涉及不同的功能,包括先進資料處理功能,以及人工智慧功能。除此之外,安全性也非常重要。安全可以保護資料的完整性——通訊過程中如果資料不完整,通訊的結果就會受到影響,而使IoT整個鏈路不再完整。連線性則可實現與本地設備或雲端的連接。

除此之外,還需要考慮對電動機控制設備的保護以及電能管理。Chery再次強調,所有這些功能都需要以可升級、可擴展的方式來提供,也就是說性能可以變高或變低,可以選擇,這樣才可以滿足不同的物聯網設備的需求。半導體元件可以實現這些功能,而且它們的成本也不高,性價比卻非常高。

物聯網設計的基本要素缺一不可

談到這些問題或者功能需求時就必須綜合考慮,上述基本要素缺一不可。「半導體元件如果充分利用,將在物聯網時代大有可為。」然而,Chery指出,「物聯網設計也面對很多挑戰,包括選擇正確的感測器種類、自我調整連接、低功耗設備與能效、智慧處理(包括AI),以及多維度的安全防護。對於連線性來說,需求多種多樣,所傳輸的資料量也各不相同。對於工廠中現有的有線連接,有些技術非常合適,比如IO-Link或者工業乙太網路。對於新安裝的場合,無線連接或許可以提供非常多的好處,而對於遠端設備,如智慧電錶、水錶或者智慧感測器,或許可以考慮遠端的廣域網路,因為這些場合下需要傳輸的資料量非常少。」

5G技術對半導體提出的要求

5G未來會給我們帶來巨大潛力,會對物聯網世界帶來巨大變革。5G網路在資料速率方面會帶來很大的提升。另外在延遲以及連接品質方面也會帶來巨大的改善。Chery表示,「這非常重要,對車聯網尤其如此。車聯網需要即時、快速地交換大量資料,連接的可靠性要求非常高。對工業界來說,有些對延遲敏感的服務和設備,比如工業機器人和無人機,會需要持續的連接和即時的資料傳輸。而NB-IoT也可以提供最佳化的解決方案,從而實現最低的成本和最低的功耗,主要是針對延遲不敏感的場合。對於輸送量要求不高的場合,在物聯網時代確實有很多。透過這樣的技術部署,我們就可以在5G時代滿足更多的物聯網用例。」

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半導體先進製造製程

「為了正確地將產品製造出來,還需要有正確的生產製程,例如嵌入式NVM、微處理器、微控制器應分別適於採用哪種製程等。半導體廠商還涉及其他技術,例如影像處理。」市場上都已經提供了很好的服務和軟體。

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物聯網已經在從概念不斷發展,帶來了很多的相關資訊以及各種轉變。Chery總結說:「隨著5G時代的到來,我們需要有不同的系統和相關產品以不斷促進物聯網的基礎設施發展,必須要在半導體產業和相關IC領域做好準備,以便提供更好的技術支援。」