高效節(jié)能：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的共同目標(biāo)

高效節(jié)能與物聯(lián)網(wǎng)

最近，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)已然變得非常流行，各種連接到因特網(wǎng)以及互相連接的電子設(shè)備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的世界。物聯(lián)網(wǎng)所涵蓋的范圍之廣著實(shí)令人吃驚——從智能消費(fèi)電子應(yīng)用和車(chē)輛到可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的幾乎所有事物，而且覆蓋范圍由于移動(dòng)應(yīng)用的爆炸式增長(zhǎng)(圖1)還將大幅擴(kuò)大。這些產(chǎn)品以及衍生出的生態(tài)系統(tǒng)將改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ?。?duì)于個(gè)人消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)能夠讓人們以更低的成本、更高的效率處理日常事物，使得生活更加安全，甚至還能使人們的生活變得更加健康。對(duì)于商業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)將為自動(dòng)化、能源效率、資產(chǎn)追蹤和庫(kù)存控制、物流和定位、安防、個(gè)人追蹤以及資源節(jié)約領(lǐng)域帶來(lái)極大的變革。

圖1：此處為計(jì)算得出的增長(zhǎng)數(shù)據(jù)。移動(dòng)應(yīng)用正不斷推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的成長(zhǎng)，而反過(guò)來(lái)物聯(lián)網(wǎng)也在不斷推動(dòng)移動(dòng)應(yīng)用的發(fā)展。

有了這些好處，我們很容易就能理解為什么物聯(lián)網(wǎng)能夠變得這么流行。不過(guò)，要想完全獲得上述好處，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)必須先要解決諸多關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，可能目前最為緊要的挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

定義物聯(lián)網(wǎng)

最近“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)詞充斥著人們的生活，那么它到底是什么?簡(jiǎn)單地說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是由形形色色的硬件、軟件和服務(wù)組成(大部分是后面兩者)，上述三個(gè)部分緊密合作，收集和傳輸信息、分析數(shù)據(jù)，然后基于這些數(shù)據(jù)形成決策，提升特定任務(wù)的效率(圖2)。例如在個(gè)人健康這一塊，物聯(lián)網(wǎng)可以提供一個(gè)更加有效的方式將指定藥物或治療的療效信息傳送給醫(yī)生。而在居家生活領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)能夠幫助消費(fèi)者更高效地使用冰箱，如通知消費(fèi)者食物是否已經(jīng)臨近保質(zhì)期，是否需要補(bǔ)充食物，或者在線訂購(gòu)食物并送至家中。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)將多個(gè)生態(tài)體系整合到一起。

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系的應(yīng)用涵蓋智能家電(如冰箱、烤箱和HVAC系統(tǒng))和汽車(chē)到可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。盡管它們可能在應(yīng)用形式和使用方法上并不相同，但上述應(yīng)用領(lǐng)域具備四項(xiàng)關(guān)鍵的共性：感知、數(shù)據(jù)收集、互連和數(shù)據(jù)處理。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠感知事物，然后收集感知到的數(shù)據(jù)，最后這些數(shù)據(jù)將通過(guò)因特網(wǎng)傳輸至另外的設(shè)備或地點(diǎn)，進(jìn)行處理或分析。

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系中的大多數(shù)設(shè)備由電池供電，并且必須在沒(méi)有維護(hù)或替換的情況下工作數(shù)年。如果僅使用單個(gè)電池而要提供長(zhǎng)時(shí)間的服務(wù)，這些設(shè)備的功耗就必須要盡可能降到最低。還有一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將通過(guò)外部來(lái)源供電，即能量收集。在上述兩種情況中，高效節(jié)能對(duì)于發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛力，造福大眾生活來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。

實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)本身是一個(gè)很大的概念，能夠徹底改變社會(huì)生活和人們的工作。實(shí)際上，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)正在諸多領(lǐng)域中進(jìn)行著。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，很多事物將和現(xiàn)在的看起來(lái)不一樣，而且這還不是僅僅局限于消費(fèi)電子領(lǐng)域。想象一下，像Nike FuelBand 一樣通常需要8、9 個(gè)元件的可穿戴設(shè)備在3 到4 年后可能只需1 個(gè)元件，而且價(jià)格也會(huì)變得更加便宜(圖3)。

圖3：如何降低功耗、減小尺寸、縮減成本是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)。

消費(fèi)者對(duì)于更小、更輕薄設(shè)備的需求不斷推動(dòng)這種趨勢(shì)，特別是在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。“摩爾定律”中所預(yù)測(cè)的大約18 個(gè)月左右晶體管數(shù)量就會(huì)激增這一情況使得這種趨勢(shì)變得更加復(fù)雜。將8 到9 個(gè)元件減少到1 個(gè)需要高度的集成。不僅如此，當(dāng)您將更多的功能集成到單個(gè)芯片上時(shí)，相應(yīng)地必須要添加更大的存儲(chǔ)器，這反過(guò)來(lái)也會(huì)增加功耗，而這點(diǎn)并不契合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備追求更低功耗的需求。

在未來(lái)幾年里，物聯(lián)網(wǎng)將為我們提供非常卓越的用戶(hù)體驗(yàn)。它將提供更好的互連，更簡(jiǎn)單更方便，并且是“永遠(yuǎn)在線”的，或者說(shuō)給用戶(hù)帶來(lái)的體驗(yàn)是“永遠(yuǎn)在線”的。倘若物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠“永遠(yuǎn)在線”，始終待命并執(zhí)行用戶(hù)的指令，那就無(wú)需摁一下按鈕激活設(shè)備這種操作了?？纱┐鞯慕】底粉櫾O(shè)備是看得見(jiàn)的例子。它每天都記錄用戶(hù)的心率、全天的睡眠/活動(dòng)時(shí)間。未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也需要實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的“每周7 天，每天24 小時(shí)”的工作。

顯而易見(jiàn)的是，對(duì)于“永遠(yuǎn)在線”功能的需求正是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更加高效節(jié)能的動(dòng)力。如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不能以很低的功耗運(yùn)行，無(wú)論是通過(guò)持續(xù)數(shù)年的電池供電或從外部獲得能源，“永遠(yuǎn)在線”的想法仍然不能實(shí)現(xiàn)。

“永遠(yuǎn)在線”的設(shè)備還處于一個(gè)進(jìn)退兩難的困境中。如果一直在工作，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備就會(huì)收集到海量的數(shù)據(jù)，此時(shí)如何利用這些數(shù)據(jù)變成了最優(yōu)先考慮的事。換句話說(shuō)，收集數(shù)據(jù)相對(duì)來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，而難的是真正使用好這些數(shù)據(jù)。

智能感知和大數(shù)據(jù)分析此時(shí)就會(huì)變得非常重要，通過(guò)更加智能的數(shù)據(jù)獲取并且以更大的數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，那么根據(jù)需求獲得的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)或重要項(xiàng)目就能夠最快地得到確定并執(zhí)行。這里不得不再次提醒，高效節(jié)能仍然非常關(guān)鍵，因?yàn)閿?shù)據(jù)收集會(huì)增加功耗，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)同樣如此。

克服挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要的高效節(jié)能，使得設(shè)備僅需單個(gè)電池就能運(yùn)行數(shù)年并不簡(jiǎn)單。這需要使用低功耗元件以及更加高效的電源系統(tǒng)。同時(shí)，架構(gòu)和芯片本身也需要進(jìn)行改變。

現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域各個(gè)方面的設(shè)計(jì)都集中于如何盡可能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能(圖4)。對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，這意味著數(shù)量級(jí)的提升，不會(huì)一夜之間就實(shí)現(xiàn)。這種提升需要通過(guò)幾代產(chǎn)品一步一步實(shí)現(xiàn)。

圖4：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的方方面面都要求高效節(jié)能。

作為低功耗可編程半導(dǎo)體器件的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，萊迪思半導(dǎo)體致力于助力各廠商實(shí)現(xiàn)功耗更低的物聯(lián)網(wǎng)互連設(shè)備。目前，萊迪思主要集中于研究新的方式來(lái)提升能源效率，包括實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)創(chuàng)新和推出更先進(jìn)的半導(dǎo)體器件。同時(shí)，萊迪思也不斷為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供更多的靈活性，以支持電源門(mén)控、可編程速率和電源管理功能。不僅僅是低功耗，萊迪思獨(dú)有的架構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)模式狀態(tài)電源管理，基于某些參數(shù)來(lái)判斷設(shè)備所處的真正狀態(tài)——開(kāi)啟或關(guān)閉，睡眠或部分喚醒，能夠動(dòng)態(tài)地從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。

相較于僅基于處理器的元件，萊迪思正在使用先進(jìn)的工藝技術(shù)和已有的速度/功耗靈活性來(lái)擴(kuò)展其產(chǎn)品功耗優(yōu)勢(shì)。利用集成的半導(dǎo)體器件和軟件解決方案，萊迪思能夠?qū)崿F(xiàn)能源效率數(shù)量級(jí)的提升。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)引人注目、非常有前途的領(lǐng)域，能夠改變?nèi)藗內(nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已小有成就，但是發(fā)展空間還十分巨大。想要完全發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛力，就要把物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系中的設(shè)備變得更小更便宜，此時(shí)更高度的集成就變得至關(guān)重要。它還要求設(shè)備開(kāi)發(fā)工程師能夠?yàn)橛脩?hù)帶來(lái)“永遠(yuǎn)在線”的體驗(yàn)，并找到新的方式來(lái)更加智能地感知和分析設(shè)備捕捉到的數(shù)據(jù)。以下都是該領(lǐng)域中各類(lèi)應(yīng)用的共同發(fā)展趨勢(shì)：集成、“永遠(yuǎn)在線”的用戶(hù)體驗(yàn)、智能的感知/數(shù)據(jù)分析。這些趨勢(shì)也是將物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系引入到人.們?nèi)粘Ｉ畹倪^(guò)程中面對(duì)的最主要障礙。