微妙维效 穿戴装置微型化元件与系统技术

在房屋市场中,有大坪数的豪宅、三房两厅的一般住宅、注重机能的二房一厅的小宅、亦有为个人打造的套房等等产品,主打不同的客户族群。若拿房屋大小来比喻个人用3C产品的话,电竞玩家的电脑就好比豪宅,笔电犹如一般住宅,平板电脑可比喻为小宅,而手机则如同套房般,拥有功能齐全的个人空间。

那么穿戴式装置呢?以智慧手表为例,由于体积比智慧型手机更小,犹如比套房还更小的「微房」,这种2~3坪小房间对室内设计师来说,要发挥出如同套房般的机能,可说是极大的考验;而穿戴式装置对产品设计师而言,也是同样面临极大的挑战。

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在寸土寸金的穿戴式装置内,需高度整合的元器件才行

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软板(上)、萤幕(中)、电池(下)的可挠式设计,将成穿戴式装置主流

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ARM、x86、MIPS架构CPU厂商的穿戴式系统开发平台

因应穿戴式装置市场兴起,电子元件供应商提供低功耗、高整合的元件解决方案,透过多合一、堆叠式的晶片设计,以及新一代布线技术,让研发工程师在有限的穿戴式装置空间下,也能发挥出极大的坪效。

穿戴式电路元件解决方案:微缩、可挠

藉由奈米制程科技,晶片可以体积再微缩,元件也可以更节省空间。如ROHM就提供0.4x0.2mm以下面积的电阻、二极体(RASMID系列)等超微细主被动元件,让PCBLayout(电路布线)更加节省空间。

而穿戴式装置依照产品特性,必须具备可挠曲(Flexible)的需求,不管是PCB、萤幕、甚至电池,能做到挠曲的话,产品就不会用起来硬梆梆。在PCB的设计上,硬板主机板必须采用雷射钻孔制程的HDI(高密度互连)板,避免机械钻孔而浪费PCB面积,若是面积较小的布线,就得采用软板(FlexiblePrintCircuit;FPC)。例如Nike+FuelBand、JawboneUp都是采用软板设计。

在显示萤幕上,也有可挠式的设计,例如SamsungGearFit采自家YOUM可挠式OLED显示技术。而LGGFlex手机采自家可挠式POLED显示技术与可挠式电池,但似乎没运用到其GWatch产品。

至于在电池部分,辉能科技(ProLogium)推出的FLCB(超薄软板锂陶瓷电池),已于于COMPUTEX2014首度公开,具备超薄(0.32~0.36mm)、可挠曲(挠曲半径视电池长度不同约15~17mm),弯曲后再平展不产生皱折、超安全(采用锂陶瓷、类固态电解质,就算弯折、撞击、穿刺、撕裂或火烧都不会起火、爆炸)等特性,将成为穿戴式电子的最佳电池解决方案,适合嵌入表带。

无线通讯晶片竞相推出多功能整合方案

至于在无线晶片元件部分,因应低功耗蓝牙4.0(BLE,或BluetoothSmart)的出现,加上无线充电技术的推出,一些无线传输晶片厂商,使原本只内建基频处理器(BBP)和数位讯号处理器(DSP)的蓝牙/Wi-Fi晶片也整合了许多功能。

例如DialogSmartBondDA14580,就同时提供蓝牙4.0和4.1的规格,并内建32位元ARMCortex-M0MCU,搭配各式感应器,可为蓝牙周边提供更多的应用,包含健身、医疗等感测领域。

而NordicnRF51822则是整合BLE,搭配其S120八充介面的低能耗核心角色SoftDevice,可支援A4WP无线充电方案,提供同时为八组蓝牙周边充电的能力。而Broadcom近期也发表BCM59350电源晶片(同时支援A4WP、PMA、WPC等三种无线充电标准),搭配其WICED的蓝牙/Wi-FiSoC平台,可以提供无线充电能力。

许多透过有线充电的产品,都必须开孔(microUSB)或设计充电接触点(pad),对于有防水需求或一体成形的穿戴式装置,似乎不够完美。因此内建无线充电的元件,可让产品改以内建线圈的方式,来取代传统开孔的做法;例如SmartyRing智能手环,就是采用Nordic的解决方案,来达到省电、无线充电的目的。

系统晶片平台(ARM、x86、MIPS)抢攻穿戴式商机

在穿戴式系统架构部分,目前市场以ARM架构的晶片供应商为大宗,包括Actel、Analog、Atmel、Cypress、EnergyMicro、Freescale、Fujitsu、Infineon、Holtek(盛群)、NXP、ST、TI、Toshiba等等,都推出超低功耗的MCU(Micro-ControllerUnit)系列,采用ARMCortex-M3或M4系列架构,执行时脉大约在200MHz以下,并支援睡眠模式,让仅须微安培(32µW/MHz)的电力耗用成为可能。

而在Cortex-M0+部分,其具备超低11.21µW/MHz能效,搭配LPDDR2/3、NANDFlash快闪记忆体,以及无线传输等元件,让系统工程师可搭配其专属的硬体开发平台,并支援轻量级Linux、RTOS等简易型作业系统,来实现长时间感测需求。

Freescale也推出其专属开发平台「Freedom」,面积81x53mm(约为信用卡大小),适合开发人员研发产品之用。

MCU功耗低,可以开发以感测为主的穿戴式产品,例如智慧手表,就有SonySmartwatchSW2、QualcommToq、Pebble、AGENTsmartwatch、KreyosMeteor等等。而智慧手环,就有SamsungGearFit、SonySmartbandSWR10、Nike+FuelBand、JawboneUP、FitbitFlex等等。

而高阶的ARMCortex-A系列架构的AP(应用处理器),则以双核心1GHz,并支援Linux、Android、AndroidWear、Tizen、WindowsPhone等作业系统平台。

知名供应商有Qualcomm、Broadcom、Samsung、NVIDIA、ST、TI、Mediatek(联发科)…等等,主要应用在手机、平板等行动装置平台,亦有厂商将其体积微缩,拿来应用在穿戴式装置,像是智慧眼镜、高阶智慧手表、电话手表…等等。例如GoogleGlass、SamsungGear2/Neo、OmateTrueSmart、NeptunePine、i’mWatch、映趣inWatchZ等等。

在x86阵营部分,Intel在CES2014发表了仅SD记忆卡大小(32x24x2.1mm)的超微型电脑系统「Edison」,内建22奈米双核心、低功耗的QuarkSoC(系统单晶片),为x86架构,时脉为400MHz,采用LPDDR2记忆体、NANDFlash快闪记忆体等元件,同时内建Wi-Fi、蓝牙4.0无线通讯模组,与弹性扩充的I/O功能。

在软体上,可支援Linux作业系统与Wolfram的Mathematica、Alpha(科学语言、知识型计算引擎),亦可自行连上专属的AppStore。

为了鼓励开发者投入穿戴式与物联网产品的研发行列,Intel还示范了与合作厂商共同开发的「Nursery2.0」托婴概念产品,婴儿穿上这款智慧衣服,其内建的感应器可以随时将婴儿的体温与心情,以无线方式传送到其他产品以显示出来。另一款智慧耳机(SmartEarbud),内建感测器能侦测脉膊与心跳,搭配其专属App还可以可设定依照心跳的快慢,来帮你选快慢歌。

为提升效能,3月底时Intel宣布再推出Edison的升级版,采用Silvermont架构的双核心AtomCPU,时脉500MHz,搭配一颗可处理超过30I/O的MCU,来符合市场需求,然而长与宽各增加1mm,比SD卡稍微大约7.5%,可说是世界上最小的x86电脑,作业系统可支援Linux、Android、Windows等平台。

至于在MIPS阵营部分,ImaginationTechnologies与大陆北京君正(Ingenic)也于2014年4月发表其全新的Newton平台,采用自家双核JZ47751GHzCPU,其XBurst核心可相容于MIPS32、PowerVR与Ensigma等硬体架构,可使用LPDDR、Flash记忆体,并支援Wi-Fi、蓝牙、NFC等无线通讯功能,并有各种I/O连接各式感应器,在软体上可相容于Linux、Android、AndroidWear平台。

Newton主打低功耗、高性能的穿戴式平台,尺寸仅为38x22x3mm(稍比SD卡大9%的面积),待机功耗<4mW,最低执行功耗仅80mW,最高平均运行功耗<260mW,使续航力达30小时以上。目前已知GeakWatch(果壳智能手表)与智器ZWatch,皆是采用其CPU平台来设计。

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