Arm 傻瓜書帶你看懂物聯網解決方案以及自製晶片

by Lynn
2018.07.10 09:47AM
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物聯網只有大廠能做?論Arm入門方針,小廠的求生之道──特規化晶片解決方案

 

隨著智慧型手機與行動網路的普及,萬物聯網(IoT)這個商業議題早在十多年前便已被產業界提出,近來配合機器學習與5G通訊技術的支持,相關投資與創業熱潮又攀上了一波高峰。最新經濟學人智庫(EIU)物聯網商業指數調查了來自世界各地的高層主管和資深商業領袖。百分之五十的受訪者表示:物聯網是他們事業群中最重要的一部份。經濟部也設定目標,預計2020年將促成國內物聯網新創公司或事業群達到150家,開發10項以上物聯網核心關鍵技術,屆時將帶動台灣整體物聯網產值達140億美元。

不只台積電董事長張忠謀喊出:「物聯網是the next big thing!」阿里巴巴董事長馬雲也預測:未來10 - 20年內,人類面臨的三大技術挑戰就是機器智慧、區塊鏈與物聯網。人人都看到了物聯網的前景,但具體來說,究竟什麼是物聯網、能夠為原先的產業什麼樣的革新?產業鏈中的軟硬體技術需要有什麼樣的特性?現在的我們仍離物聯網全面泛化仍有多遠?台灣軟硬體發展的下一個趨勢大餅在哪裡?今天的這篇文章就是要來嘗試回答上述問題,帶領讀者一覽物聯網的商機與趨勢;若進一步扣回當台灣業者在跟隨物聯網產業趨勢、實際執行層面上會遇到的挑戰與解方時,就得推薦讀者去閱讀幾本有趣的刊物了。

全球處理器架構大廠安謀(Arm)近日推出了兩本分別關於「物聯網解決方案」與「自製晶片」圖文並茂的科普小書,分別討論了跟上 IoT 浪潮必須注意的佈署細節,與需要客製化區域網路晶片但不理解晶片製作流程、和採購非客製化晶片的成本差異。

Arm 的兩本小書,可說是為業者詳盡說明了真正在布建 IoT 網路上能因應的方法,也為對物聯網趨勢、IoT硬體戰略抱持著濃厚興趣卻難以入門的讀者,以行動裝置市場領導廠商的觀點進行深入淺出的剖析。

為協助您更好地吸收兩本書中所帶來的技新知術與商業實踐性,本文為您整理了其中最重要的關鍵知識並帶入相關的時事討論,期待能為您帶來更多產業趨勢上的啟發。 

馬上下載:

物聯網解決方案

自製晶片傻瓜書

 

為什麼企業必須重視物聯網商機?看領導廠商如何藉由IoT顛覆產業下一個十年

說了這麼久的物聯網究竟是什麼?「Arm物聯網解決方案」一書在開篇便為物聯網給出一個極為清楚的定義:物聯網利用嵌入式硬體(如微處理器、感測器等)並透過網路連線到其他裝置和系統等實體物件網(如穿戴式裝置、家用電器、汽車、工廠設備等)。

為什麼物聯網商機這麼不容錯過?網路時代發展至今,大致上可分為三個十年,第一個十年的主角是「個人電腦(PC) + 瀏覽器(Browser)」的組合,WinTel生態系就是在這個時代發展起來的。第二個十年是「智慧型手機(Smartphone) + 應用程式(App)」時代。智慧型手機市場的蓬勃,也造就了蘋果公司的輝煌──本來一家快倒閉的個人電腦公司,在定義出手機與 App 生態系後,彷彿當年的個人電腦與瀏覽器軟硬體的結合,進而推動了市場的快速發展,並迅速成為全球產業的霸主,因此有了第二個網路時代輝煌的十年。

而下一個網路時代的十年,關鍵即是「萬物互聯」──日常生活所有東西能連結至網路,而不只是你的手機而已,所有裝置都能透過中央控制來進行操作。不管是 Amazon Echo 或是 Google Home,都是互聯網所強調智慧家居的核心能力。

第一個輝煌年代的個人電腦使用習慣是由微軟定義;第二個輝煌年代的手機使用習慣則是由蘋果定義,然而萬物互聯的使用習慣將由誰來定義?到目前為止尚未有贏家出現。但趨勢已經慢慢形成,這便是網路時代接下來十年所有公司皆要競爭的位置,又會重新定義一次市場的王者,Amazon 、 Google 、微軟及其他科技公司都在競相爭搶這塊商機,一旦誰能成功定義出了物聯網產品,便掌握了下一個十年的龐大市場──根據BCG研究報告,智慧型手機的網路流量超越個人電腦年代足足有十八倍之多。更何況IoT之後不只電腦與手機,全世界的家電都會被聯接在一起,其中所產生的數據、流量及潛藏的商機存在著十分巨大的想像空間。

以各家大廠所推出的解決方案而言,舉個較為熟悉的例子,2010年雷軍採用低價高規的策略銷售小米手機,只是要作為物聯網策略的第一步。透過旗下生品牌MIJIA(米家),小米的產品線進一步將生態系範圍從智慧型手機擴展到智慧音箱、穿戴式健康手環,與電視、電鍋、空氣淨化機等居家消費產品。小米的策略是以手機作為載具、低價大量銷售擴展市場,真正目的是為了銷售其他搭載 MIUI 系統的智慧家居軟硬整合服務,使用者可以透過小米手機操控所有的智慧家居產品,提高小米生態系的整合度。截至2017年11月5日,小米IoT平台聯網設備市佔超過8500萬台,未來小米亦將透過IoT開發者計劃,讓更多第三方產品及應用能導入到小米現有的IoT產品。

另外,在搭載智慧語音助理的智慧家居方面,最早由Amazon推出Echo音箱獲得空前成功,截至2018年為止,超過一半的美國人家中皆有一台Amzon Echo音箱協助他們以語音進行訂餐、購物、報時及搜尋等日常功能,並可以連結家中的IoT產品進行遠端遙控及監測,然而其他科技廠也陸續推出自家的智慧家居產品,其中最驚人的是Google在I/O大會中推出的Google Assistant新功能,能夠模仿真人打電話到餐廳訂餐,過程中幾乎無法分辨這是由機器人所撥打的電話,此外還能自動撰寫電子郵件回覆,不再是傳統的罐頭回信,替使用者節省下更多的時間,這些新技術為Google Home系列產品提供更強大的虛擬助理功能。現階段Google、Apple、微軟及Amazon等最知名的國際級科技公司皆投入大量資源,致力研發及推廣IoT智慧家居產品,顯見市場的潛力巨大,智慧家居產品勢必成為未來大眾家中普遍的家電用品。周邊零組件供應生態系也會跟著蓬勃發展。

但你以為只有這些嗎?除卻智慧家居以外,根據現有 IoT 技術並結合商業模式上的創新,也是突破紅海市場的一大利基。以蓬勃興盛於中國與美國的共享單車新創為例:散佈各地的共享單車即是一個個物理世界的實體物件。透過車上安裝的感測器將位置資訊傳送至遠端的中控中心,中心即可一覽無遺監控上萬台單車的分佈狀況。IT人員即能藉此將位於偏遠地區的單車標註紅利以吸引人們前往。同時,使用者在手機上可以瀏覽單車的位置及紅利資訊,再依個人需求選擇最適合的單車。如此形成物理與虛擬世界的連結,開創了全新的使用者市場。

物聯網技術即是將電子零件、通訊、電腦科學等三大領域的技術融合起來加上創新服務,在低功耗晶片與網路連線的基礎上實現萬物相連後,其中衍伸而出海量數據與多變商業模式的利基市場。

 

為什麼物聯網出現爆發式增長?通訊網路趨於成熟使得IoT更加近在眼前

IoT佈署需求爆發式增長絕非偶然,十年來IoT產業技術的標準化趨於成熟,尤其第五代行動通訊技術(5G)、蜂巢式窄頻無線網路技術(NB-IoT)等新技術為IoT提供了強大的基礎設施後援。

首先談談5G。5G技術不僅是在通訊的速度容量做革新,而是網路虛擬化與軟體化趨勢。這也反映出電信產業不再僅提提供通訊設備、而是進一步成了網路服務提供者。可以說電信產業與IT產業的分界已漸漸糢糊,越來越多的電信商將重心移往雲端技術和 IoT 商機。

而NB-IoT則是5G商用的前奏和基礎。NB-IoT是物聯網領域新興技術,在電信商、通訊設備商、終端晶片廠商等合力推動下,僅用兩年時間就實現了突破性發展。NB-IoT支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接,具備覆蓋範圍廣、功耗低、成本低等優勢,可廣泛應用於智慧家庭、工廠自動化等領域。目前各國包括德國、英國、韓國電信商已先將NB-IoT應用在水電、瓦斯表等公用設施的追蹤管理及監控,例如NB-IoT通過規律的小數據傳送,實現對天然氣與水錶的監測,後來更結合NB-IoT推出智慧定位等服務,利用NB-IoT技術打造一個通訊範圍可覆蓋全國的IoT商用網路。結合了LTE與NB-IoT,使智慧城市基礎設施中的環境監測、水電錶管理、車流管理等服務成為了可能,比如說荷蘭政府便跟Google攜手合作,透過設置在高速公路上約3,000個交通感應器及Google Maps中的移動數據,分析車輛移動的路徑數據,藉此制定更有效率的交通政策及道路規劃來降低荷蘭因為車輛堵塞所造成的經濟損失。

在城市公共服務及管理的物聯網應用上,城市監測涉及很多技術細節並且要求低成本、低功耗,因此各項應用領域將趨於客制化,一般的通用晶片已無法滿足物聯網高複雜度的應用環境。針對各項應用的客製化及支援服務重要性將日漸增加,各家企業皆致力於這一塊的解決方案及基礎建設,可以說,通訊網路趨於成熟使得IoT更加近在眼前,伴隨之的客製化晶片需求及未來物聯網生態亦將日漸普及。

 

IoT模式困境?結合台灣製造優勢,特規化晶片將成關鍵硬體解決方案

我們在上述介紹中瞭解了:「為什麼企業必須重視物聯網商機」與「物聯網通訊網路趨於成熟近在眼前」。然而對於即將革新傳統產業界的物聯網趨勢,無論對於成熟待轉型的大型企業、亦或亟欲尋找突破口的新創公司,都是重要的兵家必爭之地。除了創新商業模式的發想,最重要的還是通訊網路與硬體晶片等基礎設備的支持,沒有穩定的基礎設備、搭載於其上的所有商業應用皆難以實現。物聯網運算平台在常見的部署應用情境與對於通用處理器的運用方式,並不會優先以高效能、高階製程的處理器優先,反而是低功耗、甚至是超低功耗的處理器更加適合,並針對各功能晶片的整合程度、晶片面積大小等各方面考量選擇,原因就在於目前物聯網在實際佈署上的困難之處相當多,包括應用場景多變、小型硬體佈署及維護成本高,客製化程度與細節要求高,而且電力在特定情況下取得困難;若是要搭載於自動車或智慧城市的物聯網產品,又會增加產品週期長的問題,需要另有長期維修及備料的後勤服務。

此外,現階段的軟體服務掛勾在硬體設備上,彈性很低;目前的 4G 網路無法針對不同應用提供不同的伺服器,網路不能根據不同應用、提供不同的伺服器,像是 4G 網路沒辦法對低延遲 (Low Latency) 需求較高的應用程式提供客製化需求。

若想針對應用需求客製化,其成本相當高。首先電信商跟網路設備商溝通:「我想佈署特殊需求的 IoT 網路設備」,必須由網路設備大廠瞭解電信商需求後再行硬體設計、生產、測試,過一兩年後再把設備賣給電信商。待買完設備之後再租地區布建設備,從頭到尾的過程對電信商吃力又耗時。

因此未來的物聯網晶片市場將呈現新戰局,帶動低功耗、低延遲、少量多樣的晶片設計趨勢,成為台灣小型晶片設計與硬體製造商的戰場,各家廠商已經提出整合微控制器、無線通訊、嵌入式記憶體、射頻(RF)、感測器及電源管理的物聯網系統單晶片 (SoC)的解決方案。其中由於SoC體積小、功耗低、可根據需要的功能客製化並整合至同一個晶片中,成為物聯網硬體方案中最重要的一塊拼圖。尤其,台灣半導體產業從晶圓代工、IC設計、矽智財 IP 及記憶體等具備完整產業供應鏈,若能結合半導體產業及相關應用的軟硬體商機,將有相當大的發展潛力。

事實上,規模不大的企業若想發展創新的物聯網業務,藉由以低功耗晶片著稱的Arm架構來自製晶片,將能更有效地進行服務拓展並壓低硬體成本;而對於中小型硬體開發廠而言,也能針對利基市場、更快速地開發並上市晶片產品,搶先對手銷售給有相關需求的客戶。

關於自製 SoC 最常見的誤解是技術門檻高、生產過程昂貴,僅適用於財力雄厚的大型企業。事實上,多數的SoC不需要生產商本身具備先進的IP和矽晶圓技術,企業可以直接使用早已普及化的成熟技術;另外由於SoC系統取代了很多元件,因此物料清單(BOM, 為了製造最終產品所使用的文件)通常會變得更小,這些特點都使得生產成本可以壓得很低。配合Arm這樣提供完整上下游合作流程的供應商,Arm的解決方案大幅降低了物聯網SoC得進入門檻,甚至可以使出貨量少的小公司考慮自製SoC。

這些資訊都能在Arm所出版的「自製晶片」一書中看到,本書對於一般公司自製晶片的流程進行了詳盡的說明,從晶片設計、原型測試、實際晶圓生產的各個階段皆有完整的供應鏈提供支援服務。

 

結語

多年來許多廠商已實施產線自動化和ERP等IT系統。然而絕大多數的企業訊息流通管道並沒有真的建構及整合、實體物件和虛擬世界中的對象沒有確實連接,使得基層設備雖然產生許多富含價值的數據、但這些數據卻沒有被良好整合及分析,產生其應有的價值。

目前結合雲端運算與機器學習分析的物聯網生態系,彷彿90年代中期的網際網路。彼時網頁瀏覽器剛被設計出來,沒有任何人可想到二十年後會劇烈改變你我的生活。回過頭來說,人們都看的到IoT的廣闊前景,但IT技術和實體物件如何連接在一起?如何從Offline到Online?這也是實際在佈署硬體網路與開發軟體服務時,關於商業模式上的一大挑戰。

而在各家大廠爭搶智慧家居大餅時,台灣作為硬體製造發達的小國,更可著墨於製造區域網路的特規化晶片,用台灣特有優勢跟上時代潮流,成為全球硬體創新與基礎建設的軍火庫。而這一切實作方式,我們都能在Arm兩本公開科普小書中得到進一步的瞭解。

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物聯網解決方案

自製晶片傻瓜書