智慧型手機的快速興起也帶動感測器的快速成長，
Sensor Hub成了MCU業者們另一聚焦的技術應用。
不過，這塊市場也引來可程式晶片業者們的覬覦。
【撰文／姚嘉洋】
智慧型手機的興起，連帶使得感測元件的重要性也跟著水漲船高，像是MEMS領域的三軸加速度計、陀螺儀與磁力計等，都可說是智慧型手機的標準配備。也因此，這兩年來，諸如ST（意法半導體）或是TI（德州儀器）都提出了以MCU（微控制器）來處理感測器元件所帶來的資訊，這種概念就被統稱為「Sensor Hub」。
這種作法其實類似於電源或是音訊處理器的獨立設計考量，讓許多不同的類比訊號先由外部的處理器先行處理，以減輕應用處理器不必要的處理負擔，除了達到有效分工之外，應用處理器本身也可以降低功耗。這過去一般是由應用處理器或是MCU（微控制器）來擔當大任，但這種獨大的局面，似乎將會被某些可編程晶片業者所打破。
♦近年來運動感測成了消費性電子的主流應用之一，Sensor Hub的存在有助於整體系統的運作能更有效率。（Source：英特爾）
我們都知道，Lattice併購Silicon Blue之後，就沒有太多的公開消息，唯一可以確認的是，Lattice過去一直以來特別強調通訊、工業與國防航太應用的形象，在併購Silicon Blue後，就大幅強化了消費性電子市場的戰力，而在今年，Lattice也借重了Silicon Blue的技術實力，推出一款Sensor Hub解決方案iCE40LM，不論是在功耗或是元件體積的表現上，都相當令人驚豔。無獨有偶的是，同樣屬於可編程晶片領域的QuickLogic也在十月中旬的時間，發表ArcticLink® 3 S1，所鎖定的應用竟然也與iCE40LM相同。
FPGA的包袱太沉重？
翻開FPGA（可編程邏輯閘陣列）產業過去的歷史，其實QuickLogic與Lattice等，都是屬於FPGA產業的主要業者，只是由於大家所擁有的技術基礎不甚相同，業者們大多也就是處在井水不犯河水的情況。而為了能讓市場定位能更加清楚，QuickLogic也有意擺脫FPGA這個沉重的包袱，往消費性電子領域邁進，所以QuickLogic開始以CSSP（Customer Specific Standard Product；客製化規格標準產品）業者自居。但就技術本質上，仍然不脫「可編程」的概念。同樣的，Silicon Blue在還沒有被併購之前，也是聚焦在消費性電子市場。
如果是在五年前甚至是十年前，在可攜式或是消費性電子領域，FPGA大多都被認定有功耗或是成本過高的既定印象，大多OEM或是系統整合業者都會採用ASIC或是ASSP來進行系統設計，FPGA若要打進其供應鏈的確相當困難。也無怪乎，Lattice消費性/行動部門資深行銷經理Subra Chandramouli不諱言，消費性電子是Lattice相對陌生的市場。
♦儘管FPGA已經存在於市場有多年的時間，但要攻進智慧型手機或是平板電腦的供應鏈，OEM業者們仍然有許多功耗與設計難易度等考量（Source：Lattice）
QuickLogic亞太區業務暨市場總監Itsu Wang便直言：「要將QuickLogic定位成FPGA業者也不完全對，因為QuickLogic旗下亦有混合式架構（FPGA加硬體處理器）與獨立的ASIC產品線，為了要滿足廣大的市場需求，用CSSP作為QuickLogic的定位，會較為客觀。」
智慧型手機的設計考量首要：功耗
回到Sensor Hub的發展上，處理來自不同感測器的訊號，採用MCU或是ASSP來扮演Sensor Hub的角色，是屬於目前業界主流的作法。當然，若用應用處理器來處理這些訊號也不是不行，但考量到智慧型手機的電池壽命，恐怕不到一天，其電池電量就被消耗殆盡，檯面上諸多一線的高階智慧型手機的設計也大多摒棄了這樣的作法。
Lattice與QuickLogic所著眼的，是在感測元件與Sensor Hub隨時處在運作的情況下，如何降低整體系統的功耗，與此同時，又可以處理複雜的演算法與不同感測器的類比資料。像是三軸的加速度計、陀螺儀與磁力計等一般我們常見的感測器元件，它們就是處在運作的狀態，並不會進入睡眠模式。
QuickLogic系統架構顧問連文賢也談到，從OEM的需求來看，他們希望各類感測器加上Sensor Hub佔整體系統功耗的2%甚至更低。他更舉例指出，摩托羅拉在市面上就有一款手機，礙於感測器系統對整體系統功耗佔了相當大的比重，因此將電池的容量加以擴大，以解決電池壽命過短的問題。
兩者所提供的產品線，其功耗都可以壓低到1mW以下。而一般Sensor Hub的專用MCU在功耗上的表現大多是在10mW上下，從這一點來看，兩家業者的產品在功耗表現方面明顯居於上風。
♦這一年多來，已有一線MCU業者開始提倡用Cortex-M4 MCU來扮演Sensor Hub的角色，以減低應用處理器的運算負擔。（Source：community.arm.com）
SRAM FPGA也有機會打入智慧型手機應用？
有趣的是，觀察iCE40LM與ArcticLink® 3 S1，就基本架構上，前者以全SRAM為基礎的FPGA，後者則是採取了混合式架構，除了擁有SRAM外，也具備了專用的處理引擎，來對應不同的類比或是溝通訊號。可以想見，SRAM不僅在Xilinx與Altera的產品線扮演絕對必要性的角色，就可攜式應用市場中的可編程領域上也具有不可或缺的份量。
而我們也知道，傳統上，Cortex-M4 MCU具備浮點運算功能可以處理複雜的演算法，這在ST或是TI早就有相關的規劃與佈局。所以iCE40LM與ArcticLink® 3 S1，勢必也會面臨同樣的情形。一般來說，SRAM架構的FPGA，本來就具備平行運算的特色，因此相較於處理器用序列處理的方來來運算C語言架構的程式碼，FPGA的確有效能上的優勢，再加上FPGA本來就有可重覆燒錄的能力，因此在面臨演算法的處理，並不太會有運算負擔上的問題。
♦為了應付不同的系統設計需求，MCU搭配FPGA的作法，其實早已行之有年，兩者各自負責不同的工作。（Source：blog.ewaydirect.com）
可編程晶片與MCU正面交鋒？
「不過，QuickLogic對ArcticLink® 3 S1的作法，就會有些不同的地方，對於客製化要求相當高的客戶，可以將ArcticLink® 3 S1當作是FPGA一樣，進行所需要的開發。」連文賢說。
但相對的，為了能讓一些「急於上市」的客戶，QuickLogic也與許多MCU業者相同，會與第三方業者合作，進行相關函式庫的研發，以讓客戶可以利用這些函式庫進行系統設計。演算法的處理就交由FFE（Flexible Fusion Engine；）來負責。當然，更為快速的作法，是跟應用處理器業者合作，以Turn-key的方式，讓業者可以更為快速地將產品推向市場，但這種作法的客製化程度就相對低了很多。
只不過，過往MCU業者們為了能妥善處理來自多元感測器元件的資料，不論是ST或是TI都同意，採用ARM的Cortex-M4架構，是相對合理的作法。但面臨了Lattice與QuickLogic各自推出其產品線，意欲積極搶攻Sensor Hub應用，這是否會正面與MCU業者產生直接競爭？
對此， Subra Chandramouli談到，不論是封裝大小或是在低功耗表現上，iCE40LM其實都比Cortex-M4 MCU都還來得出色，但這並不表示，Lattice就要與MCU業者們全面宣戰，Lattice還是希望用開放的態度，來滿足市場需求，從系統設計的角度來看，客戶也有可能採用MCU與iCE40LM 進行協同設計，當然，這也要取決於客戶的需求。Itsu Wang也贊同Subra Chandramouli的說法，與其說是競爭，倒不是說是把市場作大，考量到不同情境的系統需求，採用MCU搭配可編程晶片，的確也會是選項之一。
結論
智慧型手機的快速興起，某種程度上與感測器元件的導入有一定程度的關係，因為它的的確確地的改變了人們對於手機的使用習慣，而隨著感測器元件類別的增加與整合，的確也需要有對應的晶片來處理來自外界的多元訊號的變化量，同時也帶起了這類晶片的需求。如今可編程晶片或是FPGA業者挾自身技術的優勢，意圖搶攻這塊仍是快速成長的市場。
然而，從感測系統層級的角度來看，提供一站式的解決方案在某種程度上會受到不少客戶的青睞，只要系統設計上出現問題，直接找單一供應商詢問即可，這樣市場策略以ST與飛思卡爾為主要代表。但是同樣的，也有部份MCU業者表示，有些部份的客戶並不願意被單一供應商制約，進而失去議價的談判空間，從這個角度來看，Lattice與QuickLogic當然也有機會搶進。即便這些他們聲稱不會與MCU等業者們正面交鋒，但長期來看是否會對MCU與ASSP業者們造成負面影響，值得我們繼續觀察。
【全文刊載於《CTIMES雜誌》2013年12月號】-- CTIMES粉絲團
