智慧硬體從屬於物聯網的範疇
作為被寄予厚望的新興產業，智慧硬體涵蓋了可穿戴設備、智慧家庭、安全監控與醫療健康等在內的物聯網(IoT)各大重點領域。得益於3D列印以及集資平台、巨量資料雲端平台的興起，智慧硬體從產品的設計、研發到生產製造、銷售與服務都與傳統的硬體製造業產生了涇渭分明的區隔。
如果說2013年還處於智慧硬體概念剛剛興起階段，那麼2014年上游供應鏈廠商已紛紛覺醒，將智慧硬體領域看成智慧型手機後下一個即將爆發的巨大市場。創新工場(Innovation Works)創辦人、董事長兼執行長李開復日前就表示，未來5年，包括PC、手機、平板電腦、可穿戴設備，以及連網的電視、汽車、智慧家庭等加起來的智慧設備將達到400億台，這個數目將遠遠超越目前的60億台行動設備。
種種跡象顯示，2015年將成為智慧硬體的爆發之年，而創投業者也開始對智慧硬體的上游供應鏈表現出濃厚的興趣。春江水暖鴨先知，作為產業鏈上游的半導體公司對此最敏感也最先行動起來，紛紛調整組織結構，推出了相關產品，其中不乏過去專注於嵌入式領域的晶片廠商。而更上游的晶片代工廠商也針對該領域推出具有針對性的製程和技術。
各大半導體廠商紛紛佈局
在過去的一年來，幾乎每一家公司都宣稱進軍物聯網領域，開闢智慧硬體業務。據瞭解，高通(Qualcomm)已針對全球超過20個國家推出了15款物聯網設備，包括眼鏡、寶寶監視器與智慧手錶等。台灣聯發科技也計劃在2015年舉辦針對智慧家庭和穿戴設備的產業鏈大會。
2010年，英特爾(Intel)成立了線上業務部，希望藉由網際網路的形式建構一種快速、便捷的智慧硬體支援服務平台，針對從智慧硬體計劃研究到量產的各階段提供相關技術支援與服務。在2013年，英特爾還推出了Edison運算平台，致力於協助開發商克服技術難關。在2015年的CES上，英特爾發佈了英特爾Curie模組，這是一款瞄準可穿戴式解決方案且尺寸僅鈕扣大小的硬體產品，擁有包括低功耗藍牙、電池充電電路與感測器等技術，適用於各種不同類型的裝置，產品預計將在下半年上市。
Marvell也早在幾年前開始佈局物聯網領域，不但成為蘋果HomeKit合作夥伴，其高性價比EZ-Connect IoT平台和無線控制器更在全球無數的智慧硬體和連網裝置中得到應用，包括業界領先的智慧家庭、可穿戴裝置開發商也已經或即將推出基於Marvell平台方案的創新產品。
Marvell技術方案支援總監孟樹表示，Marvell在2014年成立了物聯網部門，涵蓋機上盒、電視、智慧家庭等產品線。“智慧家庭是我們發展的重點。Marvell已經進行了全線的佈局。整個物聯網部門從網路設備到網路核心元件都展開佈局。在無線連接方面，基於WI-FI、藍牙、Zigbee等三個方向都有自己的產品線，在技術方面更齊全，從微控制器(MCU)到無線都有，能提供非常全面的解決方案。”
孟樹表示，儘管未展開大肆宣傳，但其實Marvell已經悄悄佈局完成，目前在智慧家庭領域，Marvell的市場佔有率非常高。“智慧硬體方案在京東、小米的智慧裝置中得到了廣泛的使用。一些家電廠商也與我們積極合作，近期將陸續會有一些產品推出。”他同時特別提到在智慧照明領域，Marvell已經與歐司朗(Osram)、GE、貝爾金(Belkin)等廠商達成合作，出貨已經達到了幾百萬。
針對物聯網等領域提供半導體平台服務，瞄準以‘軟體平台為服務’(SiPaaS)的芯原微電子(VeriSilicon)為客戶提供客製化的智慧硬體平台、相關的IP授權以及ASIC客製與量產服務。芯原微電子銷售副總裁王銳表示，芯原目前已針對該領域累積了豐富的MCU客製及週邊類比、混合訊號IP平台、藍牙/Wi-Fi/EDGE/LTE連線性IP平台、低功耗SoC設計與量產以及SiP設計、模擬與量產的經驗，為客戶提供完整的一站式設計與量產服務。
除了自行研發外，不少半導體廠商還透過收購的方式加強佈局。2015年1月30日，芯科實驗室(Sillicon Labs)收購短距離無線網路連結解決方案和物聯網軟體供應商Bluegiga Technologies，這項策略性的收購大幅擴展了Silicon Labs在物聯網中無線網路硬體和軟體的解決方案。
去年3月，Sillicon Labs還收購了加州Touchstone Semiconductor全系列產品與 IP，透過收購強化了Silicon Labs在物聯網市場上的嵌入式產品陣容，包括節能MCU、無線產品和感測器。Silicon Labs亞太區資深現場市場經理陳雄基表示，目前公司重點佈局智慧家庭和穿戴領域，並且已經和不少知名企業攜手合作了。“Google之前收購的Nest內部溫控器就採用我們的Zigbee晶片。”
愛特梅爾(Atmel)微控制器業務資深產品行銷經理Andreas Eieland表示，Atmel為物聯網打造的產品線包括BLE、Wi-Fi和802.15.4解決方案及Atmel|SMART系列低功耗、高性能、基於ARM架構的MCU產品。產品廣泛適用於人機互動介面的高階產品SAM Q5系列，以及具有內建電容器式觸控感應、協議堆疊支援與加密功能的精巧SAM D系列產品。除了無線和MCU之外，Atmel還提供一系列硬體加密產品。“隨著互連互通的日益普及，不僅是安全問題，隱私問題的重要性也與日俱增。使用Atmel系列產品，用戶不僅可以得到互連體驗，還能夠在低功耗性能以及安全性方面得到更好的保障。”
對於低功耗性能，Atmel最近發佈了SAM L21系列的Atmel|SMART，基於Cortex-M0+供電MCU。SAM L21系列最高可提供256kB快閃記憶體和32kB靜態隨機記憶體，啟動模式僅耗能35uA/MHz， 而在休眠模式(關閉模式)大約耗能900nA。大容量快閃記憶體和靜態隨機記憶體以及超低耗電性能，將成為以電池驅動、執行大型(甚至多個)無線網路堆疊的應用不可或缺的功能。
產品定義方式改變
由於智慧硬體領域追求的並非更高性能，而是更低的功耗與成本，特別是針對可穿戴領域，更小的尺寸也非常重要。台積電(TSMC)中國區業務發展副總經理羅鎮球表示，高度整合的製程可以進一步降低成本和尺寸。“我們現在做的事就是把功耗降下來，整合度做好，功能做強。”他表示，針對智慧硬體市場，超低功耗、特殊製程整合、先進封裝三點缺一不可，台積電目前的智慧硬體產品涵蓋RF、嵌入式、快閃記憶體、邏輯與感測器等領域，主要集中在28、44、55nm製程。
相較傳統手機領域，智慧硬體領域IC追求更低功耗，傾向於更成熟的製程
聯華電子(UMC)副總經理王國雍表示，智慧硬體的產品定義方式也發生了變化，“有趣的是，我們第一次看到IC供應商在這個領域比較徬徨。”他表示，目前定義IC規格只有能夠提供巨量資料的系統服務商才比較清楚，這對IC設計公司提出了更大的挑戰。
羅鎮球對此表示，未來5~10年，整個半導體的產業鏈垂直整合會越來越多。代工廠不僅要和IC設計公司或IDM溝通，還要跟系統廠以及甚至更下游的客戶進行直接交流。Andreas Eieland也對此表示，為了適應物聯網/智慧硬體產品快速發展的需求，Atmel正廣泛與具備MEMS感測器和雲端連接解決方案等互補型技術的企業展開合作，以確保概念和上市產品之間彌合鴻溝
中芯國際(SMIC)市場部資深副總裁許天燊指出，過去針對手機領域，中國IC設計公司的設計訂單(Design in)較少，原因是應用處理器(AP)和基頻晶片都掌握在幾家大型企業手中，原因在於這個領域需要追求先進製程的投入，如14nm與16nm。他認為，如今，智慧硬體帶來可以‘彎道超車’的機會，就在於中國IC設計公司可以在成熟製程上下更多功夫，這點與國際大廠是站在同一起跑線上的。“智慧硬體的技術並不是新的，智慧型手機的各種技術和製程都可以拿來用。”
瓶頸與挑戰：硬體設計與商業模式
儘管智慧硬體主要採用成熟製程，但是半導體廠商仍將面臨巨大挑戰。王國雍認為，目前包括指紋辨識、RF IC與電源管理晶片(PMIC)等都需要8吋產線，加上整個手機產業從3G轉向4G，預計8吋廠產能不足的問題會越來越嚴重。“這是一個結構性的問題，我們從2013年開始發現這個趨勢，越往下看發現情況越嚴重。”
為了因應產能不足的挑戰，聯電已經開始擴充8吋廠產能，中芯國際位於深圳的8吋晶圓廠日前也正式投產，這是中國華南地區第一條投產的8吋產線，預計將在2015年年底達到至少2萬片/月產能，最終達到5萬片/月產能規模。
除了面臨產能不足的挑戰，智慧硬體的設計也比過去更加複雜。英特爾中國區線上業務部總經理王稚聰表示：“以往廠商只需要考慮獨立硬體系統的輸入輸出以及和環境與人之間的互動即可，而今任何一款硬體的首要考慮是一個獨立設備如何和人與環境互動共存。此外還要思考和網際網路/雲端是否能形成一個共同的商業模式。一切都得從整體去考慮在環境與場景中的情況。”他認為，由於消費者對產品外觀具有很強烈的情感色彩，因此傳統的硬體設計工程師必須攜手專精於產品功能與外觀設計的公司，才能呈現真正有魅力的產品。
從技術角度來看，目前智慧硬體的感測器也較專門且單純。王稚聰表示：“例如醫療領域的感測器，在人體沒有任何創傷的情況下，體表測量的訊號非常微弱，感測器必須具有特別精密的插分電路，在電路層中濾除雜訊，然後再轉成數位訊號進行後期處理，但這種感測器的成本也比較高。以前這種類型的感測器主要提供給醫院的儀器設備使用，但這種應用無法實現大量市場，比不上普通的消費性電子產品。”
此外，目前智慧硬體還缺乏產業鏈的合作以及靈活的商業模式。Andreas Eieland表示，目前智慧硬體最大的挑戰在於如何輕鬆地開發複雜系統，將創意快速轉換為產品。這也是為何許多智慧硬體投入市場還不到1年時間就已經過時的原因。Andreas Eieland認為，面對未來越來越靈活的硬體創新與業務模式，還有待全產業鏈共同去研究，推出真正有價值且有具體應用場合的產品。
展望未來，智慧硬體的產品型態與技術將呈現何種變化？王銳表示，智慧硬體將越來越傾向於表現‘感知與互連’的特色。硬體中將整合更多樣的感測與定位(包括室內定位和室外定位)，透過無線連接，擷取智慧型手機或網際網路雲端伺服器的強大軟體處理性能，為使用者提供更豐富的體驗和更便捷的服務。而智慧硬體的形態，也將呈現多樣化和分散化的局面。
王稚聰則表示，2015年的智慧硬體產品發展將呈現四大趨勢：首先，產品更貼近生活實際需求，更加簡單且易用；第二：軟硬結合更加徹底，體驗更完整。越來越多的網際網路廠商可能進軍智慧硬體領域，打造體驗更豐富的‘軟硬結合’產品；第三，人工智慧導入硬體實現真正的硬體智慧化；最後，硬體介面標準可能邁向統一，智慧硬體將成為標準化產品。
Andreas Eieland也表示，從2014年的發展來看，藍牙低功耗(BLE)技術逐漸發酵，最大的變化在於業界對無線連接的標準以及不同平台間互通性的關注度不斷提高。例如，Atmel在今年1月的CES展上推出SMART系列產品的藍牙低功耗收發器，以因應BLE 4.1日益成長的需求。“智慧硬體要真正取得成功，今後的任務就在於解決智慧建築物、產品規模與用電領域的挑戰。Atmel計劃透過針對Wi-Fi、藍牙和802.15.4的Atmel|SMART系列MCU、RF收發機以及具備靈活性、可擴展性和相容性的單晶片來因應這一挑戰。”
他認為，持續的產品整合、縮減尺寸和物料清單以及降低功耗是智慧硬體致勝的關鍵。擴大無線連線能力，以取代目前的有線自動化連接將是未來的一大發展趨勢。“如同Atmel所展開的行動——確保所有產品實現較長的使用壽命，對於在擁有較長設計週期和認證以及高達10年或以上使用壽命的市場中取得成功至關重要。”
孟樹認為，智慧硬體最重要的是雲端和人的互動，未來半導體廠商需要盡可能的協助客戶簡化這三個要素之間的互動。“在互連互通上，我們希望透過完整的開發平台提供通用的標準，實現完美的雲、人、端之間的互連與互動。”他重點介紹了該公司EZ-Connect IoT平台中的無線控制器晶片解決方案，即控制器+Wi-Fi+藍牙+ZigBee的整合型技術，幾乎涵蓋了所有目前智慧家庭、可穿戴領域市場的主流無線通訊方法，為開發者提供更大的想像空間。
他認為，在智慧家庭領域，Wi-FI會是焦點，但並非無所不能。Wi-Fi雖然可以支援高頻寬的應用，但相對的成本會比較高，功耗也比較高。相對於Wi-Fi而言，ZigBee較為標準化，雖然不同廠商之間的建置方案可能有所差異，但在Profile的定義上仍較完善。所以它更容易在一些特定領域，如智慧照明、LED照明方面開啟更多應用，而且預計在未來1-2年看到爆發性的成長。“相較於Wi-Fi與藍牙，ZigBee還有一個重要的優勢，即支援網格(mesh)，組網能力更強，可支援多台設備或資訊接取節點，更適合未來家庭應用。”
Marvell提供完整的無線連接解決方案
智慧硬體的利基市場
由於智慧硬體涉及的範圍廣泛，產業細分和分散化較嚴重。對於半導體廠商來說，想要更有針對性地開發產品，就必須更準確地預測可能會爆發的應用市場。王稚聰更看好互補型的工業應用市場，如工業、醫療、健康與教育等。例如針對醫療領域，他認為目前的硬體和軟體技術並不是問題所在，未來必須改善的是整體醫療服務體系的軟環境。
Andreas Eieland則看好智慧照明、改善空調條件以及加強建築物控制等。他同時認為，越來越多的小型企業將尋求與市場中大型廠商的相容性，從而進入相關市場以及整個產業生態系統，包括飛利浦(Philips)的Friends of Hue、蘋果(Apple)的MFi認證、Google的Thread聯盟、英特爾主導的開放互連聯盟(OIC)、ARM針對IoT的mBed等。在此之前，小米(Mi)、三星(Samsung)和蘋果已經從諾基亞(Nokia)、摩托羅拉(Motorola)、愛立信(Ericsson)、BlackBerry和Sony等手中陸續奪走了整個智慧型手機市場。其中，小米以及中國的網際網路公司正透過資本和聯盟的方式大舉進入智慧硬體領域。
Andreas Eieland表示，“歷史將會重演，在硬體市場中取得成功的新一代企業將再次取代目前的大型企業，或者至少彌補其市場中的部份空白。”
資料來源:電子工程專輯
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