就像Pebble手表、Fitbit手環(huán)和谷歌眼鏡一樣，將于本月底正式上市的蘋果手表(AppleWatch)重燃人們對(duì)于可穿戴市場(chǎng)的期望。市場(chǎng)預(yù)測(cè)蘋果手表將熱賣，這將使物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展上一個(gè)新臺(tái)階。

但是物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品目前還面臨很多困擾。所有的物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品都面臨一堆相近的問題：由于電池續(xù)航能力限制，設(shè)備需要包含哪些功能?這些設(shè)備的續(xù)航能力如此之短，必然要對(duì)其功能進(jìn)行取舍，那么由于功耗限制而不得不去掉一些功能以后，產(chǎn)品究竟是否還實(shí)用?由于待機(jī)和工作模式產(chǎn)生的漏電流所導(dǎo)致的散熱如何處理?散熱問題在可穿戴設(shè)備上尤其突出。最后究竟花多少成本(從財(cái)力和技術(shù)兩方面)才能使上述問題得到解決。

通常情況下，如果產(chǎn)品有重大問題，在上市之前就要把問題解決掉。但是可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)卻有些特殊，可穿戴產(chǎn)品常常在上市的時(shí)候還在解問題，甚至上市以后才把問題解掉。面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和競(jìng)爭(zhēng)激烈的可穿戴市場(chǎng)高成長(zhǎng)的誘惑，很多公司急于把產(chǎn)品在最短的時(shí)間推向市場(chǎng)，不管產(chǎn)品是否存在嚴(yán)重問題。它們也只能期望問題可以在現(xiàn)場(chǎng)或者下一版產(chǎn)品中解決掉。

可穿戴產(chǎn)品并不簡(jiǎn)單

要將可穿戴產(chǎn)品帶出困境當(dāng)然不簡(jiǎn)單，涉及到技術(shù)、工藝、經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)的方方面面。除非上述問題解決掉，可穿戴產(chǎn)品要么調(diào)整市場(chǎng)預(yù)期，要么限制產(chǎn)品的功能，要么需要對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)在的架構(gòu)進(jìn)行重大改進(jìn)，否則只有死路一條。

功耗是可穿戴產(chǎn)品痛點(diǎn)中的痛點(diǎn)，蘋果公司在這方面投入了巨大的人力物力，最近也不斷在延攬電池領(lǐng)域的人才，但是蘋果手表的續(xù)航能力也不足一天，而且這還是限制使用的情況下得到的數(shù)據(jù)。如果重度使用，則只有幾個(gè)小時(shí)。

那么為何可穿戴產(chǎn)品功耗問題如此突出呢?是什么原因造成了可穿戴產(chǎn)品功耗難以滿足實(shí)際使用需求呢?

第一個(gè)原因是無線通信功能所產(chǎn)生的功耗，無線通信功能是任何移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)。

“不管是手表還是其他可穿戴產(chǎn)品，我們會(huì)有越來越多的產(chǎn)品采用無線的方式連接通信，而射頻部分消耗了大量的電量。”Synopsys高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理MikeTompson說，“可穿戴產(chǎn)品需要有射頻電路、天線和顯示屏來實(shí)現(xiàn)通信及提供用戶交互接口，把所有這些東西放在一個(gè)系統(tǒng)里，又要使功耗在可接受范圍內(nèi)，不是一件容易事。”

無線通信是可穿戴產(chǎn)品的基本功能之一，但是無線通信功能也大大增加了可穿戴產(chǎn)品的功耗。

MikeTompson認(rèn)為對(duì)于多功能的智能手表，在與外界正常通信的情況下，目前的電池續(xù)航時(shí)間上限是25至30小時(shí)。根據(jù)可穿戴設(shè)備與外界通信的頻率和持續(xù)時(shí)間、天線效率、無線信號(hào)強(qiáng)度、收發(fā)數(shù)據(jù)量，電池續(xù)航時(shí)間可以進(jìn)一步優(yōu)化，當(dāng)然可穿戴產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景如果優(yōu)化地不夠好，續(xù)航時(shí)間可能只有12個(gè)小時(shí)，在執(zhí)行一些重度計(jì)算任務(wù)時(shí)，續(xù)航時(shí)間可能只有幾個(gè)小時(shí)。

“不管數(shù)據(jù)怎么收集，這些數(shù)據(jù)大多要通過某種射頻技術(shù)發(fā)送到外面去，這就意味著你的設(shè)備必須至少有一組射頻電路在工作，”MentorGraphics負(fù)責(zé)新風(fēng)險(xiǎn)投資項(xiàng)目的副總裁SergeLeef說，“如果再考慮產(chǎn)品與用戶的交互，則需要一個(gè)顯示屏，這又增加了產(chǎn)品的功耗。”

漏電流是可穿戴產(chǎn)品功耗過大的另一個(gè)元兇，也是所有移動(dòng)設(shè)備所面臨的難題之一。

隨著產(chǎn)品尺寸的不斷減小，可穿戴產(chǎn)品在漏電流方面遇到的挑戰(zhàn)在不斷增大。漏電流以熱的形式散發(fā)出去，隨著半導(dǎo)體工藝制程向前不斷演進(jìn)，漏電流問題越來越嚴(yán)重，減少漏電流的方法也越來越少。

現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的主流工藝節(jié)點(diǎn)是65/55/40nm，越先進(jìn)的制程，待機(jī)模式的漏電流越高。業(yè)界正在花大力氣想辦法來降低漏電流，在物聯(lián)網(wǎng)主流工藝節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上開發(fā)的低功耗工藝(LP processes)，以及最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)例如28nm的FD-SOI工藝和finFET工藝，都把降低漏電流作為一個(gè)重要的考慮，廠商在選擇工藝時(shí)需要從性能和功耗方面進(jìn)行權(quán)衡。28nm的FD-SOI性能不如16/14nm的finFET高，但是由于不需要制作鰭式晶體管(finFET)，而且掩膜不需要兩次曝光技術(shù)(double patterning)，所以成本更低。使用16/14nm工藝的器件速度更快，不過設(shè)計(jì)難度增加，電流密度也變高了。相比舊工藝(例如180nm，90nm。譯者注)，使用65/55/45nm工藝開發(fā)的產(chǎn)品單價(jià)更低，但是漏電流更大，所以需要使用更復(fù)雜的電源管理技術(shù)才能降低待機(jī)功耗。

工藝越先進(jìn)，漏電流越難處理

“工藝不斷向前，”恩智浦控制器國際產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Gordon Cooper說，“運(yùn)行功耗更低了，但是漏電流增加。用戶在制程進(jìn)化過程中得到的好處并沒用預(yù)期的那么多。”

傳感器融合是降低系統(tǒng)功耗的方法之一。使用低功耗的傳感器，采用ARM小-大(big.LITTLE)結(jié)構(gòu)多核處理器將任務(wù)分類處理，收發(fā)郵件和網(wǎng)絡(luò)瀏覽等比較簡(jiǎn)單的任務(wù)由小核來處理，而視頻處理等重度計(jì)算任務(wù)則交給大核來處理。“舉例來說，在運(yùn)行模式(active power mode)，一個(gè)核會(huì)運(yùn)行在100MHz而另外一個(gè)核會(huì)運(yùn)行在50MHz，任務(wù)可以在不同核之間切換。”Cooper說。

SiliconLabs物聯(lián)網(wǎng)無線產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)GregFyke則表示，對(duì)于高端設(shè)備來說，異核結(jié)構(gòu)(heterogeneous core)會(huì)非常有效率，但是他也注意到，一些低端產(chǎn)品通常只用一個(gè)單核微控制器來完成所有的任務(wù)。“這種架構(gòu)選擇并未不是總能得到重視，但是它們(選擇不同架構(gòu)對(duì)于功耗)的作用正在開始體現(xiàn)。”GregFyke說。

功耗方面遇到麻煩的第三個(gè)原因是電池技術(shù)。

相對(duì)于電源管理技術(shù)進(jìn)步帶來的電源效率提升，電池技術(shù)的進(jìn)展非常緩慢。不過現(xiàn)在全球很多大學(xué)都在研究電池技術(shù)，希望能夠降低電池生產(chǎn)成本、采用能量收集(energy harvesting)技術(shù)來提高充電效率等。這些技術(shù)會(huì)給新能源汽車和很多移動(dòng)設(shè)備帶來巨變，但是對(duì)可穿戴設(shè)備的影響很小，因?yàn)榭纱┐麟姵爻叽绾椭亓慷继×恕?/p>

殺手級(jí)應(yīng)用與折中

可穿戴產(chǎn)品在軟件上面同樣面臨問題，現(xiàn)在沒有一款設(shè)備具備真正的殺手級(jí)應(yīng)用，不具有被消費(fèi)者認(rèn)為必須要擁有的功能。

“可穿戴產(chǎn)品的關(guān)鍵是低功耗，所以過去多年業(yè)界在低功耗設(shè)計(jì)上的積累對(duì)于可穿戴產(chǎn)品也是有借鑒意義的，”Mentor的Leef說，“但是，現(xiàn)在如果需要加上明亮的彩色顯示屏，那么會(huì)在電池續(xù)航方面遇到挑戰(zhàn)。安裝在病人身體里的心臟起搏器/除顫器(pacemaker/defibrillator)，使用一顆電池就能夠工作12到15年，所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)低功耗系統(tǒng)并不是什么新鮮事。當(dāng)然心臟起搏器/除顫器沒有射頻電路，也沒有顯示屏。可穿戴產(chǎn)品引人注目的一點(diǎn)是它可以實(shí)時(shí)刷新傳感器讀回來的數(shù)據(jù)。(為降低功耗)處理器需采用低級(jí)別活動(dòng)(low-level processor activity)來讀取數(shù)據(jù)。”

可穿戴產(chǎn)品還在等待殺手級(jí)應(yīng)用

從另外一個(gè)角度來看，可穿戴產(chǎn)品面臨非常大的成本壓力，因?yàn)榇蠖鄶?shù)可穿戴產(chǎn)品是賣到消費(fèi)電子市場(chǎng)的，比如中國。得益于中央政府的強(qiáng)力支持，中國領(lǐng)先歐洲和美國一兩年就開始接受物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品。

可穿戴市場(chǎng)上市時(shí)間快固然重要，但是僅上市快還不能保證能成功。要獲得成功，廠商需要在幾個(gè)方面取得很好的平衡，廠商要在壓縮設(shè)計(jì)開發(fā)流程(包括封裝、平臺(tái)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)IP的選擇)的成本與在較短的上市時(shí)間窗口完成開發(fā)工作之間取得平衡，還需要做足夠多的定制化工作以體現(xiàn)差異性，并深度優(yōu)化電源管理以使產(chǎn)品有實(shí)用價(jià)值。現(xiàn)在廠商在開發(fā)一款新的可穿戴設(shè)備時(shí)，需要考慮的問題是：“根據(jù)這些功能規(guī)格，電池續(xù)航能力多長(zhǎng)?”

可穿戴產(chǎn)品要做得好，折中是一門大學(xué)問

“可穿戴設(shè)備最重要的就是電源管理，”燦芯半導(dǎo)體總裁兼CEO職春星說，“如果可穿戴設(shè)備每周充一次，(續(xù)航能力，譯者注)就不是問題。如果某設(shè)備使用的頻率非常低，那么該設(shè)備電池續(xù)航能力設(shè)計(jì)成三個(gè)月也不難。但是現(xiàn)在可穿戴產(chǎn)品還沒有殺手級(jí)應(yīng)用。”

如何破局?

站在產(chǎn)品幕后的IP供應(yīng)商也希望最終能夠幫助系統(tǒng)廠商找到真正的殺手級(jí)應(yīng)用，健康應(yīng)用或是最有可能的方向之一，使用生物傳感器采集人體數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)在可穿戴設(shè)備本身處理，其余數(shù)據(jù)傳送到其他設(shè)備或者云端處理。三星去年開始在數(shù)字健康(digitalhealth)上面投入了大量資源，即將上市的蘋果手表也聚焦于健康應(yīng)用。

健康應(yīng)用方面能出現(xiàn)拯救可穿戴產(chǎn)品的殺手級(jí)應(yīng)用嗎?

可穿戴產(chǎn)品形式多樣，一款產(chǎn)品采用的硬件和軟件組裝起來可能各不相同，但是IP模塊和存儲(chǔ)器卻往往是通用的。越來越多的廠商希望采用硬核IP(hardIP)，這種硬IP集成了音視頻和動(dòng)作傳感器，是一個(gè)完整的子系統(tǒng)。

“我們已經(jīng)在增加我們硬核IP的種類以提供客戶更多的選擇，”Cadence負(fù)責(zé)IP業(yè)務(wù)的高級(jí)副總裁MartinLund說。

ARM也提供一系列的微控制器以供可穿戴設(shè)備或者對(duì)功耗要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合使用。

“ARM在降低功耗方面的成就無可挑剔，ARM的軟件開發(fā)環(huán)境非常好，很多工程師知道使用ARM來進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)軟件。”Mentor的Leef說，“如果我有一家做可穿戴設(shè)備的初創(chuàng)型公司，而且資金充裕，那么我一定選擇ARM方案。但是一些資金緊張的初創(chuàng)型公司則可能只能選擇更成熟的處理器芯片，比如8051，雖然8051在功耗表現(xiàn)上不夠好，但是一般情況下還是夠用的。可穿戴產(chǎn)品面臨的功耗問題實(shí)際上是因?yàn)樗胁糠止δ苁冀K工作，此外通信、傳感器和顯示等也降低了可穿戴設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。心臟起搏器上的電池可以用12年，但是并不表示它可以工作12年，工作狀態(tài)下，心臟起搏器的電池只能工作一天。”