眾所周知,智慧感測器技術是發展工業網際網路、物聯網(IoT)、車聯網和工業大數據的關鍵,不僅是人工智慧(AI)產業的核心,也是未來智慧時代的基礎,它與通訊技術和電腦技術構成資訊產業的三大支柱。

正如行動網際網路市場推動半導體產業重大發展一樣,感測器產業也極大地受益於物聯網市場的擴張。

最新研究報告顯示,全球物聯網感測器市場預計將在2018年至2023年間保持33.6%的年複合成長率(CAGR),整個市場收入規模將從52.8億美元猛增至224.8億美元。

業界預測,隨著物聯網產業發展,未來10年,物聯網感測器市場規模將增加逾300%。北美地區目前依然是物聯網感測器的最大市場。不過,憑藉著在工業生產、城市建設以及消費終端的物聯網推廣應用,亞太地區感測器市場被認為將在2018年至2023年間保持最高的CAGR成長。

伴隨著資訊化飛速發展,許多國家也將感測器技術列為重點突破的領域。中國感測器與物聯網產業聯盟日前舉辦「2019全球感測器產業高峰論壇」,針對智慧感測器的產業生態、先進的感測器技術及其市場應用分享觀點。

感測器尚未到位 穿戴裝置退燒

市場上智慧型手機數量龐大,大約有15~20億部,每部手機使用十幾顆感測器,可以說智慧型手機是目前感測器最大的一個市場。中國國家智慧感測器創新中心副總裁朱佳騏在演講中表示,「手機在感知技術方面不斷創新,人機互動、3D辨識技術也不斷進步。相形之下,穿戴式裝置較七、八年前卻有一些降溫,這是因為感測器的發展沒有到位。」

「MCU、藍牙技術已經相對成熟,如果手錶或穿戴式裝置可以對血糖或血壓進行即時監控,一定會引起用戶感興趣。但是現在沒有哪個廠商能做到這一點,導致熱度下降。」

「智慧音箱去年全球出貨量超過一億,每個音箱都包含多種感測器,其中有6顆聲學感測器,再配合一些處理演算法,就成了爆款,」朱佳騏強調,「消費是推動感測器發展的一個重要力量。」

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自動駕駛就是各種感測器的整合,配合強大的AI演算法和運算能力得以實現。朱佳騏認為,中國的汽車製造商沒有傳統汽車的核心技術,因為製造引擎的傳統製程需要長時間的累積。而能源汽車提供了一個新的平台,很多感測器可以直接整合在上面,如毫米波雷達、光達,包括紅外線超音波等感測器,這是一個很好的機遇。

朱佳騏提到了MEMS感測器在中國的地域特徵:目前長三角是感測器研發中心,50%的感測器相關企業落戶在長三角,珠三角是應用中心,渤海灣包括西部地區則擁有較強的科研力量。

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朱佳騏最後說,中國感測器產業還面臨下面一些問題:

  1. 感測器產業規模小,自主創新困難。大部分感測器企業剛起步,現在國內還沒有一家能夠進入大品牌或旗艦級別的供應鏈。
  2. 市場跨度太,各類繁多。產業化效率低,配套不足。
  3. 資本不積極,缺乏長期戰略投資。
  4. 2014年大基金成立之前資本不積極,現在因為國家的推動,有很大改善。

感測器的本質是「運算+智慧」

「感測器離不開兩樣技術:一種是通用運算技術,另一種是智慧。」Wave Computing中國區總經理熊大鵬在「從雲端到邊緣的深度學習平台」主題演講中這樣說。

熊大鵬認為,當前主流的AI晶片分為三個技術流派:

第一類是CPU、GPU和FPGA。這一流派具有一定的通用性,但效率相對較低,實際能效易遇到瓶頸。

第二類是專用晶片ASIC,這種方案的優勢在於對特定應用能顯著提高能效比,缺點是通用性不足。

第三類是軟體可動態重配置運算(或者說「軟體定義硬體」)。這類技術透過軟體即時動態地控制成千上萬個非同步的處理器來構成具有特定功能的、平行處理的、資料驅動的運算流水線,最充份使用晶片的運算能力,最大程度減少資料儲存、傳輸和交換,實現較好的效率、通用性和可擴展性。

Wave Computing提出的「資料流程架構」便屬於第三類。

「目前應用較多的傳統CPU+GPU架構有非常好的生態,但在應用上有一定的局限性,GPU只有20%~30%的使用率。」然而,熊大鵬說,「Wave資料流程架構的DPU則可達到80%甚至更高的使用率。」

熊大鵬說:「Wave Computing將MIPS通用運算技術跟深度學習特有的資料流程驅動技術融合在一起,在既包括軟體又包括硬體的同一個平台上支援通用運算跟深度學習加速的運算。」

值得一提的是,Wave Computing於去年6月收購MIPS公司,去年12月宣佈開放MIPS架構(ISA),為所有參與者免費提供最新的32位元和64位元MIPS架構,且不產生架構授權費和版權費,同時也為所有MIPS架構的使用者提供其在全球範圍內幾百項現有專利的保護。MIPS的開源鼓勵了更多的公司基於MIPS進行開發,產業出現更多基於MIPS架構的IP以及更多基於CPU、SoC、模組/模組的應用。

熊大鵬以「我們的願景是AI for all。一個平台能做大事,也能做小事,能做通用運算,也能做AI相關處理」結束了演講。

MEMS感測器解決家電應用的「痛點」

用於資料擷取和處理的微機電系統(MEMS)是一個從3D陀螺儀、加速度計、磁力計和振盪器,到用於熱、壓力、濕度以及其它感測元件的龐大感測器品項。

最早的MEMS感測器是壓阻式壓力和應變感測器,主要用於航空航太和工業應用,但是多年來市場規模相對較小。如今的MEMS感測器令人眼花繚亂,從奈米級的原子力顯微鏡針尖到具有數百萬個可移動鏡的數位光投影儀晶片。MEMS可用於噴墨印表機噴嘴、醫療診斷的微流體系統,以及行動裝置中的麥克風、加速度計、陀螺儀,振盪器和電子FBAR濾波器。MEMS溫度、濕度感測器可用於環境條件的檢測,MEMS加速度計可用來監測工業設備的振動和旋轉速度。

專注MEMS環境感測器研發與製造的廣州奧松電子,由於跟家電產業合作密切,該公司CTO鄭曉銀在2019全球感測器產業高峰論壇上分享他提出的MEMS感測器促使家電實現的六化:即預知化、感知化、傻瓜化、智慧化、節能化、人性化。

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在家電應用中通常有一些痛點。例如,冰箱的異味一直是困擾大家的問題,鄭曉銀舉例說,透過氣味感測器感知冰箱內部的一些氣味變化量,回饋給主控台,可以即時監控冰箱內部的特殊的氣味變化量。主控根據氣味感測器的回饋資料,然後定期控制除味模組,當除到一定量級時,能自動停止,實現智慧化控制。

如今全球MEMS器件的市場規模每年已超過200億美元,還有許多產品尚未上市,包括MEMS揚聲器、GHz範圍內的可調諧電子濾波器、可變天線調諧器、MEMS開關、用於空氣微粒的MEMS感測器、相機中基於MEMS的自動聚焦和變焦致動器,以及用於自動駕駛車輛的LiDAR掃描器以及能量採集晶片對於物聯網的應用。