可穿戴的困兽之斗：这个杀手不曾来

就像Pebble手表、Fitbit手环和谷歌眼镜一样，将于本月底正式上市的苹果手表(AppleWatch)重燃人们对于可穿戴市场的期望。市场预测苹果手表将热卖，这将使物联网、可穿戴产品的发展上一个新台阶。

但是物联网、可穿戴产品目前还面临很多困扰。所有的物联网、可穿戴产品都面临一堆相近的问题：由于电池续航能力限制，设备需要包含哪些功能?这些设备的续航能力如此之短，必然要对其功能进行取舍，那么由于功耗限制而不得不去掉一些功能以后，产品究竟是否还实用?由于待机和工作模式产生的漏电流所导致的散热如何处理?散热问题在可穿戴设备上尤其突出。最后究竟花多少成本(从财力和技术两方面)才能使上述问题得到解决。

通常情况下，如果产品有重大问题，在上市之前就要把问题解决掉。但是可穿戴产品市场却有些特殊，可穿戴产品常常在上市的时候还在解问题，甚至上市以后才把问题解掉。面对物联网和竞争激烈的可穿戴市场高成长的诱惑，很多公司急于把产品在最短的时间推向市场，不管产品是否存在严重问题。它们也只能期望问题可以在现场或者下一版产品中解决掉。

可穿戴产品并不简单

要将可穿戴产品带出困境当然不简单，涉及到技术、工艺、经济和市场的方方面面。除非上述问题解决掉，可穿戴产品要么调整市场预期，要么限制产品的功能，要么需要对产品现在的架构进行重大改进，否则只有死路一条。

功耗是可穿戴产品痛点中的痛点，苹果公司在这方面投入了巨大的人力物力，最近也不断在延揽电池领域的人才，但是苹果手表的续航能力也不足一天，而且这还是限制使用的情况下得到的数据。如果重度使用，则只有几个小时。

那么为何可穿戴产品功耗问题如此突出呢?是什么原因造成了可穿戴产品功耗难以满足实际使用需求呢?

第一个原因是无线通信功能所产生的功耗，无线通信功能是任何移动物联网设备的基础。

“不管是手表还是其他可穿戴产品，我们会有越来越多的产品采用无线的方式连接通信，而射频部分消耗了大量的电量。”Synopsys高级产品市场经理MikeTompson说，“可穿戴产品需要有射频电路、天线和显示屏来实现通信及提供用户交互接口，把所有这些东西放在一个系统里，又要使功耗在可接受范围内，不是一件容易事。”

无线通信是可穿戴产品的基本功能之一，但是无线通信功能也大大增加了可穿戴产品的功耗。

MikeTompson认为对于多功能的智能手表，在与外界正常通信的情况下，目前的电池续航时间上限是25至30小时。根据可穿戴设备与外界通信的频率和持续时间、天线效率、无线信号强度、收发数据量，电池续航时间可以进一步优化，当然可穿戴产品的应用场景如果优化地不够好，续航时间可能只有12个小时，在执行一些重度计算任务时，续航时间可能只有几个小时。

“不管数据怎么收集，这些数据大多要通过某种射频技术发送到外面去，这就意味着你的设备必须至少有一组射频电路在工作，”MentorGraphics负责新风险投资项目的副总裁SergeLeef说，“如果再考虑产品与用户的交互，则需要一个显示屏，这又增加了产品的功耗。”

漏电流是可穿戴产品功耗过大的另一个元凶，也是所有移动设备所面临的难题之一。

随着产品尺寸的不断减小，可穿戴产品在漏电流方面遇到的挑战在不断增大。漏电流以热的形式散发出去，随着半导体工艺制程向前不断演进，漏电流问题越来越严重，减少漏电流的方法也越来越少。

现在物联网产品的主流工艺节点是65/55/40nm，越先进的制程，待机模式的漏电流越高。业界正在花大力气想办法来降低漏电流，在物联网主流工艺节点基础上开发的低功耗工艺(LP processes)，以及最先进的工艺节点例如28nm的FD-SOI工艺和finFET工艺，都把降低漏电流作为一个重要的考虑，厂商在选择工艺时需要从性能和功耗方面进行权衡。28nm的FD-SOI性能不如16/14nm的finFET高，但是由于不需要制作鳍式晶体管(finFET)，而且掩膜不需要两次曝光技术(double patterning)，所以成本更低。使用16/14nm工艺的器件速度更快，不过设计难度增加，电流密度也变高了。相比旧工艺(例如180nm，90nm。译者注)，使用65/55/45nm工艺开发的产品单价更低，但是漏电流更大，所以需要使用更复杂的电源管理技术才能降低待机功耗。

工艺越先进，漏电流越难处理

“工艺不断向前，”恩智浦控制器国际产品市场经理Gordon Cooper说，“运行功耗更低了，但是漏电流增加。用户在制程进化过程中得到的好处并没用预期的那么多。”

传感器融合是降低系统功耗的方法之一。使用低功耗的传感器，采用ARM小-大(big.LITTLE)结构多核处理器将任务分类处理，收发邮件和网络浏览等比较简单的任务由小核来处理，而视频处理等重度计算任务则交给大核来处理。“举例来说，在运行模式(active power mode)，一个核会运行在100MHz而另外一个核会运行在50MHz，任务可以在不同核之间切换。”Cooper说。

SiliconLabs物联网无线产品市场总监GregFyke则表示，对于高端设备来说，异核结构(heterogeneous core)会非常有效率，但是他也注意到，一些低端产品通常只用一个单核微控制器来完成所有的任务。“这种架构选择并未不是总能得到重视，但是它们(选择不同架构对于功耗)的作用正在开始体现。”GregFyke说。

功耗方面遇到麻烦的第三个原因是电池技术。

相对于电源管理技术进步带来的电源效率提升，电池技术的进展非常缓慢。不过现在全球很多大学都在研究电池技术，希望能够降低电池生产成本、采用能量收集(energy harvesting)技术来提高充电效率等。这些技术会给新能源汽车和很多移动设备带来巨变，但是对可穿戴设备的影响很小，因为可穿戴电池尺寸和重量都太小了。

杀手级应用与折中

可穿戴产品在软件上面同样面临问题，现在没有一款设备具备真正的杀手级应用，不具有被消费者认为必须要拥有的功能。

“可穿戴产品的关键是低功耗，所以过去多年业界在低功耗设计上的积累对于可穿戴产品也是有借鉴意义的，”Mentor的Leef说，“但是，现在如果需要加上明亮的彩色显示屏，那么会在电池续航方面遇到挑战。安装在病人身体里的心脏起搏器/除颤器(pacemaker/defibrillator)，使用一颗电池就能够工作12到15年，所以设计生产低功耗系统并不是什么新鲜事。当然心脏起搏器/除颤器没有射频电路，也没有显示屏。可穿戴产品引人注目的一点是它可以实时刷新传感器读回来的数据。(为降低功耗)处理器需采用低级别活动(low-level processor activity)来读取数据。”

可穿戴产品还在等待杀手级应用

从另外一个角度来看，可穿戴产品面临非常大的成本压力，因为大多数可穿戴产品是卖到消费电子市场的，比如中国。得益于中央政府的强力支持，中国领先欧洲和美国一两年就开始接受物联网、可穿戴产品。

可穿戴市场上市时间快固然重要，但是仅上市快还不能保证能成功。要获得成功，厂商需要在几个方面取得很好的平衡，厂商要在压缩设计开发流程(包括封装、平台技术和标准IP的选择)的成本与在较短的上市时间窗口完成开发工作之间取得平衡，还需要做足够多的定制化工作以体现差异性，并深度优化电源管理以使产品有实用价值。现在厂商在开发一款新的可穿戴设备时，需要考虑的问题是：“根据这些功能规格，电池续航能力多长?”

可穿戴产品要做得好，折中是一门大学问

“可穿戴设备最重要的就是电源管理，”灿芯半导体总裁兼CEO职春星说，“如果可穿戴设备每周充一次，(续航能力，译者注)就不是问题。如果某设备使用的频率非常低，那么该设备电池续航能力设计成三个月也不难。但是现在可穿戴产品还没有杀手级应用。”

如何破局?

站在产品幕后的IP供应商也希望最终能够帮助系统厂商找到真正的杀手级应用，健康应用或是最有可能的方向之一，使用生物传感器采集人体数据，部分数据在可穿戴设备本身处理，其余数据传送到其他设备或者云端处理。三星去年开始在数字健康(digitalhealth)上面投入了大量资源，即将上市的苹果手表也聚焦于健康应用。

健康应用方面能出现拯救可穿戴产品的杀手级应用吗?

可穿戴产品形式多样，一款产品采用的硬件和软件组装起来可能各不相同，但是IP模块和存储器却往往是通用的。越来越多的厂商希望采用硬核IP(hardIP)，这种硬IP集成了音视频和动作传感器，是一个完整的子系统。

“我们已经在增加我们硬核IP的种类以提供客户更多的选择，”Cadence负责IP业务的高级副总裁MartinLund说。

ARM也提供一系列的微控制器以供可穿戴设备或者对功耗要求不高的应用场合使用。

“ARM在降低功耗方面的成就无可挑剔，ARM的软件开发环境非常好，很多工程师知道使用ARM来进行设计和开发软件。”Mentor的Leef说，“如果我有一家做可穿戴设备的初创型公司，而且资金充裕，那么我一定选择ARM方案。但是一些资金紧张的初创型公司则可能只能选择更成熟的处理器芯片，比如8051，虽然8051在功耗表现上不够好，但是一般情况下还是够用的。可穿戴产品面临的功耗问题实际上是因为它有部分功能始终工作，此外通信、传感器和显示等也降低了可穿戴设备的续航时间。心脏起搏器上的电池可以用12年，但是并不表示它可以工作12年，工作状态下，心脏起搏器的电池只能工作一天。”