IoT 利用科技將實體物品連接到網路。電子元件的大小(和費用)需要支持 其功能性,例如感應、追蹤和控制機制,在廣泛採用 IoT 的各種行業應用中扮演 了重要的角色。在半導體行業的進展一直很激烈,業界一直保持每兩年加倍摩爾 定律的晶體管密度。
於 2000 年,技術發展狀態是 1000 奈米(nm),但 2010 至 2011 年,該工業 轉移到商用系統級晶片(SoC)晶片解決方案,利用 28 至 45 奈米光刻技術實現 了 2-3 晶片組件,可以整合能處理數位訊號的無線電收發器、基頻微晶片或圖形 加速器。這裡有許多應用,例如遠程醫療和環境監測需要這些合成晶片組,不僅 是因為體積小,並且可隱藏和充當”小型”電腦來感應實體物品。 幸運的是,
多年來設備小型化已快速實現,且每個晶片的晶體管數量也呈倍數增加,(圖 2.11)。
圖 2.11 摩爾定律
(來源:http://mentalfloss.com/article/22332/was-moores-law-inevitable)
現今,晶元晶片製造技術是由平面金屬氧化物半導體場效應晶體(MOSFET)
技術主要在推動。 在晶片設計和結構等領域的進展,已經允許半導體工業降低 生產晶體管的尺寸、密度和成本。像光刻、度量衡學和奈米技術被使用(和探索)
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來大幅提高單晶片上晶體管的數量。 例如,半導體製造過程也從 2010 年的 32 奈米節點提升到 2011 年的 22 奈米節點,2013 的 16 奈米到 2015 年邁向 11 奈米
(見圖 2.3)。 Intel9 在 2012 年 4 月正式推出,是全球第一款商用微處理器-以 22 奈米與 3D 三柵極電晶體製程製造的版本。這種 22 奈米晶片比之前的晶體 管還能夠適應超過 29 億個晶體管,能提升 37%性能、降低超過 50%的功耗。
圖 2.12 半導體設備製造的發展趨勢
(來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication)
正如晶片的尺寸越來越小,感應組件的成本也下降到變得更實惠。 Gartner 公司預測,大多數科技元件,如收音機、無線網路、感應器和全球定位系統(GPS),
將在 2010 年至 2015 年,成本下降 15%至 45%(見圖 2.5)。為了說明這一點,
我們用較便宜的溫度感應器舉例,由於易腐產品橫跨了供應鏈,冷鏈零售商會考 慮部署多個溫度感應器來監測他們的易腐產品。
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圖 2.13 技術元件成本下降
(來源:: http://www.gartner.com/id=1839420)
隨著尺寸的縮小和技術元件成本的下降,企業未來一到三年將在推行 IoT 中,
看到更小的成本以及更大的機會。
一、無線射頻識別(RFID)
無線射頻識別(RFID)技術對 IoT 特別的重要,因為 IoT 在產業中第一個實 現的應用是使用 RFID 技術來追踪與監控在物流和供應鏈行業中的商品。 RFID 頻段範圍從 125 千赫(低頻/ LF)到高達 5.8 GHz 的/超高頻(SHF),此標籤至 少有三個基本元件:
(一) 晶片包含有關對象的資訊並經由無線空中媒介將數據傳送到讀取器。
(二) 天線允許訊息從讀取器傳輸。
(三) 包裝包住晶片和天線,並允許標籤附著到物體進行識別。
現今,一維(ID)條碼在供應鏈和其他行業有明顯的貢獻,如資產管理。 二 維(2D)條碼提供了更豐富的數據來源,但是列印技術卻沒有跟上時代。 RFID 能在其環境中永久地蒐集和處理數據,證明為產品鑑定的下一個技術。 許多垂
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直行業,特別是在物流和供應鏈,持續使用 RFID 作為標籤解決方案,以提高他 們的追踪和監測過程。
放眼未來,RFID 在提供數據流具有潛力,能即時提供特定項目的數據給資訊 系 統 , 並 且 具 有 靈 活 性 來 放 置 在 極 小 的 空 間 和 位 置 上 , 例 如 線 圈 晶 片 (coil-on-chip)的技術。 隨著技術的發展,像是晶片設計、能源使用和保存、
射頻技術和製造、RFID 新的使用方式應用將會出現,如自動抄表,遠程家庭自
(340 trillion trilliontrillion)個獨立的 IPv6 地址,讓網路繼續發展及創 新。 由於連接的設備(500 億)的數量龐大,IPv6 可能會被用來代表所有這些 取(HSPA)技術的通用移動通訊系統(UMTS)來提高吞吐量和降低延遲。HSPA 一班 被稱作”3G”,顯示出我們的力量和永遠在線的潛力,任何地點的網路連接已經 引發一波大規模跨越設備和應用的產業創新。
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隨著科技趨勢轉移導向提供更快的數據傳輸率和更低的延遲連接,第三代合 作夥伴計劃(3GPP)標準機構制訂了一系列的改進來強化 HSPA 演進,也被稱 作”HSPA+”。 HSPA 演進代表寬頻分碼多重存取(WCDMA)的一個合理的發展,並 且躍升到稱為 3GPP 長期演進技術(LTE)的全新 3GPP 無線電平台。 LTE 提供了 許多明顯的優點,例如增加的性能屬性、高峰值數據率,低延遲和利用無線頻譜 的效率。
圖 2.14 在通訊技術更高的吞吐量
(來源:http://www.rysavy.com/Articles/2011_09_08_Mobile_Broadband_Explosion.pdf)
四、雲端運算
物聯網連接數十億個設備和感應器來創造新的創新應用。為了支持這些應用,
一個可靠的、有彈性的且靈敏的平台是必要的。雲端運算是支持物聯網中的一個 有利的平台。
雲端運算是一種能協調多種技術能力,例如多租戶、自動化配置和使用運算,
同時依賴網路和其他連接技術,像是更豐富的網頁瀏覽器實現運算效用願景的架 構。 雲端運算可以看到逐漸被採用(圖 2.7),而雲端運算有三種常見雲端服 務模式,即軟體即服務(SaaS)、平台即服務(PaaS)和提供基礎架構的雲端服
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務(IaaS)。 舉例來說,在 IaaS 硬體的使用,像是感應器和致動器,可以提供 給客戶雲端資源,客戶可以經由雲端資源來設置任意的服務和管理硬體。 PaaS 可以提供一個存取 IoT 數據和制定 IoT 應用程序(或主機獲取的 IoT 的應用程序)
的平台。 SaaS 可以在 PaaS 方案上供應提供者擁有自己的 SaaS 平台給特定的 IoT 領域。 像 Axeda18、ThingWorx19、DeviceWise20 這些公司已經提供了軟體開發 平台建造創新的 M2M 和 IoT 的應用。
圖 2.15 雲端運算採用率
(來源:http://softwarestrategiesblog.com/2011/07/24/predicting-cloud-computing-adoption-rates/)