技術頻道

隨著全球暖化日益嚴重與節能減碳呼聲高漲之際，人們也從開發新能源以及提高能源使用效率方面來著手因應，相關之節能法規也應運而生，例如能源之星認證項目、歐盟節能化設計指令，制定各式產品能源效率標準，表1為歐盟委員會所制定在不同輸出功率與方式之空載功率損耗規範。電子設備製造商發展的節能產品，必須遵循國際認證標準，促使電子產品朝向更節能的方向發展，如此也是提高能源利用效率的有效途徑。 對於電子產品電源設計的要求，除了滿足符合各個額定負載效率標準之外，空載與待機功耗也顯得益發重要，因為許多的用電設備大部分時間都工作在極輕載或待機狀態，例如：電視、個人電腦及螢幕等應用，若是每一個電子裝置的待機功率可以省下0.1~0.5W，這些閒置裝置就可以省下相當於數十個發電廠的每年發電量。 本文將探討如何降低切換式電源(Switching Mode Power Supply)的待機功耗，最後並舉一實際設計案例解說。 如何降低待機功耗 所謂待機功耗是指電子裝置在關閉時或處於待機模式時消耗的電能，或是處於最低功率模式下所使用的功率。一般電子裝置的輔助電源最常用的是返馳式拓樸架構，如何降低電子裝置的待機功耗，最有效的方式就是減少其在待機時的導通與切換損失。 在導通損失方面： 1.適當設計輸入端的共模電感的線徑與匝數，在抑制共模雜訊時，可以同時兼顧到將共模電感的導通損失降到最低。 2.選擇適當熱敏電阻的阻值，以避免其內阻的導通損耗。 3.於設計規格中的啟動時間之內，選擇合適的啟動電阻值，或者是選用內建啟動單元的IC。 4.有些控制器雖然在待機時降低切換頻率，來減少切換損耗，但是變壓器線組的導通損耗仍然不可忽視，線圈的圈數與線徑之適當選擇，對於線圈的線阻損失可以有效降低。 5.一次側Vcc輔助繞組的圈數與線路，適當地設計於各種負載條件之下，除了提供穩定正常工作的Vcc，並且能夠將Vcc輔助繞組線路的導通損耗降至最低，若是Vcc不足時，IC會進入反覆啟動狀態，頻繁的需要高壓給Vcc電容充電，造成啟動電路損耗。 6.其次，二次側回授控制線路TL431周遭的電阻，適當地設計在使整個控制線路正常工作之下，將偏壓與分壓線路的電流損失降低，並且選擇高CTR的光耦合器。 7.選擇低耗電TL431其typical IKA為50uA如表2(a)所示，與一般TL431其typical IAK為0.4mA如表2(b)所示，兩者的耗電就差了8倍，藉由使用低耗電之TL431，將圖1之R23電阻放大可以減少二次側TL431損耗。 8.在切換損失方面，RCD在緩衝(Snubber)電路中，可以使用齊納二極體來取代RC。 9.變壓器的層間雜散電容會造成額外的切換損失，可以在層與層之間加絕緣膠帶來降低層間的電容效應。 10.減少一次側回授訊號腳位的並聯電容值。 11.選擇使用雜散電容與Qg較小的MOSFET。 12.加大輸出電容以增加維持時間，拉大叢發模式(Burst Mode)的週期時間，以減少叢發的切換次數，以上所建議的方法總結於圖1所示。 除了外部零件值的調整之外，在控制器本身方面，對於降低輕載功耗，常見的方法為降低切換頻率、關斷時間調制(Off Time Modulation)，以及叢發模式。另外，盡量選擇靜態電流較小的IC，因為這對於大多數時間處於休眠模式或低功耗模式的應用尤其重要。 電源設計範例解說 本文以一個120W電視電源演示板為設計範例解說，電路板之主要控制IC為IDP2308，此IC為一結合PFC與LLC的整合式數位控制器，具有內建的啟動單元 (600V Start Up Cell)，當Vcc電壓建立到一定的準位後，此一啟動單元會關斷啟動迴路，避免啟動電阻的導通損耗，此外，啟動單元迴路兼具X-cap放電功能，以省掉外接型IC的功率損耗，如圖2所示。 另外，在輕或空載時，控制器會進入叢發模式，以降低切換損失，由於IDP2308是數位IC，具有提供使用者彈性設計的便利性，使用者可以經由參數的調整來優化整體電路的行為，達到所需要符合的規範，演示板線路如圖3所示；演示板規格如下表3所示： 如圖4所示，以下詳細解說IDP2308在叢發模式時的動作行為，當進入待機模式時，主要監控HBFB腳位的電壓準位，來決定叢發模式的運作，當HBFB的電壓上升至Vburst_on，IC會被喚醒而啟動叢發的切換，在LLC完成一個完整的叢發切換，IC就會停止切換然後進入睡眠模式以節省功率損耗。影響待機功耗的主要參數列於表4，其中有叢發模式中的啟動頻率、切換頻率、結束頻率、PFC Bulk電壓以及軟啟動與軟結束的階數多寡。 使用者可以自行調整在LLC之叢發模式中的三個部份： 1.設定較高的啟動切換頻率，預設值為200KHz，軟啟動設定為4階，每32us降一階，目的是減少每一叢發模式控制的啟動突衝電流，降低功率損耗，同時可以抑制異音雜訊。 2.其次設定一較低的切換頻率，預設值為130KHz，以達到最低待機功率與維持二次側輸出電壓的穩定。 3.最後再採用較高的結束切換頻率，預設值為200KHz，軟結束設定為4階，每32us升一階，用於達到抑制異音雜訊。在PFC方面，可以經由參數設定降低PFC bulk的工作電壓準位，來減少切換損耗。 除了參數的設定之外，外部零件值的調整，例如：LLC變壓器的主感Lp、LLC Bootstrap電容及諧振電容的材料，也會對異音與待機功耗有所影響。 經由以上的參數設定與外部零件調整，可以降低叢發模式時LLC的諧振電流，如圖5所示，最後的實驗結果，除了能夠符合小於0.3W待機功耗規範，並且達到極低異音的要求標準，以及維持系統輸出電壓穩定的設計目標。 數位控制器提高操作效率 本文介紹了電子設備電源的待機功耗及其規範，詳細剖析建議的解決設計方案，並且探討實際設計案例，除了一般使用者常用的對策，例如外部零件的調整與選用等方式之外，藉由數位控制器的參數設定調整也是解決之道之一。 一個好的電源設計，除了提供基本電子設備正常的運作之外，也可以減少系統的功率損耗，提高整體操作效率，另外，透過採用合適的數位控制器來做設計，進而減少外部元件的使用數量，節省整體系統的物料成本。 (本文作者為台灣英飛凌科技首席工程師)

雖然支付處理、業務流程與合作和大數據分析等各種服務都仰賴雲端運算技術，但晶片設計產業卻較慢才開始採用這項技術。至今，在雲端中實現晶片設計的優勢仍未明朗。 現今半導體產業，面臨嚴格的品質要求、苛刻的上市時程以及高昂的成本等諸多挑戰；因此，應用創新的、雲端導向電子設計自動化(EDA)正是半導體產業亟需的解決方案，它能夠幫助半導體產業跨越這些挑戰並蓬勃發展。隨著摩爾定律(Moore's law)的優勢開始衰退，這篇文章中將仔細探討在公共雲端進行半導體設計及驗證，如何能成為創新的推手。EDA躍上雲端顯然不僅是一個趨勢；對於半導體產業運算需求在短期內大幅增加，並且設計和驗證週期持續縮短的產業來說，開闢了一條持續前進的道路。 晶片設計者登上雲端 即使在幾年前，人們對於雲端在矽晶圓開發中所扮演的角色，仍是憂喜參半，畢竟摩爾定律主導了這個產業50多年的發展和創新。然而，正如科技諮詢顧問公司埃森哲(Accenture)在其《藉由即時服務模式推動半導體增長》(Driving Semiconductor Growth Through As-a-Service Models)報告中指出，摩爾定律的步伐正在減緩，反之卻要面對晶片開發成本飆升、競爭來自非傳統領域，但客戶卻要求指數級成長的能力和功能來支持物聯網(IoT)、人工智慧(AI)以及即將來臨的量子運算等新應用。 無庸置疑地，運算能力已成為半導體公司能否完成設計、更快將產品推向市場的關鍵。因此，公司為能取得設計及驗證系統單晶片(SoC)所需的資源，雲端運算成為一個可行的選擇。其中，關鍵性的IC設計及驗證流程，現在已可在雲端中使用。2020年底，埃森哲發表一份報告，《半導體產業的雲端勢在必行》(The cloud imperative for the semiconductor industry)，認為雲端是加快未來創新步伐的關鍵，並且具有安全性增強和自動化功能的完善雲端解決方案，其可提供的好處，已經超越本地系統(On-site System)。 晶片設計雲端化 接下來可以詳細分析，是哪些關鍵市場因素，驅使更多晶片設計者移轉到雲端；而基於雲端的解決方案，又如何能成為創新的推手。 更快獲得結果 隨著晶片變得越來越複雜、體積越來越大，面對日益增加的上市時間壓力，晶片設計和驗證資源遭遇瓶頸。與此同時，工程師的工作量也持續增加。工程師需要處理的事情增加，可用資源卻減少。與在本地資料中心進行EDA解決方案相比，雲端技術的利用開闢了更多的運算資源，可以加速基礎晶片設計和驗證過程。另一個好處是增加彈性，促使晶片設計能夠根據需求，迅速地擴大或縮小規模。 以元件庫特徵化(Library Characterization)為例，這是一項高度平行化的任務，需要大量運算資源。元件庫特徵化的資源規畫極為困難。例如，在雲端運算前，晶片設計公司需要先針對這些工作負載量，在自有的高效能資料中心投入許多資源。然而，根據需求模式，這些系統不是被過度使用，就是未被充分利用；或是也可能需要先對工作負載量進行排序，進而導致延遲。相反地，雲端運算可以在需要時，按照需求量，盡可能獲取最多的運算資源，將元件庫特徵化等任務的周轉時間(Turnaround Time, TAT)從數週縮短到數天。廠商如亞馬遜網路服務(AWS)的客戶已經能夠將他們的元件庫特徵化工作負載量擴增到120,000多個平行作業，部分原因是AWS和新思科技之間具有合作關係。 時程短、資源耗費大的任務，非常適合遷移到雲端。無需自行支出繁重的成本來建置基礎設施，設計人員就可以靈活地利用運算資源。若有需要，在數據可分區的前提下，也可以將運算密集型任務分解成更小的任務，並利用雲端的大規模、分散式的處理和儲存空間，來解決每個小任務。除此之外，在分散處理時，時序分析(Timing Analysis)、物理驗證和功能驗證之類的工作流程，也得以完善地擴充。例如透過形式驗證，可以將設計本地化，並對獨立的部分執行驗證。 提高產品品質 為了保持先進節點設計、具有多個功率域(Power-domains)的低功耗設計以及突破光罩限制設計的高品質結果(QoR)，在設計流程的所有階段，驗證工作的量都呈爆炸性成長。在現實世界中，內部運算資源並非無上限，設計師被要求完成不可能的任務：在上市時間和結果品質之間取得平衡。雲端憑藉近乎無限的資源，提供了執行大規模模擬、時序簽核(Timing Signoff)和物理驗證任務的能力；而這些任務可能會導致本地運算資源的短缺，或甚至整個系統的崩壞。 更低的成本 以最快的時間，將品質最好的產品推向市場，始終是設計者的目標；但盡可能以最低的成本生產晶片也同樣重要。傳統的晶片設計公司，可以使用現有的資料中心來進行EDA解決方案。即便如此，為了管理成本，他們可能仍會選擇混合的工作流程，在運算需求突增的期間，利用雲端資源來補足本地資源的短缺。而小型新創公司可能會發現，私有資料中心的成本太高，不切實際。在這些情況下，雲端可以在需要時，提供最新的運算和儲存資源，並具有高度的靈活性，即用即付(Pay-as-you-go)。 雲端的彈性也有助於降低結果成本。各家雲端的價格確實有所不同，因為一些雲端供應商允許運算服務的競標，費率受需求影響。隨著雲端供應商開發成本更低的運算資源，例如利用過剩容量的現貨實例，也許能提供更低的價格。設計公司應該把握時機，善用這些EDA解決方案。 高安全性/系統正常運行時間 半導體產業對遷移到雲端的猶豫，與對安全性和系統正常運行時間(System Uptime)的擔憂有關，這是可以理解的。採用現代雲端安全性技術、雲端原生流程(Cloud-native Processes)及技術，有助於確保在安全、受監控的雲端基礎架構上執行EDA工作。為此，EDA供應商與雲端安全供應商密切合作，調整技術，以保護EDA工作並防止資料洩漏。應用高強度的身分和存取管理，可以確保在EDA工具當中，有效管理使用者的存取權限。 雲端供應商通常在責任共擔模式(Shared Responsibility Model)下營運。其中雲端供應商承擔雲端本身，即資料中心的安全責任，而他們的客戶(如EDA公司)則承擔雲端內部的安全性。EDA產業應該要充分了解這個模式的含義。雲端供應商是否在其基礎架構和應用程式中，從頭開始建構安全性，並確保操作的安全性？EDA供應商是否使用適用於雲端環境的加密處理以及最新的監控和故障排除工具？ 至於系統正常運行時間，雲端供應商正在構建大量閒置的資源，以確保其運算資源的高可用性(High Availability)和彈性(Resiliency)；例如透過高可用性集群(High...

隨著網路通訊科技進展，讓人們能透過手機的通訊軟體與親朋好友即時聯繫，包括傳送文字、表情符號、貼圖、圖片及影片等訊息。目前通訊軟體沒有傳送氣味的功能，因此本文的構想便結合通訊軟體與發散氣味之產生器，使得通訊軟體具有「氣味信差」的創新分享功能。為了實現此氣味傳遞的創新分享功能，使用者必須搭配一個筆者設計之氣味產生器，其中氣味產生器使用盛群(Holtek)微控制器HT32F0006為主控中心，透過LINE BOT結合聯網功能，以及控制氣味產生器產生三種不同氣味，同時機殼上會產生不同色彩的燈光，而且也會播放一段音樂。「氣味信差」系統可以做到分享人們所喜愛的氣味給家人、朋友，例如玫瑰精油、薰衣草與薄荷等氣味可以帶給人們不同的感受；該產生器在離線模式下也可以獨立當氣味機使用。 訊息導入氣味傳送　活化溝通內涵 由於資訊科技不斷地進步，不只可以讓人們透過通訊軟體傳送文字或圖片即時聯繫，更可以透過傳送貼圖或表情符號的方式來表達自己的想法和感受，讓彼此之間的互動變得有趣、關係更加密切。但現有的通訊軟體並沒有傳送氣味的功能，而本文構思為使用通訊軟體即時分享氣味給家人、好友，達到氣味信差的概念。 目前通訊軟體僅能傳送單一圖片、文字、音樂，市面上也還無法做到傳送氣味，本專題發揮創意，希望為現有通訊軟體加值，新增一個傳送氣味的全新功能，作品以LINE為例，受限於通訊軟體的封閉性，無法直接修改原軟體功能，因此利用LINE軟體的LINE BOT聊天機器人機制，搭配所設計與製作的氣味機，達成使用通訊軟體分享氣味之目的，系統架構與使用情境如圖1所示。使用者A於LINE BOT介面輸入「欲傳送氣味對應的特殊文字」訊息，LINE BOT會將訊息傳送至本文設計的後台網頁；氣味機B內建Wi-Fi連線功能，會接收此氣味對應資料；氣味機B產生相對的氣味，以此間接方式達到信差功能，反向傳送，其程序完全相同。另外，氣味機產生三種單一氣味外，也可進行混合香味，同時也有音樂與燈光效果，達到創新分享的功能。 氣味信差系統運作三原理解析 本「氣味信差」系統包括三大部分：一，產生氣味的氣味機；二，LINE軟體的LINE BOT聊天機器人機制；三，配合LINE BOT傳訊的伺服器端資料庫與網頁。使用者使用LINE BOT傳送氣味(例如薰衣草)訊息，LINE BOT會將此資料透過後台網頁以Wi-Fi連線方式傳送到氣味機模組上，其中微控制器控制中心透過UART連結並控制Wi-Fi模組。微控制器接收氣味(例如薰衣草)訊息，板子上的GPIO接腳就會輸出高電位，控制繼電器來驅動氣壓幫浦產生訊息對應的香氣(例如薰衣草)，以及播出相應的音樂與燈光，達到嗅覺、聽覺以及視覺一體的美好感受。 氣味機整合軟/硬/韌體架構控制音訊播放 硬體架構 氣味產生器之硬體架構如圖2所示，當微控制器透過Wi-Fi模組接收到網頁傳遞的控制訊息時，就會利用GPIO接腳控制繼電器來控制氣壓幫浦的開關。同時也會透過UART通訊方式發送指令給NMOS模組、RGB LED模組。RGB LED模組可以依指令產生燈光、NMOS驅動模組可以依指令控制電磁閥開關，讓氣壓幫浦打出的氣體可以通過電磁閥流向擴香機噴頭，最後產生氣味散發出去。而HT82V73A會透過DAC將人們所使用的音檔的音頻放大轉換成音樂播放出來。 軟體流程 軟體控制流程如圖3所示，使用者在LINE BOT輸入訊息，LINE BOT會將接收到的訊息傳送至所建立的資料庫，並將訊息放於網頁上。在Wi-Fi模組端便等待網頁傳送過來之訊息，當Wi-Fi模組接收到訊息時，就會發送指令給微控制器，微控制器會去判斷指令是哪一種氣味，最後氣味機會發出相應的氣味，流程如圖4所示。 韌體流程 氣味機之韌體控制流程如圖5所示，當微控制器主控板接收到指令時，微控制器主控板會同時控制GPIO、NMOS模組、RGB模組。GPIO主要控制繼電器來驅動氣壓幫浦，NMOS模組是驅動電磁閥，而RGB模組會因不同氣味產生不同的燈光效果。 氣味機在離線模式之運作流程如圖6所示，微控制器主控板向8 Key觸控模組發送讀取觸摸按鍵訊息的指令，並等待8 Key觸控模組回傳指令。如果微控制器主控板接收到指令，就會去分析指令為何，並依指令控制繼電器、NMOS驅動模組以及RGB LED模組來產生相應的氣味，其中觸摸Key1產生薰衣草氣味並發出綠光及播放音樂A，觸摸Key2產生玫瑰氣味發出紅光及播放音樂B，觸摸Key3則產生薄荷氣味發出藍光及播放音樂C。 前述音樂播放控制如圖6所示，當微控制器主控板接收到音樂播放指令時，音檔音頻訊號透過微控制器主控板的DAC功能將音頻訊號放大，最後播放出音樂(圖7)。 氣味機原型系統實現與功能測試 依前述軟硬體規畫與設計完成「氣味信差」系統原型，其硬體作品氣味機整體系統運作依圖1使用情境進行功能測試。本文中的系統原型可配合氣味機產生3種氣味進行氣味傳送功能，其中於LINE BOT對話介面點選或傳送指定文字氣味訊息，例如薄荷，LINE BOT就會回傳已傳送的氣味訊息至資料庫。而資料庫端就會將相應的氣味種類、數量及時間建立在資料表上，再由後台網頁去更新資料表上最新的一筆資料。經由系統整合測試，驗證使用者雙方都有本文之氣味之產生器，當好友雙方使用LINE通訊軟體交流的同時，可以新增本作品創意之氣味傳送功能。 訊息傳遞藉氣味輔以聲光效果增進日常生活情趣 透過本文製作的氣味機可以讓不同的使用者，即使身在遠方，也可以使用LINE通訊軟體分享自己所喜愛的氣味給身邊的家人、朋友，讓對方感受到本文所表達的意境，不同的氣味也可以帶給人不同的心境與意義。氣味產生的同時搭配聲光效果，製造不同的情境及氛圍，不只可讓人們增進彼此之間的感情，而且也讓通訊生活變的更有趣、更有創意。 (本文作者余兆棠/劉大琦為南臺科技大學教授；彭森田/蔡明峻/岳皓予/李宜鴻為南臺科技大學學生)

電池供電類設備存在已久，然而自手機問世以來，由可充電電池供電的設備數量在過去二十年呈現出指數級成長。截至2018年，多種不同型號的手機、平板電腦、筆記型電腦和許多其他小型電器都在使用鋰電池。 對於所有可攜式設備而言，因為多數採用鋰電池供電，功耗成為產品開發的重要考量因素。硬體開發人員越來越注重在增加功能、減小尺寸、降低成本的同時，實現低功耗方案。軟體發展人員也以舊演算法為切入點，針對作業系統領域(即透過能量監測調度)和新興領域(例如機器學習)，研發新的功率監測方法，力求降低功耗。功率是指暫態消耗的能量。如公式所示，在電學中，功率等於暫態電壓與電流之積。功率單位為瓦特(W)，表示「焦耳每秒」。 P = V×I 能量等於功率與時間的乘積，電路消耗能量，電池則儲存能量。功率管理通常是指管理暫態電流和電壓，以滿足功率傳輸能力和負載條件。能量監測通常會提供有關能耗的資訊，進而協助開發人員進行電池管理和整體功率基準測試。透過專門設計的軟體(可根據特定負荷採取相應操作)監視能量時，即開始了主動能量管理。 主動能量管理可以基於預定義的設置自動進行，也可以在軟體啟動時手動進行，其作用是為用戶提供特定的建議。例如，大多數筆記型電腦在使用電池而不是交流電源運行時，處理器效能會自動降低，並且改用低功耗、低效能的整合圖形處理器，而不使用專用處理器。可以關閉筆記型電腦的一些周邊，以延長電池供電時間，而使用者也可能收到降低螢幕亮度或調暗鍵盤背光的通知。大多數智慧手機都提供各種節能選項，當電池電量降至特定水準時，主動能量管理便會提出使用節能選項的建議，包括關閉一些現有的網際網路連線、降低螢幕亮度等。 但類似情況並不限於電池供電設備。伺服器會仔細監測功耗和負荷水準，以確定是否可以完全停止或暫停某些服務。在虛擬伺服器中，可根據電流總用量和基於統計資訊預測的用量增加和縮減應用。對於這類伺服器，可以使用虛擬機器管理程式完全關閉某些虛擬機器。進行除錯時，也可以使用主動能量管理。能量監測可提供非常有效的資訊，用以確定整個系統或部分系統是否在界定範圍內運行。 用於測量直流功率和能量的電路 如前文所述，電功率是電壓與電流的乘積。要精確測量功率，需要對電壓和電流進行精準測量。在一定時段內測量功率並將結果累加，即得到能量。功耗在大多數情況下都不是恆定值，因此，必須使用一個選定測量頻寬，在此範圍內量測電壓和電流。直流電壓測量電路的一個典型範例是圖1左側所示的簡單分壓器和圖1右側所示的緩衝分壓器。這兩個電路都可以透過適當的校準提供高精度測量結果，儘管帶緩衝的分壓器比不帶緩衝的分壓器價格昂貴，但前者通常功耗更低，尤其適合測量極低的直流訊號。 雖然借助霍爾效應也可以測量電流(包括直流電流)，但本文側重於使用分流電阻測量直流電流，因為後者更常用而且費用更低。分流電阻是一個低阻值電阻，與電路串聯。電流流經分流電阻時，分流電阻兩端會產生一個小的壓差。該壓差與電流成正比，如公式所示，並且通常使用運算放大器進行放大。 VDROP=RSHUNT×I 由於分流電阻與電路的其餘部分串聯，因此可以連接在任意一側：上橋臂(分流電阻的一個端子直接連接匯流排電壓)，或者下橋臂(分流電阻的一個端子接地)，如圖2。在這兩種情況下，分流電阻都會出現一個小的壓差，電路的總電壓會降低。但是，分流電阻的連接位置會受到一些影響。 如果分流電阻放在下橋臂(圖2右側)，其兩端的電壓將直接接地。由於分流電阻通常很小，其兩端的壓差也很小，因此電流測量電路使用便宜的低壓運算放大器即可非常方便地放大壓差。這對於縮減成本很有幫助。但下橋臂分流有一個明顯的不足，即整個電路不再直接接地，而是連接高於接地端電壓的位置。分流電阻兩端的壓差通常以毫伏計。 如果將分流電阻連接在上橋臂(圖2左側)，則電路直接接地，可消除地彈反射效應。如果要對電路進行精確測量或必須提供精確的輸出，則應選用此連接方法。此方法的唯一缺點是需要使用電壓更高的差分運算放大器電路，並且視運算放大器的頻寬而定，費用也可能會增加。 儘管電壓、電流甚至功率本身都可以透過類比電路輕鬆測量，而且成本很低，但能量測量卻需要使用更複雜的電路來實現。然而，傳統的能量測量方法是使用類比電路測量電壓和電流，然後使用類比數位轉換器(ADC)將類比訊號轉換為數位訊號，將資料輸出到微控制器。微控制器的作用是對訊號隨時間累加的功率進行採樣，進而實現能量測量，測量能量的典型電路如圖3所示。在測量電路中增加微控制器既有優點也有缺點。一方面，在演算法計算、監視不同行為和進行更詳細的報告方面具有很大的靈活性，例如每小時、每天等。此外，微控制器的作用不僅限於能量測量，還可以觸發事件、運行自訂狀態機或滿足工程師的任何需求。而如果系統原本就需要使用微控制器，則成本和物料清單(BOM)的增加並不是問題。另一方面，使用微控制器監測能量的缺點則是測量系統的總功耗、繁複的程式開發工作和開銷成本都會增加，而且視精度要求而定，有時可能還需要外部ADC。 多年來，隨著業界對直流能量監測功能的需求不斷成長，多種面向此類應用的積體電路相繼問世。例如Microchip的PAC1934。此類積體電路只需使用分流電阻作為外部元件，即可同時採樣4個通道，基本電路圖如圖4所示。電路中整合了運算放大器、ADC、算數運算邏輯、記憶體和用於連接系統的標準介面(通常為I2C或SPI)。與傳統方法相比，使用積體電路的優勢在成本方面尤為明顯，因為在一個積體電路中整合了能量測量所需的一切，使BOM和PCB尺寸顯著降低。 主動能量監測的優勢 憑藉適合大多數應用的靈活配置，專用積體電路能夠以極低的功耗在長時段內累加功率。通常功率取樣速率最低為每秒8次採樣，最高可達1 KSPS。例如，PAC1934以8 SPS運行時，可以累加超過36小時的功率，並且電流小於16μA，同時4個通道全部有效且以16位元的解析度運行，無需軟體干預。此方法允許取樣速率動態變化，進而可以擴大應用範圍。例如在標準筆記型電腦中使用積體電路監測電源軌。當筆記型電腦處於運行和活動狀態時，能夠以1024 SPS的取樣速率進行監測，而當筆記型電腦處於暫停狀態(Suspended State)時，監測速度可能降到8 SPS，因為在暫停狀態下，功耗不會有太大的波動。此外，降低取樣速率可以減少能量監測的功耗，而不會影響效能。 主動能量監測最常見的一個應用是電池電量計量。專用積體電路可監測電池的電壓和電流，隨時得知電池電量。更先進的電池電量計還可以檢測到電池遇到了特定問題，例如電量計可以追蹤電池的電壓與電量的關係，如果二者之間不再有對應關係，則代表電池的總容量因老化或其他因素而縮減。主動能量監測也是標準電池管理系統(BMS)的核心。BMS是多節電池組所使用的電路，負責對電池組進行安全充電和放電，並主動測量其電壓和電流，確保每節電池的參數都相同。BMS的功能還包括檢測故障電池，或在電壓過高或過低時斷開電池組。主動能量監測的另一個常見應用是與智慧手機和平板電腦上的作業系統以及筆記型電腦、電腦和伺服器上的Linux或Microsoft Windows搭配使用。對於智慧手機和平板電腦，作業系統透過各種方法監測不同服務和應用程式所消耗的電量。在早期階段，系統不直接測量能量，而是使用表格資料獲取各個工作點的功耗，基於CPU、GPU和螢幕使用情況估算能量。估算出的能耗資料以統計資料的形式報告，便於使用者決定如何進一步操作設備。自Windows 8起，Microsoft在筆記型電腦和個人電腦中導入了能量估計引擎(Energy Estimation Engine, E3)。E3早期階段的工作原理與智慧手機中的估算演算法類似，能夠根據各種資源的使用情況(處理器、圖形、磁片、記憶體、網路和顯示器等)來估算每項任務的功耗，進而實現功耗追蹤。E3還導入了能量計量介面(EMI)，系統製造商可以透過該介面為系統添加實際可用的能量測量感測器，並進行相應聲明。如果加入了此類感測器，E3會利用這些感測器準確地測量功率和能量，而不是只進行估算。某些筆記型電腦製造商已在其產品中實現了這些功能。此外，過去還存在一些其他的方法，例如Sony在Vaio筆記型電腦中實現的能量監測，但沒有支援這些方法的作業系統，只有專用應用程式才能存取相關資料。Linux尚未提供與Microsoft E3相當的工具，但據報導稱，廠商已著手進行相關工作。工業I/O子系統支援在作業系統中加入各種感測器，為使用者空間的應用程式提供非常簡單且功能強大的介面(基於檔的介面)。然而，在本文撰寫之時，工業I/O子系統仍是核心的擴展，而不是默認Linux架構的組成部分。Linux還支援能量監測調度和智慧功率分配，這是一種用於嵌入式Linux領域的演算法，可協助系統決定如何調度不同的任務，同時考量散熱問題(能耗導致CPU/GPU發熱)。 能量測量積體電路的另一個值得關注的應用，是對USB功率和能量以及在伺服器應用程式中的使用情況進行監測，如本文第一部分所述。由於伺服器採用不間斷運行的設計，因此監測能耗有很多好處，例如可透過主動服務控制提高總體電源效率，能滿足越來越高的能效標準，允許系統管理員在伺服器的某些部分出現功耗異常(表示未來可能發生故障)時執行預測性維護。 透過IC整合能量監測功能 就能量監測的需求以及系統需要執行的其他功能而論，某些方法可能比其他方法更適用。如果嵌入式系統是根據自身用途專門構建，並且需要瞭解自身功耗或估算能耗，則傳統方法更適用。建議在微控制器中加入內部ADC，以便大幅縮減能量監測功能的成本。採用這種方法，只需要使用進行電壓和電流檢測的外部類比電路。如果需要非常高的測量精度而不計BOM成本和功耗，則傳統方法比積體電路更適用。 但在很多情況下，更適合採用積體電路方法。例如，如果想要在作業系統中整合能量測量，就適合採用積體電路方法，因為整合解決方案就是為解決這一問題而構建，透過適當的驅動程式，系統能自動識別出能量測量並知道如何操作。能量測量積體電路通常可以測量多個通道(進而監測多條匯流排)，因此，在需要監測大量匯流排時，整合解決方案具備明顯優勢。此外，同一條通信匯流排上可以使用多個積體電路(例如I2C或SPI)。另一個更適合採用整合解決方案的情形是，在系統處於功耗極低的睡眠模式或完全關閉的情況下，在較長的一段時間內測量能量。整合的能量監測晶片僅消耗極少的功率，並能在特定時段內自行累加能量，無需任何系統干預，而這正是實現整合解決方案的基礎。 對於有較高尺寸要求的高度整合化和密集型PCB，例如手機、平板電腦或筆記型電腦的主機板，與等效的分離元件相比，積體電路占用的空間顯然更小。例如，在晶圓級晶片封裝(WLCSP)尺寸的晶片(大小為2.225×2.17mm)中，包含一個能同時監測四個通道的能量測量積體電路。 (本文作者任職於Microchip)

電子紙顯示器以雙穩態與反射式的技術特性，讓顯示螢幕具有類紙質感的閱讀體驗、無背光源，對雙眼友善、陽光下可視、超低耗電與持續顯示零耗電等特性。基於與一般紙質紙張相似的顯示特性，與自發光型的顯示技術相比，長時間使用電子紙閱讀雙眼相對不會感到痠澀，故成為適合數位閱讀的顯示螢幕，眾多廠商推出採用電子紙的電子書閱讀器，也讓大眾留下電子紙等於電子書閱讀器的深刻印象。 然而隨著物聯網與智慧城市等趨勢發展，在教育、交通、物流、零售、工廠、醫療照護、商務與生活等場景均加速落實數位轉型，各個場域將裝載數以億計的聯網裝置。面對低碳時代來臨，對於裝置的電源使用效率要求更為嚴苛，人類不再只追求科技智慧與聯網發展，而是避免高耗能、高排碳持續造成更嚴重的溫室效應，因此，能減少耗電降低碳排，有助環境永續發展的技術將是未來科技關鍵發展趨勢。而電子紙發揮超低耗電與持續顯示不耗電的特性，成為適用於物聯網與智慧城市的顯示介面，同時可取代一次性用紙的技術與產品定位，有助於降低自然資源的消耗。 基於電子紙的顯示特性，電子紙應用領域已從既有的電子書閱讀器印象，延伸至零售、交通與物流等多元場域。例如零售場域的電子貨架標籤，取代傳統紙張標籤；電子紙廣告看板取代傳統印刷海報；智慧交通領域的智慧電子紙公車站牌，因電子紙強光下可視的特性，是絕佳的戶外顯示器，同時基於電子紙低耗電的特性，結合太陽能供電與蓄電系統即可運作，無需額外接配市電，實現電子紙具備的永續發展價值。 雖然電子紙應用領域持續拓展，但電子紙在顯示色彩的表現，自第一台採用電子紙顯示器的電子書閱讀器於2004年問市後的十數年間，電子紙色彩顯示仍以黑色與白色為主流。2013年，廠商如元太科技推出E Ink Spectra三色電子紙，運用三種顏色的電子墨水粒子，讓電子紙可顯示黑、白、紅，或是黑、白、黃等三色，藉此開拓電子紙於零售場域使用的電子貨架標籤應用。 電子紙從黑/白發展至三個顏色，廠商仍持續投入彩色電子紙之開發，2016年首款全彩電子紙顯示技術(Advanced Color ePaper, ACeP)問世，運用青色、洋紅、黃色、白色等四種色粒子，透過電壓控制、動態地進行顆粒組合和混色，實現全色域的彩色電子紙技術。E Ink Gallery具有全彩顯示效果、以及雙穩態與反射式的技術特性，可讓電子紙應用開拓更廣泛的市場，例如全彩電子看板。 不僅如此，著眼於電子紙的電子貨架標籤與電子廣告看板於零售領域需求持續成長，2021年4月推出的E Ink Spectra 3100四色電子紙，運用黑/白/紅/黃等四種鮮豔與飽和的色彩，滿足零售業者色彩行銷之需求。而在此產品上市後，廠商仍協同晶片設計的生態圈夥伴共同研發適合四色，乃至八色的電子紙顯示器使用的驅動晶片，藉此協助零售系統商可更快的開發出採用四色電子紙的電子貨架標籤與電子紙廣告看板。 四色電子墨水系統 電子墨水薄膜(Film)透過電場來控制微膠囊或微杯內帶色粒子的跑動，呈現出雙眼看到的各種圖面、文字或顏色(圖1)。電子紙的驅動相同與LCD液晶螢幕的部分是，電子紙一樣需要薄膜電晶體(TFT)來驅動每個畫素，在電子紙顯示器中，一面的電極是由薄膜電晶體所控制，稱為畫素電極，連接到TFT的源極(Source)，另一面則是所有畫素共用的共電極，利用兩端的電壓差異來控制電場，使每個畫素可以獨立的顯示不同顏色/灰階。電子紙需要時序控制晶片、TFT驅動晶片，及提供TFT驅動電壓的電源整合型晶片(圖2)。 電子紙的驅動與LCD液晶螢幕的差異則是，由於電子墨水薄膜的反應速度不及液晶螢幕，所以需要提高驅動電壓，以及需要使用電壓寛度調變。要驅動帶色粒子到固定的位置，顯示特定的顏色，這需要設計特定的電壓寛度的組合，也就是要達成一次顯示畫面的電壓組合為電子紙的驅動波型。 另一不同於LCD液晶螢幕的是電子紙的雙穩態性，由於驅動一次之後，若顯示畫面不需要改變，這時搭配電子紙的雙穩態性，薄膜電晶體不需要再次掃描及驅動，所以在電子紙的使用的輸入介面上，顯示是以單張圖像(Image)資料格式為基礎，而不是液晶螢幕的影像(Video)。基於這些不同之處，所以在電子紙的驅動晶片和時序控制晶片都需要特別的設計(圖3)。 兼顧清晰/省電的應用需求 不同的電子紙應用，依照顯示器使用的場域不同，而產生不同的需求。電子書筆記本需要的是高對比/多灰階顯示，快速的手寫反應速度；在電子標籤則是需要多色，省電及低成本的設計。中小型電子標籤所使用的電子紙顯示器，目前絕大多數使用低成本的整合型晶片。整合型晶片指的是將時序控制及產生高壓電源的功能都整合進TFT驅動晶片裡。開發電子標籤系統，僅需前端使用低成本的微控制器(MCU)，經由標準的串行外設介面(SPI)來控制電子紙整合型晶片的顯示資料及指令即可達成。 在電子標籤的應用下，新的材料及晶片的開發收集了使用者的各項反應，以下為市場需求的整理。 1.需要更多色彩、顯示更多內容、解析度提高。這也是四色電子紙具有巿場潛力的原因。 2.更省電、環境友善、符合ESG(Environment, Social, Governance)永續性的要求。在巿場上目標標籤壽命由5年提升到10年。 3.畫面顯示過程優化，由於電子紙顯示器材料的特性，在一張畫面更新的過程中需要數秒的時間，客戶希望在視覺上可以縮短更新的時間，並且利用畫面更新的過程成為電子標籤吸睛的優勢。 4.增強資料存取安全性，防止標籤的顏色及內容被竄改。 為滿足上述的使用情境與使用者需求，產品如Spectra 3100整合型晶片(圖4)在設計上開發了相對應的功能。 優化顏色及清晰度 新的材料使用了更多顏色的粒子，對應到驅動晶片上則需要更多的驅動電壓位準，提供TFT的源極端產生不同的電壓，形成不同電場使電子紙顯示畫面。而由於顯示的每英寸像素提高，造成TFT中鄰近像素間平行電場產生，帶動了彩色粒子水平的位移現象，進而產生電場干擾。這個問題可於晶片設計中加入配合電子紙特性的影像演算法得以改善，無論是細小的字體或貨架標籤的條碼都可以清晰的顯示。 新功能搭配省電設計 若在四色的電子紙顯示技術平台中搭配空間混色的影像處理，該顯示器雖然有能力顯示部分的色彩，但也因空間混色機制會讓畫面中相對純色的畫面資料複雜度提高，造成相對較高的功耗。在Spectra 3100整合型晶片中導入了特殊抖色的影像演算法來降低TFT源極的變化次數，並搭配電子紙驅動波形動態控制幀率的功能，在保留原本的光學效果下仍得到省電的效果(圖5)。 特殊的顯示模式增進吸睛效果 此整合型晶片將原本換圖顯示過程較長的特性，轉化為類動畫的互動效果，成為吸睛的廣告，突破單向溝通的價格標籤應用。這項功能的實現，是結合了影像處理及驅動波型的客製化處理，兩者搭配起來使更新過程更加流暢，在電子標籤的應用中達到加強互動，吸引消費者目光，傳遞更多促銷資訊，促使消費者提升消費意願(Willingness To Pay, WTP)，同時增加了標籤的終端應用價值。 強化傳輸安全 最後，是資料傳輸安全性的提升，此整合型晶片系列中加入了自定義的特殊資料編碼格式，顯示任何圖片需搭配轉圖中介軟體(Middleware)，再配合驅動波型加密功能，可防止顯示資料被竄改，確保使用電子紙貨架標籤上的價格顯示之安全性(圖6)。 拓展零售顯示商機 全球零售商近年來加速數位轉型的趨勢，電子紙標籤能為零售業者提升營運效率、減少錯誤與降低成本，2020年更因COVID-19疫情加速線上線下全通路(Omni Channel)零售整合，電子貨架標籤自動價格更新系統能協助解決店內人力短缺、客戶要求提升、貨架缺貨與線上訂單增加等問題，加上疫情影響零售商的現金流量，也讓商家更重視商品促銷廣告投放的精準度，使用彩色電子紙貨架標籤提供多元、即時的產品資訊與廣告效益愈來愈受到實體零售商的青睞。在強勁需求推動之下，全球市場使用電子貨架標籤的店舖更加普遍、新興市場亦加快導入電子紙貨架標籤解決方案，全球市場供需狀況可望持續成長。 電子紙標籤除了為零售業者提升營運效率、減少錯誤與降低成本外，在降低環境資源消耗方面亦有貢獻。智慧零售商業模式中常因時間、庫存變化、消費者族群不同、與線上行銷搭配等等的不同因素產生促銷策略與活動，而傳統紙質標籤因應各式促銷活動頻繁更新商品價格，造成一次性使用紙張的大量消耗而造成資源浪費。以電子紙大量取代傳統紙質貨架標籤，成為電子貨架標籤的顯示螢幕，使零售業者的數位轉型成為環保低耗能、無紙化、美觀且有助於營運效率提升。加上電子紙具有斷電後可長時間顯示的特性，在無電力時仍可維持畫面顯示，所以非常省電，廣泛並長期使用有助達成「減碳增綠」及循環利用的目的，可減緩溫室氣體所帶來的全球氣候變異衝擊。 而根據統計，電子紙貨架標籤於全球貨架標籤市場滲透率不及5%，未來市場成長性仍大，預期未來幾年都將保持20~30%的成長幅度，以更多的電子紙貨架標籤取代傳統紙標，可減少紙張使用，有助環境永續發展。基於電子紙的省電、持續顯示不耗電等特性，有機會成為適用於物聯網的顯示器選擇。

近年來LED顯示器朝著更小間距的應用發展已成為顯學，產品設計因載板面積有限，必然會使用掃描器設計，在高階產品上亦會導入高整合驅動晶片，以降低元件數量、節省布板面積。 近幾年驅動晶片的發展，產品最高支援掃描數一直停留在32掃，雖然市場不斷期待高掃描產品問世，但技術上的挑戰，來自於提升掃描數時會使顯示品質下降。 不過，近日驅動晶片可支援的掃描數已提升至64掃，並在不犧牲顯示效果、驅動晶片的使用數量和顯示器模組的功耗上，取得較佳的平衡點，能因應顯示器點間距微縮至1mm以下的趨勢。本文將探討高掃顯示器在技術上面臨的挑戰，透過實際設計案例，引導讀者了解高掃描數驅動晶片技術。 高掃顯示器面臨雙挑戰 ・掃數增加造成LED亮度不足 當採用掃描器設計時，LED顯示器是以逐行掃描的方式顯示。圖1是在一幀時間之內，掃描數對應導通時間的示意圖；以支援32掃驅動晶片為例，每次掃描1行，32行為一個掃描週期，所以當提升所支持的掃描數至64掃時，64行則為一個掃描週期。 所以在一幀時間(TFrame)內，隨著掃描數(scan)的提升，為保持相同灰階輸出解析度(Grayscale output)，顯示器的灰階顯示時間(TGCLK)需下降，因而造成亮度不足的問題。 ・不犧牲顯示效果 在小間距顯示器產品中常見七大顯示問題包含：一行暗線、鬼影、漸層暗線、LED壞點十字架、低灰色偏、低灰不均與高對比干擾，其中因提升掃描數而直接關聯的顯示問題為高對比干擾。 高對比干擾問題的根本原因來自LED的寄生電容，在通道與通道之間，LED的寄生電容會形成迴路，當高灰顯示的LED導通，同時改變高灰通道(VOUT1)，故擾動訊號會經由LED寄生電容回路影響低灰通道的電壓(VOUT0)，使低灰顯示的LED亮度會改變。 新型高掃驅動晶片優勢 上文已說明64掃驅動晶片方案可解決高掃架構下所帶來的挑戰，接下來將以MBI5253/27掃(16通道/最高支持32掃的驅動晶片)與MBI5254/54掃(16通道/最高支持64掃的驅動晶片)的實際載板案例，說明廠商如聚積科技之高掃驅動晶片方案，在驅動晶片數量、模組功耗以及資料傳輸上的優勢。 ・有效降低驅動晶片數量 如表1所示，由載板的垂直解析度與水平解析度可計算出，MBI5253/27掃的載板方案需要使用72顆驅動晶片；而MBI5254/54掃載板方案只需使用36顆驅動晶片。所以一旦提高使用驅動晶片所支援的掃描數，可有效降低載板的驅動晶片數量。 ・模組功耗差異 功耗問題是目前終端使用者關注的焦點，除了增加用電成本外，亦會使顯示器箱體溫度上升，造成顯示畫面出現色偏和色衰等問題。模組總功耗由以下四部份組成，包括：行掃開關損耗(Psw)、LED導通損耗(PLED)、轉捩點電壓功耗(Pknee)、以及載板上總驅動晶片功耗(PICs)。以使用MBI5253/27掃與MBI5254/54掃的載板方案比較功耗差異，設定兩載板均須達到亮度800nits，且色溫在(0.31,0.31)的白平衡。 經由在系統上LED導通路徑所流過的電流，可依序計算出：行掃開關損耗、LED導通損耗與轉捩點電壓功耗。再者，依據顯示規格的灰階輸出解析度與刷新率條件下，可得到驅動晶片的工作電流與工作電壓，由驅動晶片數量可計算出載板上總驅動晶片功耗。 如表2所示，MBI5254方案載板總功耗較MBI5253方案低2.3%，主要是因載板上總驅動晶片功耗總共下降40.6%。透過模組功耗圓形圖，如圖2所示，可發現MBI5254方案整體功耗組成中的總驅動晶片功耗與轉捩點電壓功耗，相較MBI5253方案下降，其餘系統上的功耗都是上升；造成這樣的現象是因為提高掃描數的同時，為了維持相同亮度，必須提高LED導通電流造成功耗增加。 LED顯示器步入室內高畫質(4k/8k)，點間距更進一步微縮至1mm時，驅動晶片在相同尺寸的載板上的使用量勢必會上升，代表總驅動晶片的功耗影響會很可觀；所以當總驅動晶片功耗占總模組功耗的比例上升時，透過使用支援高掃的驅動晶片，將有助於下降模組總功耗，展現節能優勢。 ・確保資料傳輸完整性/低EMI 透過圖3公式計算，若27掃驅動晶片方案使用單緣觸發技術時，DCLK＝2.5MHz；當掃描數提升至54掃的時候，DCLK則需提升至5MHz，才能保持相同的資料傳輸速度，但隨著DCLK頻率升高，會造成系統上的EMI問題，對於客戶來說可能需要增加破解EMI的方案，如低通濾波器，亦容易造成資料訊號因濾波電路而失真的風險。 因此廠商如聚積科技的驅動晶片方案，將原先DCLK單緣觸發功能升級成雙緣觸發功能，突破資料判斷從只能在DCLK正緣觸發的限制，進化到可在DCLK的正負緣同時判斷，故當驅動晶片擁有雙緣觸發技術，即使掃描數提升至54掃，DCLK也只需要2.5MHz，可同時確保資料的傳輸完整性與較低的EMI，如表3所示。 高掃驅動晶片兼顧顯示效果/功耗 高掃驅動晶片可大幅減少顯示器元件使用的數量與成本，兼顧顯示效果並降低模組的總功耗。新一代64掃驅動晶片解決方案，加入雙緣觸發功能確保資料完整傳輸及降低EMI，展現高掃顯示器的優勢並克服相對應的困難，讓開發者的產品更具成本效益。 (本文作者皆為聚積科技技術市場部LED顯示晶片產品經理)

因此，4位元啟動參數和4位元權重參數(4-bit Activations and 4-bit Weights, 4A4W)Hardware-friendly型量化解決方案可實現更優異的精度/資源權衡取捨。本文介紹在Zynq UltraScale+MPSoC和Zynq-7000SoC系列上針對CNN 4位元XDPU實現的低精度加速器，其透過高效映射卷積運算，充分發揮其DSP功能。這種解決方案可提供優於XDPU兩倍的性能。而在ADAS系統中執行2D檢測任務時，這種實現方案能夠在MPSoC ZCU102基板上實現230fps的推論速度，與8位元XDPU相比，性能提高了1.52倍。此外，在用於ADAS系統中的不同任務時，該解決方案可實現媲美全精度模型的結果。 網路結構剖析 企業日益重視使用AI的系統在資料中心、汽車、工業和醫療等領域中的產品化。這帶來了兩大挑戰，如AI推論需要完成的運算量規模增加，同時還要保持價格、功耗、延遲和尺寸大小不變；以及AI科學家繼續日復一日地在演算法和模型上開展創新，也需各種不同的硬體架構提供最佳性能。 針對持續創新的強烈需求則需要使用彈性的領域專用架構(DSA)。優化AI推論性能和降低功耗的主要趨勢之一，是使用較低精度和混合精度。為降低硬體設計複雜性，模型量化被當作應用於各類硬體平台的關鍵技術。大量工作被投入用於大幅降低CNN運算量和儲存成本。本文充分地證明，對於大多數電腦視覺任務，在不嚴重犧牲精度的情況下，權重參數和啟動參數可以用INT8表示。然而對於某些邊緣應用而言，硬體資源仍然不足。在針對邊緣應用使用較低的位元寬度(如1或2位元)時，一些常見的硬體設計解決方案使用簡化的乘法器。儘管這些解決方案延遲低、輸送量大，但它們與全精度模型相比，仍然存在較大的精度差距。因此，在模型精度和硬體性能之間尋求平衡變得至關重要。 本文運用幾種常見的網路結構，在ImageNet分類任務上透過使用幾種不同的量化演算法進行實驗。結果顯示精度隨著位元寬度減少而下降。尤其是在位元寬度低於4時，精度下降幅度顯著。此外，也使用Samuel Williams等人提出的Roofline模型，分析不同位元寬度下的硬體性能，如圖1所示。以賽靈思ZCU102評估板為例，隨著MAC的精度降低、硬體成本降低，性能獲得提升。此外，實驗結果還顯示，低位元量化可透過降低記憶體需求提高性能。這在ResNet-50神經網路的卷積運算強度上獲得證實，該網路分別用4和8位元精度進行了運算。因此，INT4在模型精度和硬體性能之間實現了較佳的平衡。 圖1　ZCU102上以不同位元寬度運行Roofline模型 如何量化全流程Hardware-friendly型CNN 為實現整個量化過程的Hardware-friendly化，INT4量化法可分為三個部分：量化機制、Hardware-friendly型量化設計、量化感知訓練。 ・量化機制 本文使用經訓練的量化臨界值(TQT)將DNN從單精確度浮點(FP32)轉換為INT4。對於權重和啟動參數，量化函數可正式寫成：   其中n=-2b-1，p=2b-1-1，為有符號資料；n=0，p=2b-1及為無符號資料。   公式1表示輸入值(x)的量化值取決於臨界值(t)、位元寬度(b)和量化比例係數(s)。臨界值t一般初始化為待量化張量的絕對值之最大值。隨後在訓練過程中用log2t的形式進行優化。量化係數是2的冪，具有Hardware-friendly特性。若將上下截斷運算去除部分離群資料，加大權重參數和啟動參數的分布緊密度，更有利於量化。 如上文所述，log2t是一種在訓練過程中可學習的參數，優化它就能確定合適的量化範圍；與之相反，log2t的梯度可透過鏈式法則確定。此外，輸入值的梯度也可透過下方公式運算：   對於(四捨五入)和(正無窮取整數)，不可微函數STE被用於確定梯度，定義如下方公式所示。     TQT證明對數表達能確保臨界值和輸入值的標度不變性。採用對數方式訓練臨界值更容易管理，並且已證明是較高效的。 ・Hardware-friendly型量化設計 要進行量化訓練，必須從全精度網路中構建低位元網路。以流程化Hardware-friendly型量化為基礎，下文介紹部分常用的網路結構，並針對幾種粗細微性模組的量化解決方案總結。對於這些量化模組，INT4量化方法可用於多種類型的網路結構；部分常用模組的量化解決方案如圖2所示。圖2中的虛線表示能根據實際網路結構增添或者刪除。 圖2　模組量化 首個模組為CBR(Conv+BN+ReLU)，其作為CNN中的通用結構，BN層被合併以減少訓練和推論過程中的觸發器數。然而，BN層存在不一致性；大量運算在訓練過程中使用當前批次的平均值和平方差，但在推論過程中移動平均值和平方差。如果量化的是從當前批次的平均值和平方差獲得的合併參數，在推論時就會導致偏差。為消除這種不匹配，應使用下列最佳實踐來量化這種結構。在將BN折疊到ConV後，就對折疊到INT4的參數進行量化。該模組的量化如圖2(b)所示。 再來為BRC(BN+ReLU+Conv)模組，如圖2(c)所示，在緊隨卷積層的BN層被合併後，仍然存在獨立的BN層。然而，在現有的INT4量化方法中，BN層原則上不受重視。為有效部署這個獨立的BN層，有種量化神經網路的簡化方法被用於在訓練過程中保持全精度，並在推論過程中吸收浮點標度和臨界值偏差。這種方法可延伸用於所有線性運算(包括推論中的卷積)，同時有助於保持精度。該模組的量化詳見圖2(d)。 而於加法模組中，其占用硬體資源較少。因此該層一般量化為8位元。此外，為了量化所有輸入和輸出，將使用標度共用規則。共用規則的作用是讓硬體繞過標度運算，消除了浮點乘法的需要。如圖2(b)所示，「ShareQuantize」指這些量化層共用相同標度。 至於其他則為確保卷積運算輸入是4位元，加法運算的8位元輸出需要再次被量化為4位元，如圖2中的「再量化」所示。針對第一層和最後一層，仍然進行INT4量化，整個網路的輸出被量化成8位元，且內積層與卷積層保持一致。 ・量化感知訓練 量化感知訓練通常被作為關鍵技術，用來降低低位元模型與全精度模型之間的精度差。在本文描述的INT4量化方法中，它仍具備不可或缺的作用。量化感知訓練過程都使用以下所示的逐層量化感知訓練演算法。 於輸入方面，其為全精度輸入、權重和偏差：X、W、Bias；針對輸入和權重的可學習對數域臨界值：ax、aw、abias；位元寬度：針對輸入和權重，b=4；針對偏差，b=8。而輸出：Y，初始化ax=log2max(|x|)，aw=log2max(|w|)，abias=log2max(|bias|)，同時根據公式1運算q(x)、q(w)和q(bias)。而Y=Forward(q(x),q(w),q(bias))；運算分類損耗為：Loss，針對所有可學習參數使用正則化方法。可參閱以下公式，並使用Adam更新全精度參數。 於DSP晶片最佳化INT4f 使用DSP硬體資源可實現乘法和加法密集型(Multiply-accumulate, MAC)占用硬體資源較少。經優化後，DSP能夠在16或28nm元件上處理較多的MAC運算。以16nm為例，賽靈思可程式設計元件中UltraScale架構的DSP48E2晶片就屬於專用晶片，其由一個27×18二進位補數乘法器和一個48位累加器構成。如圖3所示，MAC能使用DSP晶片完成。 圖3　MAC模式下的晶片 INT4優化 在低精度MAC運算中，相乘方式是a×b。其中a是4位元無符號啟動參數資料；b則是4位元有符號權重參數資料。該晶片可被配置成4通道乘法運算，如圖4所示。 圖4　4通道封裝晶片的配置模式 該晶片的埠A是27位元寬度、埠B是18位元寬度。iNT4×uiNT4相乘產生的結果至少有8位元寬度。 充分利用DSP資源的前提是在多個相乘被打包在一起時，可確保輸出結果保持正確。為確保這一點，通道之間添加了保護位元。當四個MAC通道被打包在一起時，需要在兩路輸入間布置足夠的保護位元。根據晶片設計，保護位元被設置為3位元：   第一個通道A1×W1被布置在對應埠的4LSB上，下一個通道A2×W1需要移位元至少8位元才能正確運算；第二個通道與第一個通道共用權重參數資料W1。埠B中的A2移位11位。3位元保護位元用於最大化DSP資源的利用；最後一個運算元W2被分配給埠A。最後兩個通道是A1×W2和A2×W2。權重參數是有符號資料。在相乘開始前，使用27位預加法器打包兩個權重參數資料。因為W1需要符號擴展，所以W2不能布置在D埠的四個MSB上。如果W2在MSB中，當W1<0且W2=-8時，預加法器就會溢出。後48位加法器可作為累加器，透過級聯對之前層次的DSP結果進行相加。單個晶片就能在單時序週期內實現四通道MAC。 結果的位元寬度在累加後增大。Hardware-friendly型量化器是一組移位暫存器，它可以透過指令控制移位元的位元數。移位元運算為Hardware-friendly型。在低精度CNN中，卷積能夠使用兩種量化方法之一。一種是逐運算位元輸出8位元；另一種是針對下一卷積輸出4位元。透過優化演算法，兩種量化方法都能量化成2k的步伐長度。差別在於輸出資料的位元寬度以及它們是否是有符號資料。 DSP強化使用 DSP雙數據速率(DDR)技術被用於改進晶片實現的性能。因此需要為DPU提供兩個輸入時序：一個用於通用邏輯，另一個用於DSP晶片。未採用DSPDDR技術的DPU和採用強化使用模式的DPU之間的差異如圖5所示。 圖5　未採用DDR的DSP和DSP強化使用之間的差異 運算圖因應CNN要求 卷積是CNN網路的主要運算要求。卷積的實際運算任務如下： 其中Anf是浮點特徵圖，Wnf是浮點權重。其本質上是MAC運算。根據新量化感知訓練解決方案，浮點的卷積運算按如下方式進行量化：   其中axf、awf和abf是標度。這些浮點參數被轉換成2k×2k。這是一種Hardware-friendly型標度，能夠在FPGA中使用移位運算實現。 DSP模組在一個時序週期中需要兩個權重和兩個特徵，其中彼此都能共用，如圖6所示。 圖6　卷積運算任務和乘法器共用方式 其中Anf是浮點特徵圖，Wnf是浮點權重。其為MAC運算。根據新量化感知訓練解決方案，浮點的卷積運算如以下方式進行量化： 模型量化與性能模擬 下面的篇幅講解量化感知訓練中使用的CV任務。這些任務包括影像分類、姿態估計、2D檢測、3D檢測、語義分割和多工處理。 基準分類模型 在完成ImageNet分類資料叢集上的實驗後，得到以下結果。網路包括ResNet50-V1、ResNet50-V2。在所有實驗中，資料叢集均從浮點模型進行微調。所有偏差參數都量化到8位元，實驗結果如表1所列。 而基準分類模型的結果參見表1。它體現了這種方法的有效性，對ResNet50V1而言，4位元與8位元XDPU解決方案在前1精度上的差距僅有1.4%，在前5精度上的差距則僅有0.9%。 表1　不同位元寬度下類ResNet50的網路精度 即時ADAS模型解析 為進一步驗證量化方法的通用性，也在真實場景下開展了其他CV任務。 ・姿態估計 姿態估計任務使用更加複雜的堆疊Hourglass網路。透過在MPII資料叢集上開展姿態估計實驗，評估逐層模式下兩個網路結構的精度。結果參見表2。 在表2中，hg-s2-b1意謂著堆疊數量是2，模組數量是1；hg-s8-b1意謂著堆疊數量是8，模組數量是1，因此證明INT4量化解決方案實現了可相比浮點模型的精度。 表2　不同位元寬度下的Hourglass網路精度 ・2D檢測 在ADAS系統中，BDD100K數據叢集用於2D檢測。此外，特徵金字塔網路(FPN)結構被添加到ResNet18-SSD中作為檢測網路，而實驗結果如表3所示。 表3所示的是在經過微調後，8位元量化模型實現了高於浮點模型的mAP。透過逐漸從8位元微調到4位元，最終4位元量化模型的mAP損耗小於2%。 表3　不同位元寬度下的檢測精度 ・3D檢測 ADAS系統的3D檢測任務使用KITTI資料叢集，而PointPillars用於開展3D預測任務，實驗結果如表4所示。 如表4所示，採用微調技巧後，4位元量化模型的精度僅比浮點模型低0.16%。 表4　不同位元寬度下的3D檢測結果 ・語義分割 在ADAS系統的語義分割任務中，CityScape的資料叢集以理解城市視覺場景為重點。實驗在以ResNet18為基礎的特徵金字塔網路上開展。結果如表5所示。 表5顯示，8位元模型可實現比浮點模型更高的mIoU，4位元模型的mIoU僅比浮點模型低1.7%。語義分割的示意圖參見圖7。 表5　不同位元寬度下的語義分割精度 圖7　語義分割示意圖 ・多工學習 為增強模型的歸納功能和精度，在多工模型中使用了多個訓練資料集，包括用於檢測的Waymo和BDD100k，以及用於分割的BDD100k和Cityscapes。這些研究在以ResNet18為基礎的特徵金字塔網路(FPN)上開展。結果如表6所示。 表6顯示，8位元量化模型可實現優於浮點模型的mAP和與浮點模型保持同等水準的mIoU。透過逐步微調，與浮點模型相比，最終的4位元量化模型的mAP降低1.66%，mIoU提高1.79%，仍然劣於8位元模型的表現。 表6　不同位元寬度下的多工精度   競爭分析：8位元/4位元對比 4位元XDPU在下列三種評估板上以300MHz頻率運行：Ultra96、Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU104和ZCU102。表7所示為4和8位元XDPU的比較情況。在不同的FPGA上，4位元XDPU實現的性能提升1.5倍到2.0倍之間。例如，ZCU102板使用的硬體資源沒有增加，但性能提高2倍。 表7　4和8位元XDPU的性能比較 對於兩個精度不同的加速器，在啟用池化、逐運算單元逐深度卷積和平均池化等全部功能後，針對資源進行比較。如表8中所示，在相同的性能架構下，DSP和RAM的占用顯著下降。有鑑於資源耗用下降，4位元XDPU架構被擴展到B8192的最大規模。使用B8192架構能以單元件實現更高性能。 表8　4和8位元XDPU的資源消耗比較   若以表3中13.6FLOP的2D檢測模型為例，兩個高精度模型4/4和8/8分別使用4和8位元XDPU進行測試。該網路的運算要求是13.6GOP。2D檢測網路的訊框率如表9所示，測試不包含預處理和後處理。有鑑於效率和網路類型的差異，性能和訊框率之間不存在線性關係。如表9所示，4位元XDPU的訊框率在所有平台上均優於8位元XDPU。 表9　4和8位元DPU之間的訊框率比較 本文介紹了一種運行在Zynq UltraScale+ MPSoC和Zynq-7000 SoC系列元件上的完整流程、Hardware-friendly型量化解決方案，可作為CNN的低精度加速器。此外，本文也介紹如何在DSP晶片上優化INT4，進而在一個時序週期內完成4通道INT4相乘。卷積運算要求可透過打包DSP予以滿足。與INT8 XDPU解決方案相比，使用DSP實現的INT4優化在真實硬體上可將處理峰值GOPS提升最高2倍，並將性能提升至最高1.77倍。 (本文作者皆任職於賽靈思Xilinx)

    所以本文想要利用電致變色薄膜的特性打造一個室內自動調光系統，以下會將電致變色薄膜貼在玻璃上，讓人們能夠控制玻璃的透光度，進而讓室內的光源永遠都能保持在舒服且適合的亮度，若太陽太亮的時候，就讓電致變色薄膜變成不透光，反之則相反，再利用Wi-Fi模組讓手機可以控制是否要讓電致變色薄膜全透光或不透光，也可以直接呼叫手機語音功能來加以控制。全透光則像一般玻璃一樣可以看風景，不透光能達到不被打擾兼防曬的功用，而在不透光的情況下，還有一個自動調整的LED光源，以防不透光的情況下光源不足，而且旁邊還裝有觸控模組，可以直接控制電致變色薄膜的透光度及LED的亮度，讓不想拿手機出來的人也能直接調控。 光線控制講究人性化 現代社會越來越講究科技跟智慧化，都可以做到偵測人在的時候開燈；人離開時關燈，所以筆者想到人們在室內時，常常會遇到太陽太刺眼，必須去把窗簾拉起來，但有的時候拉起窗簾又覺得光線不足，導致今天如果要看資料或電腦時，眼睛會很吃力。 為了解決這個問題，筆者想到可以利用微控制器控制電致變色薄膜，達到自動調整室內光源的效果，不僅能讓室內的人處在舒適的光源下，還能讓眼睛不會因為光源漸弱或漸強而更加疲勞，畢竟眼睛是一個很敏感的視覺器官，若周圍光源強弱一直改變，會導致眼睛為了適應光源而更加疲勞，所以為了讓大家有個更舒適的生活環境，才想要設計一款能夠自動調光的系統。 目前室內擁有可調光的電致變色薄膜並不普及，而能夠自動調節光源的幾乎沒有，而本文示例的特色除了能夠自動調節光源外，還可以透過Wi-Fi模組讓手機可以控制，要讓電致變色薄膜全透光或是不透光都可以(圖1)。 圖1　電致變色薄膜解釋圖 透過觸控模組啟動系統後，有三種模式可以選擇(表1)。首先，於自動模式，會先偵測現在光照度是否超過設定值，若超過設定值則讓玻璃變霧態，然後再依環境光源適度調整，反之沒超過設定值，則直接依照環境光源調整；其次為手動模式，在該模式下可以自由選擇玻璃及LED的狀態，玻璃能夠遠則霧態或透明，LED則是亮度大小；最後為語音模式，於該模式下只要打開手機使用內建的語音助手(Android-Google Assistant/Apple-Siri)，直接對著手機說打開或是關閉，就能夠直接操控，專門設計於不想使用App或是去按觸控板的人。 表1　模式功能比較表格 電致變色薄膜最大的特點就是能夠更改它的透光度，而本文就是利用這個特性來設計一個自動調光的系統，而自動調光最大特色的點就是能讓室內的環境光源永遠保持一致，再加上有三種模式可以選擇，可以讓使用者選擇自動、手動或是語音，打造出智慧家庭的雛型。 其實大家對於電致變色薄膜最大的疑問應該就是它耗電的問題，而筆者已經研究過了，電致變色薄膜的功率約為1W/sft(每平方英尺)，而電致變色薄膜就算全裝上，其實每小時平均消耗最多也只會有5瓦，相對於室內其他會用電的東西，已算是非常省電，只要花少許的錢，卻能享受到更好更優質的生活品質。 調光系統運作原理 微控制器主要核心功能 本作品使用盛群(Holtek)HT66F70A作為MCU，利用光照度感測器來判斷現在環境光源是否要開啟電致變色薄膜：光源若不足電致變色薄膜則變全透明；光源若足夠則讓電致變色薄膜變不透明。同時也能透過觸控模組來選擇模式，有自動、手動和語音，手動跟語音都可以直接控制電致變色薄膜的透光度，也能控制LED的亮度。 電致變色薄膜玻璃基板 電致變色薄膜玻璃是一種可藉由通電來切換的玻璃，當通電時，液晶分子規則排列，入射光線可通過，使電控液晶膜/玻璃從乳白不透明狀態轉為透明。相反地，當斷電時，液晶分子呈現隨機排列，入射光被散色，使電控液晶膜/玻璃呈現不透明狀(圖2)。 圖2　透光度與電壓關係圖 MCU架構分層工作 NodeMCU是基於ESP8266的開發版，其架構主要分為硬體層(Hardware)、韌體層(Firmware)和軟體層(Software)三個部分，而其支援無線802.11 b/g/n標STA/AP/STA+AP三種工作型態，內建TCP/IP協定堆疊；支援多路TCP Client連線、支援豐富的Socket AT指令。 HTTP協定 HyperText Transfer Protocol(HTTP)是一種用戶端瀏覽器和伺服端伺服器之間溝通的標準協定，他是屬於OSI七層模型中的應用層。HTTP協定中，每個物件從伺服器中獲取都需建立一個TCP連接，通訊埠(Port)號80來傳輸網頁的HTTP服務。 基本上，HTTP是一種Client/Server的應用，Client端透過網址、超連結向Server下達HTTP請求(Request)，請求Web Server的虛擬目錄(Virtual Directory)的資源(html、Image or Backend的執行結果)，處理完畢後，使用MIME格式回應(Respond)回Client端，目前主要版本有HTTP/1.0、HTTP/1.1、HTTP/2.0(表2)。 表2　HTTP請求代碼與回應代碼表格表 滑條型電容式觸控模組 電容式觸控感測模組適合用來作為直覺式的調整數值應用，當手指觸摸PCB上的滑條型銅箔區域時，銅箔區域的電容量會產生變化，藉由偵測電容的變化量及產生變化量的位置，可以做到類似滑動控制的效果。 而圖3中8顆LED的位置分別代表一個Byte，由右至左分別為0×00~0×07，而本文利用這八個位置將產品做了不同的功能選擇(表3)。 圖3　滑條型電容式觸控模組 表3　滑條型觸控模組各位置功能 四鍵電容式觸控感測模組 四鍵電容式觸控感測模組則適合用來作為按鍵的替代品，當手指觸摸PCB上的銅箔區域時，銅箔區域的電容量會產生變化，藉由偵測電容的變化量而產生類似按鍵的效果(圖4)。 圖4　四鍵電容式觸控感測模組 而本文利用觸控的KEY1~KEY4做了4個不同的功能選擇，如表4所示。 表4　觸控感測模組各位置功能 光照度感測器 採用ROHM原裝晶片，供電電源：3~5V，光照度範圍：0~65535 lx，感測器內建16Bit AD轉換器，直接數位輸出，省略複雜的運算，不區分環境光源。 而透過實際測量後設好如表5的對應動作。 表5　GY-30光照度對應狀態表格 I2C I2C(Inter-Integrated Circuit)，唸做I-square-C，它是恩智浦(NXP)開發的通訊協定，主要用來作為IC之間的通訊。由於I2C只用兩條線通訊SDA(Data)/SCL(Clock)，因此較省空間。I2C是序列式的傳輸，一個叫做SDA專門用來傳送資料，另一個叫SCL是用來傳Clock。資料格式依序是由Start Condition所開始，然後開始傳資料，最後Stop Condition結束。 繼電器模組 繼電器是一種電子控制元件，它具有控制系統(又稱輸入迴路)和被控制系統(又稱輸出迴路)，通常應用於自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種「自動開關」。故在電路中具有自動調節、安全保護、轉換電路等功能(圖5)。 圖5　繼電器常開/閉示意圖 最終成品結構剖析 系統方塊圖 圖6為系統方塊圖，有三種模式可以選擇：自動模式會透過光照度感測器自動判別環境光源，並適當調整；而手動模式則可以透過滑動觸控模組調整；語音模式則是透過Wi-Fi模組與手機Siri連線。 圖6　系統方塊圖 自動模式程式流程圖 圖7為自動模式之系統流程圖，先透過四鍵觸控模組開啟系統後，選擇自動模式，接下來透過光照度感測器判別環境光源，讓玻璃與LED做出對應的狀態。 圖7　自動模式程式流程圖 手動模式程式流程圖 圖8為手動模式之系統流程圖，先透過四鍵觸控模組開啟系統後，選擇手動模式，接下來開啟滑動觸控模組，再透過手滑動的位置做出對應狀態。 圖8　手動模式程式流程圖 語音模式程式流程圖 圖9則為語音模式之系統流程圖，先透過四鍵觸控模組開啟系統後，選擇語音模式，接下來使用手機之Siri功能喊出對應指令，MCU收到指令後會做出其對應動作。 圖9　語音模式程式流程圖 Siri功能介紹 透過向手機Siri說出指令，手機會傳送對應動作訊息給MCU。 系統測試方法 如何測試，可先透過KEY1開啟系統，再選擇KEY4手動模式，接下來使用旁邊的滑動觸控模組，即可調控玻璃及LED狀態；若選擇KEY3自動模式，系統會自動依環境光源對玻璃及LED狀態調整；至於選擇KEY2語音模式，拿出手機說出指令，即可透過手機語音控制產品。 而測試條件，需要有光照度感測器、滑動觸控模組、四件觸控模組、NodeMCU模組、電控變色玻璃、繼電器。 至於測試結果，則是將燒錄好程式的作品開啟後，先測試手動模式，滑動觸控模組是否能夠控制玻璃及LED狀態，再測試自動模式，程式是否會依環境光源自動變化，最後測試語音模式，先看區域網路是否有連接到，連接到同個區域網路後即可拿出手機對其做出指令，再看產品是否有做出其指令。 (本文作者謝振榆為國立虎尾科技大學教授，賴英傑為學生)

本地儲存的數據分為兩類，一類是運行時執行的應用程式，另一類是運行期間使用的本地數據。應用程式包含製造商的知識或IP，因此設備製造商需要防範其知識被竊取、再利用或抄襲。數據通常儲存在設備上，可以傳輸到另一個相同的設備，並在其中進行更新，因為所有設備都具有相同的屬性。而本地數據會在最終環境中設置設備或在設備運行期間儲存。不同設備包含不同的數據，更新頻率通常高於應用代碼。保護這類數據的原因多半基於考慮設備用戶，因為數據中可能包含用戶環境的敏感資訊。儘管保護數據的動機不同，但保護數據免遭外部存取是這類型數據的強制要求。 聯網需求影響安全風險 裝置聯網與否對安全實施方案的級別選擇而言，是一個非常重要的問題。對於沒有任何連接、獨立運行的設備，發生的攻擊可能只會來自於直接的實體存取。雖然實體存取所帶來的風險，就製造商保護設備內部的IP而言，仍舊是個問題，但用戶數據則不容易受其影響，因為攻擊者通常無法直接存取設備中的數據。 下一級連接則是在本地封閉網路中運行的設備，它們不會連接網際網路，因此攻擊者必須先存取封閉網路，然後才能攻擊設備，但設備同樣需要抵禦外部存取，避免成為進入封閉網路的入口。最後是直接連接到網際網路的設備，它們需要最高級別的安全實施方案，因為潛在攻擊者不再局限於本地連接，而是遍及全球，攻擊力道無法估量。此外，這一類攻擊會越來越多。 依裝置聯網與否選擇安全應用類型 為了更具體地說明這個主題，以下假設一個完全虛構但足夠真實的案例，其反映真實應用的安全需求。以裝有指紋感測器的門鎖為例，透過刷指紋可以進入公司大樓的限制區域。這個感測器採用非常聰明的演算法，能夠在設備中儲存50個最常用的用戶指紋，而占用的記憶體極低。這是最能吸引市場客戶的特色。對於其他使用者，設備透過公司Wi-Fi網路連接到伺服器，對比已儲存指紋，需要更多時間才能准許進入，由此可見，內部儲存的數據是強大優勢。Wi-Fi網路還需要存取網際網路，才能接受製造商對設備進行無線更新。 作為設備製造商，必須設計一個確保應用安全的方案(圖1)，而安全方案依照裝置是否有聯網需求可分為兩類。第一類要保護的數據是指紋演算法的IP。這是設備本身的價值所在，應防止任何攻擊者透過直接連接或數據連接存取設備。設備接入網路時，僅保護設備中的MCU免遭讀出、複製或重新程式設計是不夠的，必須同時保護IP，以免攻擊者連接記憶體後轉印IP。 圖1　設備製造商必須設計確保應用安全的方案 第二類必須注意的數據是用戶數據，即本例中的已儲存指紋和網路存取數據。如上所述，如果只能透過物理方式存取設備，攻擊者會更難獲取用戶數據。透過網際網路連接存取則更容易獲取數據，因此需要加強針對攻擊的安全防護，協助保護使用者數據及其網路，並且設備內部必須實施安全方案才能形成完整的安全設置(圖2)。 圖2　須加強針對用戶數據的安全防護 兩種IP保護級別 根據前述的範例，保護已儲存的數據有幾個安全前提。為了聚焦於數據安全，在假設所用設備具有安全措施的前提下進行討論。就IP保護而言，可以執行幾種保護級別，這取決於所選的安全方案和定義的保護範圍。首先，裝置中使用的MCU必須能夠防範不必要的偵錯存取和重新設計程式。實現這種關鍵保護的方法有很多種，需要對比不同的執行方法做出判斷。不同的供應商使用不同的保護方法，這些方法也具備不同的安全能力，選擇時須注意該方案不只防止裝置被意外篡改，且需確保安全。 下一級是使用能夠支援不同存取區域的MCU，可以是信任或不受信任的MCU，這樣可避免MCU的核心直接存取IP，防止數據輕易地被轉存。這一級別同樣有不同的解決方案。最常見的是可以用於上述目的的記憶體保護單元(MPU)方案或基於Arm微控制器的TrustZone方案。最後，以加密方式將IP儲存在設備上，可以加強物理攻擊的防禦，因為非揮發性記憶體中並沒有可讀數據的IP，無法透過封裝或電子顯微鏡分析來讀出IP。因此，儲存在MCU中的加密密鑰也必須防止讀出、從CPU直接存取，且加強安全儲存以避免讀出金鑰和加密IP，進而存取機密資訊。如果以加密形式儲存演算法，必須在設備RAM中解密和執行。這是儲存IP最安全的方法，但需要將儲存演算法的RAM納入MPU的可信範圍。 限制MCU存取/演算法加密 確認安全類型與IP保護級別後，需要考慮最終客戶儲存在設備中的數據安全。在前述範例中，已儲存的指紋數據能夠加速相應區域的存取，而且存取客戶網路時，有利於連接到儲存所有指紋數據的伺服器，這樣製造商也可以方便未來進行韌體更新。基本上，相同安全措施可以重複應用，因為該操作是針對設備中儲存的IP執行。進一步決定運行中的強制性安全實施方案級別，設備應防止數據讀出或程式重新設計，避免安裝任何透過網路向攻擊者提供數據的惡意軟體。此外，區分受信任和不受信任記憶體區域也很有幫助，因為這樣可以限制MCU存取記憶體數據的可能性，有助於提高攻擊難度並加強保護。 最後，數據加密是強制性措施，同時對性能產生負面影響。所有已儲存指紋必須先解密，演算法才能開始運算，因此須事先考慮外掛程式的性能影響。另一方面，直接接觸客戶大樓內的設備可能很難，如果這種外掛程式是強制性的，則需要考慮實體存取。只要攻擊者無法接觸此演算法，面對已儲存指紋數據的裝置就無計可施。如果透過網路存取的數據則不同，針對性能的負面影響幾乎為零，因為一天只需要運行一、兩次，但如果能直接接觸設備，以未加密數據形式讀取網路存取代碼，就能取得客戶網路的完整存取權限，造成無法預期的危險。另外須要強調，儲存加密密鑰時的安全級別必須高於數據本身，以避免對加密數據進行任何不必要的存取。 選擇可滿足安全需求之MCU 如何執行安全防護以及採用何種程度的安全方案，始終取決於應用、預期攻擊者以及攻擊者對受保護設備或數據的存取形式。這意謂著面對每種安全方案，開發團隊必須在專案初期就詳細考慮，決定哪種MCU能夠滿足所有的安全防護需要。未來隨著動態數據功能的增加或無線安全編程的發展，安全需求會越來越高。 (本文作者Markus Vomfelde為瑞薩物聯網和基礎設施營業單位資深經理；Brad Rex為瑞薩物聯網和基礎設施營業單位資深產品行銷經理；Zachary Ellis為瑞薩物聯網基礎設施營業單位資深行銷專員)

事實上，在USB出現以前，就已經存在各種不同的連接技術，分別針對特定的產品應用，發揮獨特的優勢。相關的拓撲涵蓋了各種形態、規格與腳位組態的序列與平行匯流排，如此一來，就無法使用單純而統一的方式連接多重裝置，無法實現「隨插即用」。個別的接頭則採用了各自的通訊協定，每種協定也分別化為不同的實體介面，導致各種周邊裝置大致依據介面分別劃分的情況。 USB在1996年問世之後，實體介面終於邁向標準化，這得歸功於通用接頭的設計以及第一款真正實現「隨插即用」體驗的強大驅動程式。如此一來，同時使用多重周邊裝置更為容易，更能確保迅速而優異的資料傳輸速度，這樣的成就不僅卓著，更開創了USB介面的後續發展與無限可能。 多媒體裝置也好，儲存解決方案也罷，有了這種新技術，才能簡單輕鬆地連接至個人電腦，大量資料檔案的傳輸也不再曠日費時。值得注意的是，在相關規格持續演進的過程裡，USB技術的指導委員會強烈主張向後相容性不容妥協，確保了這種規格長期成為業界主流以及較具吸引力的選擇。 Type-C供電/傳輸兼顧 USB支援供電的能力幾乎與資料傳輸能力同等重要。表1反映了USB Type-C充電裝置的充電能力。而USB連線供電已經成為目前最普遍的攜帶式裝置充電方式，因此移往USB Type-C接頭之後，這種方式勢必更加根深蒂固。 表1　USB TYPE-C供電選項 藉由USB接頭的標準化，製造商就能透過單一連線，同時滿足資料傳輸與電力供給的兩大需求，同時消費者所選購及使用的變壓器也得以邁向標準化。智慧型手機製造商固然花費了許多年的時間才達成共識，確保USB介面的供電與充電成為主流，可以預期的是，產業整體也會非常樂意接受USB Type-C接頭的新規格。 這當中的主因確實是更優越的資料傳輸能力，但更高的供電功率同樣也是相當重要的考量。 在USB Type-C接頭問世之後，USB的現有地位幾乎取代了消費電子產品領域的其他各種介面。 它能以一條連接線同時支援了裝置供電、原始資料以及HDMI、DisplayPort等多媒體介面，這項特質自然成為USB普及於所有家庭以及各種裝置的最大功臣(圖1)。 圖1　USB TYPE-C支援資料、供電以及影片等多領域 USB Type-C介面已能支援DisplayPort 1.4(速度高達8.1Gbps)及HDMI 2.0(速度6Gbps)等規格，這意謂著USB 3.2的連線可以針對種類繁多的多媒體裝置同時提供電力以及資料傳輸，相關裝置包括機上盒、數位投影機，乃至於筆記型電腦等。 人們已經看到了部分的筆記型電腦僅提供USB Type-C介面，這點大幅簡化了纜線需求，但同時也造就出各種USB擴充基座在短期、中期內的市場需求，據此繼續支援舊款裝置。 USB 3.2 Gen2的SuperSpeed Plus USB運作速度高達10Gbps，推出後將可確保USB介面繼續主導包括虛擬實境(VR)在內的新興產品應用。這點大幅簡化了原有的VR體驗，只需一條資料線，就能取代影像、電源和資料的多重連線。 USB 3.2資料速率更高，能促使高解析度內容在電腦與耳機之間快速傳輸或串流，同時也能針對垂直消費者以外的其他產品應用締造價值，例如汽車市場的工業機器視覺及成像。 許多圖形應用，例如電玩遊戲、VR、機器視覺、醫學影像、汽車及自動化交通工具等，都需要更高的頻寬來傳輸影像內容。 這指的經常是USB Type-C第1代以及USB Type-C第2代之間最關鍵的差異，也就是速度。 第1代支援5Gbps的傳輸速度；至於第2代的速度則加倍提升至10Gbps。Gen1和Gen2都能透過USB Type-C介面支援高達100W的供電。 以Type-C實現安全供電 若能透過資料傳輸線材直接提供這種等級的電力，就能在大多數的筆記型電腦上直接省略專用的電源孔，此外也能針對新的USB產品應用開展出更多可能性。舉例來說，這項功能可以擴大應用於住家自動化，也能用於電力需求更高的各種工業應用。 這種等級的供電十分強大，因此近期USB開發者論壇正朝向USB充電裝置認證的方向努力規畫設想，令人感到非常欣慰。如圖2的標誌就是從這裡衍生出來的，用以標示充電器供電能力的輸出瓦數。而處理供電的其實是USB Type-C接頭上的專用傳輸通道，使用了訊息通訊協定，允許個別裝置互相協調所需的電力以及流動方向。這些機制也是為了打擊市場中的仿冒充電裝置可能帶來的威脅，並且針對侵權者盡力檢舉。 圖2　具USB認證的充電標 Type-C實作考量 藉由USB Type-C規格實作USB 3.2新功能，勢必將為研發人員帶來額外的設計挑戰。 舉例來說，兩項裝置連接之際，必須設法判定哪一方是主機、哪一方是裝置，在特定的情況下，也會遇到雙方同時支援雙重角色模式的可能性，兩邊都能分別扮演主機或外接裝置。舉例來說，平板電腦對於隨身碟來說可以扮演主機的角色，相對於個人電腦則可以作為外接裝置。 相關的協調與聯絡，則取決於連線本身是否僅支援資料傳輸，或同時支援資料以及替代模式，例如影像等。同時這當中也包含了供電需求，例如主機/裝置究竟是需要接受供電還是負責支援供電。 其他的考量則包括了資訊交換，藉此確認需要或支援什麼樣的資料速度，以及主機/裝置是否相容於Gen1或Gen2規格等等。此外，尚須一併考量連線的組態設定，畢竟USB Type-C接頭的設計不論是正面或是反面都能插入插槽，沒有所謂的插對了或者插反了。 為了克服這個問題，通常會另外使用多路裝置翻轉連線，如欲同時支援資料與影像傳輸，就需要包含交叉切換器(Crossbar...