電子工程專輯2012 三月號
作者：EE Times編輯團隊
變革是電子領域?久不變的主題，特別是在今年初於美國拉斯維加斯舉行的國際消費電子展(CES)上，《EE Times》的編輯群發現消費電子領域正經歷一場前所未有的巨大變化──以下就是我們認為將為今年的消費電子市場帶來重大變化的十項重大技術。
動作處理
動作處理器利用MEMS感測器的特性使其不僅能探知設備的方位，而且能確定設備在三維空間中的前進方向和絕對位置。融合來自於加速度計、陀螺儀、磁力計和高度計(大氣壓力感測器)的數據串流後，就可以針對任何對象進行追蹤。手勢能夠控制硬體(從遊戲機到汽車導航系統)或通知軟體(從安全協議到定位服務(IBS))。
MEMS慣性感測器曾經是用於使太空船和海軍艦艇保持在正常航線的羅盤針設備上的關鍵元件，而今其體積已經大幅縮小、成本更低且具備低功耗，而足以廣泛地應用於更輕薄小巧的行動設備中。
幾乎就在一夜之間，MEMS慣性感測器就已經成為用於掉落偵測(例如在硬碟掉落撞擊地面之前自動鎖定)到手勢識別(例如將iPhone 4S靠近耳邊就能啟動Siri)等各類應用的標準配備了。智慧型電視(Smart TV)開始採用帶有MEMS的遙控器，使其能夠利用從Hillcrest Labs和Movea授權而來的動作處理算法，更加精確地控制螢幕上的游標。

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2012年，行動設備製造商將開始整合更完整的慣性導航單元(INU)，其中將會包括預校準的加速度計、陀螺儀和磁力計。Invensense公司日前已經發佈單一4x4 mm2封裝的完整INU，幾乎可為所有行動設備提供LBS服務、擴增實境(AR)和資產追蹤等功能。
GPU運算
在繪圖處理單元上進行的通用運算或‘GPU運算’領域中，傳統上由系統CPU或應用處理器進行的特定運算現在可以卸載到GPU完成。在繪圖渲染管線中增加可程式管線、排程程式和高精度浮點功能，就能夠實現GPU運算技術，但直到現在，由於缺少系統級和軟體級的支援而阻礙了它的發展。隨著API和平行功能編程語言(如CUDA、DirectX運算、OpenCL、OpenGL Shading語言和Renderscript計算)的推出，這種情況可望加以改變。
將程式的內部平行迴路從CPU卸載到GPU，就能夠提高性能和節省功耗。由於GPU能夠降低功耗、改善顯示器的視覺效果、提升遊戲和用戶介面的響應性能，因此實際上比CPU還要重要。
在GPU既有的繪圖渲染任務中增加GPU運算是精簡CPU成為只需管理處理器或主處理器的另一步。已經在GPU上實現的運算應用包括移動物件的物理學，這也是用於渲染以前進行場景計算的一部份；可受益於GPU運算的應用，包括數學函數、2D和3D場解算器、模擬器、加密、篩選與排列，以及一些資料庫功能。

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支援這一趨勢發展的廠商及其產品包括英偉達(Nvidia)公司的繪圖晶片和CUDA平行編程平台；Khronos產業組織提供的API定義(如OpenCL和OpenGL)；ARM公司提供的Mali系列GPU，包括在架構設計時就考慮到GPU運算的T604和T658版本；以及Imagination Technologies公司提供的PowerVR系列GPU核心。
Android系統無所不在
Google Android將成就未來的十年的榮景，就像微軟(Microsoft)的Windows在1990年代出盡風頭一樣。Android將成為電子市場中湧現出無數有趣且多樣化設備的軟體支援平台。
幾十年來，電子產業一直在尋找免費、開放的通用軟體基礎，但終告失敗。到了1980年代開始出現對於電腦採用統一Unix的要求。最近，這一追尋的目標變成了針對行動與嵌入式Linux所用的單一通用版本，期望能共同應用於從主流的智慧手機、平板電腦和聯網電視到廠房系統等所有設備。
Google Android系統比以往的一切努力更加接近於實現這一夢想了。由於ARM處理器的處理能力不斷增強，Android還將進一步成為筆記型電腦和PC的作業系統。

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在智慧手機領域，Android系統的出貨量已經超越蘋果(Apple)的iOS以及其它作業系統了。來自手機製造商的廣泛支援正是為所有系統中長時間使用提供的最佳保證。Google最近正致力於在Android 4.0新版(Ice Cream Sandwich)中整合平板電腦和智慧手機的功能，從而強化其程式碼基礎。
然而，Android也並非總是一帆風順。Android使用了一種稱為Dalvik的非傳統Java虛擬機，甲骨文公司(Oracle)因而控告Google及其Dalvik侵犯其Java專利。如果Oracle最終贏得訴訟，那麼原先可望實現軟體統一的Java，終將冒著不得不放棄Android的風險。
另一方面，Android相對來說也還不夠成熟。直到2011年，Google才承諾在平台上支援USB。但目前已經有大量工具可帶動Android擔當不同角色了。明導公司(Mentor Graphics)很早就投入這一領域。最近，Wind River公司也推出用於嵌入式系統的現場工具和Android軟體版本。
Win8支援ARM架構
Windows 8在設計時就考慮到觸控螢幕，以及能夠支援滑鼠、鍵盤或觸控筆輸入等功能，也是微軟首款可同時支援ARM和X86處理器的作業系統。
Windows 8採用微軟基於文字排版設計語言的Metro介面，它最早是為Windows Phone 7而開發的。這種用戶介面由一組更新元素(提供從電子郵件到社交網路、從日歷到聯絡人等應用)組成，必須使用1024x768或更高的螢幕解析度。

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Metro的風格外觀也可應用於IE 10，這是一款隨微軟的新作業系統發佈的HTML5瀏覽器。然而，對於那些偏愛較傳統Windows感覺的用戶，則可在Windows註冊設定下關閉Metro用戶介面。
Win8具有許多特色功能，例如基於照片的最新認證；支援USB 3.0；內置Windows應用程式商店；支援多個監視器，能夠顯示不同的背景影像和客製化工作表，實現多PC體驗。Win8作業系統包括一個封裝好的、基於Silverlight的應用模型AppX，還包括Open Packaging Conventions。針對企業應用，它也可在Windows To Go規格下透過USB連接驅動器直接作業。
為了進一步支援雲端計算，微軟還可以利用Windows Live ID從不同的電腦上實現本地PC體驗。這種技術可以儲存用戶帳號設置，無論用戶在哪?登錄都可以再次使用這些設定。
Win8作業系統的混合啟動(Hybrid Boot)功能可實現更快的開機和關機功能，不過這個功能並不代表執行ARM版Win8作業系統的設備也可以執行其它作業系統，如Android。
英特爾(Intel)、Nvidia、高通(Qualcomm)和德州儀器(TI)等公司都表示將提供執行Windows 8的設備，但至今為止，要在ARM處理器上展示Win8作業系統還一直受到微軟的嚴格控制。
免觸控人機介面
觸控式人機介面全面席捲了2011年的電子市場，但免觸控式介面也正快速發展中。
免觸控人機介面(touch-free HMI)在PrimeSense公司開發的XobKinect上首次實現商用化，該公司的紅外線發射器和檢測器可以辨識人手在半空中劃出的手勢。2012年預計還將會出現更多基於相機的各種免觸控人機介面，包括微軟去年從Canesta公司收購的解決方案。
微軟準備推出一系列基於紅外線的手勢介面，用於基於Canesta紅外晶片的行動設備。這種技術使用畫素級時差測距方法，以推斷距場景中任意物體的距離，它不但與光線強弱無關，也不受其它物體阻擋或與背景物體混合的影響。
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TI公司最近發佈一種利用LightCrafter數位光學處理器(DLP)的免觸控介面解決方案。先使用結構化光線照明技術將光線條投射到用戶的手上，然後用傳統的影像晶片測量光線條中的失真情形，最終實現能夠推斷人手3D形狀的演算法。
FlashScan3D公司也已經在一種技術中使用TI的LightCrafter晶片，該公司的這種技術無需觸控就能讀取指紋。該公司承諾今年還將推出更多的相關應用。
TI公司正與瑞典Neonode Technologies AB公司合作，推出一種紅外線光學偵測器，並將它嵌入於Barnes & Noble、Kobo和Sony公司電子書閱讀器觸控螢幕四週的邊框內。這與美國NextWindow公司為惠普(HP) TouchSmart PC所設計的更大版本類似，Neonode的行動設備版本可讓用戶不必用手指按壓顯示器也能操作設備，從而有利於減少指紋產生。
會說話的智慧代理
Siri是一款可執行語音命令的雲端智慧代理，能夠以自然對話的方式直接回答用戶的提問，因而儘可能不使用到搜索引擎。Siri是美國國防部先進研究計劃署(DARPA)的產物，一開始作為一種‘會學習和整理的認知型助理’(CALO)。它是史丹佛研究院(SRI International)進行的，項人工智慧計劃，到了2007年獨立而出成立商業公司，後於2010年被蘋果公司收購，並於2011年成為iPhone 4S上的Siri。
Siri基於雲端的自然語言理解(NLU)功能整合了來自Nuance Communications公司的語音辨識技術、用於蘋果應用程式的語音命令功能，以及來自WolframAlpha公司的咨詢處理技術。用戶可以話音命令進行撥號、發送簡訊、安排行事曆事項、設置提醒、獲取方向、發送電子郵件、查詢天氣報告、取得最新股票價格、設置喚醒鬧鈴、瀏覽地址簿、做筆記或選擇音樂播放等。

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話音諮詢使用WolframAlpha知識庫來回答問題。當無法使用WolframAlpha提供滿意的答案時，Siri可將問題轉發給用戶所選擇的搜索引擎(如Google Voice)。
其他公司也已做好自然語言理解(NLU)黃金發展期的準備。IBM公司計劃在今年修改從Open Advancement of Question Answering組織中取得的‘Watson回答問題’人工智慧技術，來回答醫生的提問。
新型矽材料：石墨烯
碳奈米管和平面石墨烯正帶來一場電子革命，最終將取代電子設備中大部份的金屬和矽用量，並逐漸實現更快、更輕和更低功耗的產品。
今天，這種新材料僅僅用於迫切需要的地方，例如取代平面顯示器中日益稀有且昂貴的銦錫氧化物。噴墨印表機可沈積奈米管墨水形成顯示器或甚至太陽能電池用的透明電極陣列圖案。因為碳電路可在低溫條件下印刷，所以像OLED等要求可撓性基板的應用都開始轉用基於碳的墨水，其電子遷移率也比目前使用的有機材料高10倍。
碳的熱特性也是可調整的──這種特性並促進了奈米管的發展，並可望於2012開始替代傳統的焊盤。沈積在平板上的石墨烯最終將取代金屬互連、半導體和絕緣氧化物。IBM最近展示一款使用石墨烯的2GHz電晶體，TI最近則展示在完整晶圓上生長石墨烯的進展。

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最近在Brookhaven國家實驗室的實驗證明，石墨烯可將超級電容的能量密度提升至與可充電電池相同的規格，且其壽命還較電池更長25年。研究人員們並致力於研究石墨烯的彈道電子傳送性能，希望利用量子、光學和磁性效應分別實現運算、通訊以及更高密度的記憶體電路。
嵌入式視覺
嵌入式視覺將嵌入式系統和電腦視覺整合在一起。業界正試8透過數位處理和智慧演算法來實現電腦視覺，並用於解譯影像或視訊中的意思。功能強大、成本低和高效能的處理器是實現這種技術進展的重要推動力。
微軟的Xbox Kinect遊戲控制器使用嵌入式視覺追蹤玩家的動作，玩家不必再手持控制器。這種針對大量應用開發的嵌入式視覺解決方案可望在未來幾年中得到快速發展。例如，嵌入式視覺聯盟(EVA)創始人Jeff Bier認為，基於嵌入式視覺的車載安全系統將顯著減少汽車事故發生。

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去年，Berkeley Design Technology (BDTI)公司主導一群公司組成EVA，指導系統開發人員設計出實用的嵌入式視覺平台，包括晶片、照相機、演算法、工具和編程語言。在20多家EVA成員間有多家致力於設備平台和設計工具的半導體公司，包括AMD、ADI、CEVA、飛思卡爾半導體、Intel、Maxim、Nvidia、TI和賽靈思。
EVA成員將力圖解決仍然阻礙這種技術發展的難題，使其成為手勢辨識系統中的一個通用特性。在針對多學科領域的任務列表中，這些開發工作涉及照明、光學、影像感測器、處理器、先進演算法和軟體程式碼。
家庭保健中心
家庭保健中心用於集中來自病人家庭中各種感測系統的數據串流。單一無線路由器可以將雲端資源連接到環境感測器(針對溫度、濕度和空氣品質)、醫療感測器(如血壓監測器、血糖儀、體重計和脈搏血氧計)以及能聯繫個人緊急回應系統(PERS)的可穿戴式感測器。許多家庭現在都可透過Wi-Fi路由器連接網際網路，但家庭保健中心絕不能有連線死角，因而需要更加安全的無線連接。
家庭保健中心已經由先進醫療服務供應商進行市場行銷了，如Independa公司。該公司在CES數位保健高峰會(Digital Health Summit)上展示了自有的系統──Artemis軟體透過由Boston Life Labs製造的HBox無線中心監視醫療與安全設備，以及家庭環境感測器。HBox將收集到的資料以數據串流的形式傳送到Independa的雲端伺服器，以供記錄和進行醫療分析。

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飛思卡爾公司有一款針對家庭保健中心的參考設計，它將Wi-Fi、乙太網路、USB、藍牙和ZigBee整合於路由器中，並透過路由器同時與雲端資源(如微軟的HealthVault)和病人的平板電腦進行通訊。這款參考設計包括可用來啟動PERS的次GHz級無線電設備。
適地性服務(LBS)
行動設備可以透過行動網路存取適地性服務(LBS)。根據市場觀察公司Pyramid預測，2015年行動運營商的LBS收入可望從2010年的28億美元增加到103億美元。
在LBS底層，定位技術供應商提供用於判斷用戶位置的硬體或軟體解決方案。輔助GPS(A-GPS)用於改善衛星定位系統的啟動性能或首次定位時間(TTFF)，並能透過擴展與具有GPS功能的行動電話共同使用。A-GPS透過蜂巢式網路取得並儲存有關衛星位置的資訊，並在無法取得GPS訊號時使用鄰近蜂巢式基地台計算用戶位置。

在CES上，A-GPS晶片供應商CSR展示其SiRFstarV和SiRFusion平台如何實現室內導航功能。該平台晶片支援GPS、Galileo、GLONASS和Compass衛星，能將多個衛星訊號和感測器輸入‘融合在一起’，因而能連續提供精確的位置資訊。SiRFatlasV ARM 11/DSP雙核心架構無縫整合了CSR的音訊和連接平台。
博通(Broadcom)公司透過收購Global Locate公司也成為A-GPS解決方案的供應商。其BCM4750 GPS接收器將基頻部份和低雜訊無線前端整合在一起，設計用於連接個人導航設備中的主處理器。博通公司表示，由於BCM4750是一款基於主機的GPS IC，因此能夠以最小的PCB面積提供最高的定位性能。