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來源：半导体行业观察
隨著物聯網的逐漸鋪開，人們已經在生活中看到了越來越多的物聯網模組：智慧水表，共享單車，等等。
目前的物聯網仍然主要由電信商推動，物聯網模組需要使用標準蜂窩協議，與基地台通訊。
由於基地台需要覆蓋盡可能大的面積，因此物聯網模組需要能做到，在距離基地台很遠時，仍能通訊，這就對於物聯網模組的射頻發射功率，有了很高的要求。
從另一個角度來說，物聯網模組在做無線通訊時，仍然需要消耗高達30mA的電流，這使得目前的物聯網模組，仍然需要配合較高容量的電池(如五號電池)才能工作，這也導致了物聯網模組的尺寸很難做小。
為了能進一步普及物聯網，必須克服這個功耗，以及尺寸的限制。例如，如果未來要把物聯網做到植入人體內，則不可能再搭配五號電池，而必須使用更小的電池，甚至使用能量獲取系統，從環境中獲取能量，徹底擺脫電池的限制。
為了實現這個目標，從通訊協議上說，可以使用更低功耗的自組網技術，類似BLE；而從電路實現上，則必須使用創新電路來降低功耗。
能量獲取技術
根據之前的討論，目前電池的尺寸和成本，都已經成為了限制IoT設備，進一步進入潛在市場的瓶頸。那麼，有沒有可能使用從環境中獲得能量，來支持物聯網節點工作呢？這種從環境中獲取能量，來支持物聯網節點工作的模組，叫做「能量獲取」(energy harvesting)，目前能量獲取電路晶片的研究，已經成為了研究領域的熱門方向。
目前最成熟的能量獲取系統，可以說是太陽能電池。傳統太陽能電池，能提供較好的能量獲取效率，但是付出的代價，是難以整合到CMOS晶片上。
最近，不少研究機構，都在使用新型CMOS太陽能電池，從而可以和物聯網節點的其他模組，整合到同一塊晶片上，大大增加了整合度，並減小模組尺寸。
當然，整合在CMOS晶片上的太陽能電池，需要付出低能量輸出的代價，目前常見的CMOS片上太陽能電池，在室內燈光下能提供nW等級的功率輸出，而在強光下能提供uW級別的功率輸出，這就對物聯網模組的整體功耗優化，提出了很高的要求。
另一方面，也可以將能量獲取，與小尺寸微型電池配合使用，當光照較好時使用太陽能電池，而在光照較弱時，使用備用電池，從而提升整體物聯網模組的電池壽命。
除了太陽能電池外，另一個廣為人知的環境能量，就是WiFi信號。今年ISSCC上，來自俄勒岡州立大學的研究組，發表了從環境中的WiFi信號，獲取能量的晶片。
先來點背景知識：WiFi的最大發射功率是30dBm(即1W)，在簡單的環境裡(即沒有遮擋等)，信號功率隨著與發射設備的距離平方衰減，在距離3m左右的距離，信號功率就衰減到了1uW(-30dBm)左右，而如果有物體遮擋則會導致功率更小。
俄勒岡州立大學發表的論文中，晶片配合直徑為1.5cm的天線，可以在非常低的無線信號功率(-33dBm即500nW)下，也能工作給電池充電，能量獲取效率在5-10%左右(即在距離發射源3m的情況下輸出功率在50nW左右)。
因此，WiFi信號也可以用來給物聯網模組提供能量，但是其輸出功率在現實的距離上也不大，同樣也需要節點模組，對於功耗做深度優化。
另外，機械能也可以作為物聯網節點的能量獲取來源。壓電效應可以把機械能轉換為電能，從而使用壓電材料(例如壓電MEMS)就能為物聯網節點充電。
使用壓電材料做能量源的典型應用，包括各種智慧城市和工業應用，例如當有車壓過減速帶的時候，減速帶下的物聯網傳感器上的壓電材料，可以利用車輛壓力的機械能，給傳感器充電並喚醒傳感器，從而實現車輛數量統計等。
這樣，機械壓力即可以作為需要測量的信號，其本身又可以作為能量源，所以在沒有信號的時候，就無需浪費能量了！壓電材料的輸出功率，隨著機械能的大小不同，會有很大的區別，一般在nW-mW的數量級範圍。
喚醒式無線系統
傳統的IoT無線收發系統，使用的往往是週期性通訊，或主動事件驅動通訊的方案。週期性通訊指的是IoT節點定期打開，與中心節點通訊，並在其他時間休眠；事件驅動通訊則是指IoT節點僅僅在傳感器，監測到特定事件時，才與中心節點通訊，而其它時候都休眠。
在這兩種模式中，都需要IoT節點主動與中心節點，建立連接並通訊。然而，這個建立連接的過程，是非常消耗能量的。因此，喚醒式無線系統的概念就應運而生。
什麼是喚醒式無線系統？就是該該系統在大多數時候，都是休眠的，僅僅當主節點發射特定信號時，才會喚醒無線系統。換句話說，連接的建立這個耗費能量的過程，並不由IoT節點來完成，而是由中心節點，透過發送喚醒信號來完成。
當建立連接的事件，由中心節點來驅動時，一切都變得簡單。首先，中心節點可以發射一段射頻信號，而IoT節點可以透過能量獲取(energy harvesting)電路，從該射頻信號中，獲取能量為內部電容充電。
當IoT節點的電容充電完畢後，無線連接系統就可以使用電容里的能量，來發射射頻信號，與中心節點通訊。
這樣一來，就可以做到無電池操作。想像一下，如果不是使用喚醒式無線系統，而是使用IoT主動連接的話，無電池就會變得困難，因為無法保證IoT節點，在需要通訊的時候，在節點內有足夠的能量。
反之，現在使用喚醒式系統，中心節點在需要IoT節點工作時，首先為其充電喚醒，就能保證每次IoT節點，都有足夠能量通訊。
那麼，這樣的喚醒式無線系統功耗有多低呢？在2016年的ISSCC上，來自新創公司PsiKick發表的，支持BLE網路的喚醒式接收機，在做無線通訊時，僅需要400 nW的功耗，而到了2017年ISSCC，加州大學聖地亞哥分校發表的喚醒式接收機，更是把功耗做到了4.5 nW，比起傳統需要毫瓦級的IoT晶片小了4-6個數量級!
來自UCSD的4.5 nW超低功耗喚醒式接收機
反射調制系統
喚醒式接收機，主要解決了無線鏈路中，如何低功耗接收信號的問題，但是在如果使用傳統的發射機，則還是需要主動發射射頻信號。發射機也是非常費電的，發射信號時所需的功耗，常常要達到毫瓦數量級。那麼，有沒有可能在發射機處，也做一些創新，降低功耗呢？
確實已經有人另辟蹊徑，想到了不發射射頻信號，也能把IoT節點傳感器的資訊傳輸出去的辦法，就是由華盛頓大學研究人員提出的使用發射調制。反射調制有點像在航海和野外探險中的日光信號鏡，日光信號鏡透過不同角度的反射太陽光，來傳遞信息。
在這裡，信號的載體是太陽光，但是太陽光能量，並非傳遞信號的人發射的，而是作為第三方的太陽提供的。類似的，華盛頓大學研究人員提出的辦法也是這樣：中心節點發射射頻信號，IoT節點則傳感器的輸出來改變(調制)天線的發射系數，這樣中心節點透過檢測反射信號，就可以接收IoT節點的信號。
在整個過程中IoT節點，並沒有發射射頻信號，而是反射中心節點發出的射頻信號，這樣就實現了超低功耗。
華盛頓大學的Shyam Gollakota教授，率領的研究組，在反射調制實現的超低功耗IoT領域，目前已經完成了三個相關項目。去年，他們完成了Passive WiFi和Interscatter項目。
Passive WiFi用於長距離反射通信，使用WiFi路由器發射功率，相對較高的射頻信號，而IoT節點則調制天線反射系數來傳遞資訊。多個IoT節點可以共存，並使用類似CDMA擴頻的方式，來同時發射資訊。
Interscatter則用於短距離數據傳輸，使用行動設備發射功率較低的射頻信號，而IoT節點則調制該射頻信號的反射，來實現資訊傳輸的目的。
Passive WiFi和Interscatter晶片的功耗，都在10-20微瓦附近，比起動輒毫瓦級別的傳統IoT無線晶片，小了幾個數量級，同時也為物聯網節點，進入人體內等應用場景，鋪平了道路。
Passive WiFi(上)與Interscatter(下)使用反射調制，分別針對長距離與短距離。
Passive WiFi和Interscatter還需要使用電信號，因此需要供電，而Gollakota教授最近發表的Printed WiFi則是更進一步，完全不需要供電了!
在物聯網的應用中，許多需要檢測的物理量，其實不是電信號，例如速度，液體流量等等。這些物理量雖然不是電物理量，但是由於目前主流的信號處理和傳輸，都是使用電子系統，因此傳統的做法，還是使用傳感器電子晶片，把這些物理量轉化為電信號，之後再用無線連接傳輸出去。
其實，這一步轉化過程並非必要，而且會引入額外的能量消耗。Printed WiFi的創新之處，就是使用機械系統，去調制天線的反射系數，從而透過反射調制，把這些實體量傳輸出去。這樣，在IoT節點就完全避免了電子系統，從而真正實現無電池工作!
目前，這些機械系統使用3D列印的方式製作，這也是該項目取名Printed WiFi的原因。
上圖是Printed WiFi的一個例子，即轉速傳感器。彈簧、齒輪等機械器件，在上方測速儀旋轉時，會週期性地閉合/打開最下方天線(slot antenna)中的開關，從而週期性地(週期即旋轉速度)改變最下方天線的反射特性。
這樣中心節點只要透過反射射頻信號，就能讀出旋轉速度。最下方的圖，是該傳感器在不同轉速時的反射信號，在時間域的變化情況，可見透過反射信號，可以把轉速資訊提取出來。
超低功耗傳感器
物聯網節點最基本的目標，就是提供傳感功能，因此超低功耗傳感器也是必不可少。目前，溫度、光照傳感器，在經過深度優化後，已經可以實現nW-uW數量級的功耗，而在智慧音響中，得到廣泛應用的聲音傳感器，則往往要消耗mW數量級，甚至更高的功耗，因此成為了下一步突破研發的重點。
在聲音傳感器領域，最近的突破來自於壓電MEMS。傳統的聲音傳感器(即麥克風)，必須把整個系統(包括後端ADC和DSP)一直處於活動待機狀態，以避免錯過任何有用的聲音信號，因此平均功耗，在接近mW這樣的數量級。
然而，在不少環境下，這樣的系統其實造成了能量的浪費，因為大多數時候環境裡，可能並沒有聲音，造成了ADC、DSP等模組能量的浪費。
而使用壓電MEMS可以避免這樣的問題：當沒有聲音信號時，壓電MEMS系統處於休眠狀態，僅僅前端壓電MEMS麥克風在待命，而後端的ADC、DSP都處於休眠狀態，整體功耗在uW數量級。
而一旦有用聲音信號出現，並被壓電MEMS檢測到，則壓電MEMS麥克風可以輸出喚醒信號，將後面的ADC和DSP喚醒，從而不錯過有用信號。
因此，整體聲音傳感器的平均功耗，可以在常規的應用場景下，可以控制在uW數量級，從而使聲音傳感器，可以進入更多應用場景。
超低功耗MCU
物聯網節點裡的最後一個關鍵模組是MCU。MCU作為控制整個物聯網節點的核心模組，其功耗也往往不可忽視。如何減小MCU的功耗？
MCU功耗一般分為靜態漏電和動態功耗兩部分。
在靜態漏電部分，為了減小漏電，可以做的是減小電源電壓，以及使用低漏電的標準單元設計。在動態功耗部分，我們可以減小電源電壓，或者降低時鐘頻率來降低功耗。
由此可見，降低電源電壓，可以同時降低靜態漏電和動態功耗，因此能將電源電壓降低的亞閾值電路設計，就成了超低功耗MCU設計的必由之路。
舉例來說，將電源電壓由1.2V降低到0.5V，可以將動態功耗降低接近6倍，而靜態漏電更是指數級下降。當然，亞閾值電路設計，會涉及一些設計流程方面的挑戰，例如如何確定亞閾值門電路的延遲，建立/保持時間等，都需要仔細仿真和優化。
在學術界，弗吉尼亞大學的研究組，發佈了動態功耗低至500nW的傳感器SoC，其中除了MCU之外，還包括了計算加速器和無線基頻。
在已經商業化的技術方面，新創公司Ambiq的Apollo系列MCU，可以實現35uA/MHz的超低功耗，其設計使用了Ambiq擁有多年累積的SPOT亞閾值設計技術。
在未來，我們可望可以看到，功耗低至nW數量級的MCU，從而為使用能量獲取技術的物聯網節點鋪平道路。
結語
隨著物聯網的發展，目前第一代廣域物聯網，已經快速鋪開，走進了千家萬戶。然而，廣域物聯網節點，由於必須滿足覆蓋需求，因此射頻功耗很難做小，從而限制了應用場景(例如人體內傳感器等，無法使用大容量電池的場景)。
局域物聯網將會成為物聯網發展的下一步，本文介紹的能量獲取技術，配合超低功耗無線通信、MCU和傳感器，可望讓物聯網節點突破傳統的限制，在尺寸和電池壽命方面，都得到革命性的突破，從而為物聯網進入可植入式傳感器等新應用鋪平道路。
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