迎接嵌入式風(fēng)潮

呼嘯而來的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用風(fēng)潮，正在悄悄地改變著一些傳統(tǒng)行業(yè)的面貌。古老的、技術(shù)驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體行業(yè)，已經(jīng)走到了一個(gè)重要的拐點(diǎn)前。

1982年發(fā)生在新罕布什爾州華盛頓山的那場暴風(fēng)雪，徹底改變了美國攀巖天才Hugh Herr的人生軌跡。此前，他已是聞名全美的登山家，而在那場暴風(fēng)雪中，Hugh Herr迷了路，被迫在山中度過了3個(gè)溫度接近-30℃的黑夜。在被解救后，Hugh Herr的雙腿因?yàn)閲?yán)重凍傷，而不得不截去了膝蓋以下的肢體。

“在手術(shù)過程中我一直在想，如何才能繼續(xù)我的夢(mèng)想？”Hugh Herr回憶說，“我的答案是――依靠科技。”現(xiàn)在，Hugh Herr使用各種技術(shù)來幫助自己像正常人一樣生活和工作。其中，他最為依賴的是“他的”嵌入式系統(tǒng)，一種可以“穿”在身上，融合了感知、計(jì)算和互聯(lián)的智能仿生技術(shù)。

請(qǐng)“穿戴”上機(jī)器

只用了幾個(gè)月，Hugh Herr就依靠自己設(shè)計(jì)的“有堅(jiān)硬腳趾”、可以站在“硬幣大小”巖石表面的假肢，重新回到了其鐘愛的登山運(yùn)動(dòng)中。此后，Hugh Herr在麻省理工學(xué)院（MIT）拿到了機(jī)械工程碩士和生物醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，并在做生物醫(yī)學(xué)器械博士后的時(shí)候，開始研究仿真人腿的假肢機(jī)器人系統(tǒng)。

現(xiàn)在，Hugh Herr領(lǐng)導(dǎo)著MIT媒體實(shí)驗(yàn)室（Media Lab）生物機(jī)械工程研究所的工作。在這個(gè)研究所中，他們利用包含嵌入式處理器、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、模擬器件以及控制軟件在內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)，把機(jī)械工程與生物力學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)相融合。“在嵌入式系統(tǒng)中，處理器就像人的大腦，傳感器像人的眼睛和耳朵，模擬器件就相當(dāng)于人體的肌肉，軟件算法則讓所有器官發(fā)揮功效。”與Hugh Herr一起工作的嵌入式半導(dǎo)體方案供應(yīng)商飛思卡爾全球消費(fèi)電子及工業(yè)類應(yīng)用傳感器產(chǎn)品部運(yùn)營總監(jiān)Wayne Chavez形象地比喻說。

與PC不同，嵌入式系統(tǒng)一般體積微小、功耗很低、軟硬件一體化，可以嵌入到幾乎現(xiàn)實(shí)世界的所有物體中，實(shí)現(xiàn)人們讓它完成的智能功能。

在Hugh Herr設(shè)計(jì)的人工膝蓋中，傳感器和處理器可以持續(xù)感知關(guān)節(jié)的位置和適于肢體的負(fù)載，以便去協(xié)調(diào)腿部運(yùn)動(dòng)；而他設(shè)計(jì)的世界上第一個(gè)踝足假肢機(jī)器人系統(tǒng)，利用多個(gè)傳感器、微控制器和模擬器件來模仿人體肌肉骨骼結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，第一次給小腿截肢者提供了一個(gè)自然的步態(tài)。如今，這些 “可穿戴的機(jī)器人”部分已經(jīng)商用化，正在幫助殘障人士實(shí)現(xiàn)身體的“自愈”，并讓他們以越來越自然的方式來生活。

Hugh Herr自己也穿戴了這樣一個(gè)踝足假肢，它包含5個(gè)微處理器和12個(gè)傳感器。每個(gè)月，Hugh Herr都對(duì)它們進(jìn)行升級(jí)，希望如此訓(xùn)練到80歲時(shí)，這對(duì)假肢能夠變成自己的“血肉之軀”。“很快，會(huì)有其他傳感器植入到我的肌肉組織中，它們可以感受肌肉的運(yùn)動(dòng)，再與假肢系統(tǒng)互動(dòng)。”Hugh Herr對(duì)記者說，“再過50年，假肢也可以把它感受到的信息映射給嵌入到我肌肉的傳感器，這樣，我就可以感覺到假肢的感受，感覺假肢‘肌肉’的收縮和拉伸，判斷我現(xiàn)在走路的狀況是否適合假肢，從而幫助我更好地行走。”

除了假肢機(jī)器人系統(tǒng)，MIT媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員也在利用嵌入式技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其他生物技術(shù)的突破。一些研究人員像安裝太陽能面板那樣，把一些微小的嵌入式陣列植入大腦，對(duì)大腦某些區(qū)域進(jìn)行特定的干預(yù)和刺激，來治療某種疾病。例如，他們通過100Hz的聲波系統(tǒng)讓大腦某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生愉悅感，讓有自殺念頭的人放棄這個(gè)想法，這種方法還可以治療抑郁癥。“世界上有一半的人存在某種程度上的認(rèn)知困難，我們希望依靠嵌入式技術(shù)和其他未來技術(shù)，在本世紀(jì)末消除這些殘疾。”Hugh Herr闡述了他們的理念。

“現(xiàn)在，全球正在刮起一股新的‘嵌入式風(fēng)潮’。”飛思卡爾董事會(huì)主席兼首席執(zhí)行官Rich Beyer說，“更重要的是，這些嵌入式系統(tǒng)與PC不同，他們功耗很低，幾乎可以永遠(yuǎn)待機(jī)、永遠(yuǎn)與我們同行。”

“零排放、零傷亡”汽車

除了人可以“穿戴”機(jī)器人，幾乎我們身邊所有的物件都可以“穿戴”上各種類型的機(jī)器人系統(tǒng)，并因此變得更為智能，汽車就是其中一種。在這場嵌入式風(fēng)潮中，汽車已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上的鋼鐵機(jī)械裝備，它更像是一類電子智能設(shè)備，更為有意義的是，這讓汽車越來越靠近“零傷亡”和“零排放”的終極目標(biāo)。

一些豪華車已經(jīng)穿上了“主動(dòng)安全”機(jī)器人系統(tǒng)，這讓汽車變得像飛機(jī)，只要設(shè)置好相應(yīng)的程序，就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，駕駛員可以“閉上眼睛”。一種自動(dòng)巡航系統(tǒng)正在美國和日本日漸流行，它在車的前部裝有一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)，這與我們所熟悉的倒車?yán)走_(dá)不同――倒車?yán)走_(dá)基于超聲波技術(shù)，只能判斷一兩米以內(nèi)的物體，而自動(dòng)巡航系統(tǒng)的雷達(dá)則基于77GHz電磁波，可以“看”到車前方250米范圍內(nèi)的物體。此外，車上還安裝著一種攝像機(jī)系統(tǒng)，它通過汽車外部四周的４個(gè)或更多的攝像頭，來自動(dòng)識(shí)別車身周邊的物體、道路上的交通標(biāo)志以及車道線，如果車輛不小心越過黃線，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

自動(dòng)巡航系統(tǒng)由微控制器的“大腦”、77GHz射頻收發(fā)器的“眼睛”、數(shù)字信號(hào)處理器的“視覺分析神經(jīng)”以及模擬器件的“肌肉”組成。攝像機(jī)系統(tǒng)則包含了攝像頭傳感器“眼睛”、網(wǎng)絡(luò)溝通的“神經(jīng)”和微控制器的“大腦”組成。目前這些機(jī)器人還比較昂貴，動(dòng)輒上萬元甚至幾萬元，因此，估計(jì)要在2年后才可以出現(xiàn)在國內(nèi)品牌汽車上，5年后有望逐步普及。即使這樣，我們也可以感受到這些機(jī)器人系統(tǒng)向汽車業(yè)滲透的高速率的步伐。

“今年底，飛思卡爾和博世設(shè)計(jì)的成本在千元左右的安全氣囊將進(jìn)入市場，這會(huì)讓普及率提升。”飛思卡爾全球汽車市場總監(jiān)Stephan Lehmann說。此外，防止剎車或急速轉(zhuǎn)向時(shí)汽車發(fā)生側(cè)滑、翻滾的電子穩(wěn)定性系統(tǒng)，可以根據(jù)車輛行駛方向“上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)”的“車燈眼睛”也會(huì)逐步進(jìn)入國產(chǎn)中高檔汽車。

除了零傷亡外，零排放也是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)。去年，吉利汽車的工程師開始設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車。在這類新能源車上，除了傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)外，還加入了電機(jī)。這樣，當(dāng)你踩油門用力過猛時(shí)，多余的功率就會(huì)轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)在電池中；當(dāng)能量不夠時(shí)，能源就從電池中釋放出來，發(fā)動(dòng)機(jī)因此能一直工作在某種穩(wěn)定的狀態(tài)下，這就提高了燃油利用率，減少了排放。當(dāng)然，這是一種過渡的方案。未來，純電動(dòng)汽車將只有電機(jī)和電池，那時(shí)將實(shí)現(xiàn)“零排放”。

“當(dāng)吉利推出它的下一代汽車時(shí)，你一定要關(guān)注嵌入式系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。”Rich Beyer先生強(qiáng)調(diào)說。與人體中“穿戴”的機(jī)器人相同，汽車上的各類嵌入式系統(tǒng)也需要平臺(tái)化方案――要集成了處理器、傳感器、射頻收發(fā)器、無線網(wǎng)絡(luò)、模擬器件和軟件算法，同時(shí)，也在不斷追求小型化、高性能和低成本。但汽車機(jī)器人系統(tǒng)也有不同之處，國際組織已經(jīng)為它們制定了安全標(biāo)準(zhǔn)――ISO26262，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即將強(qiáng)制實(shí)施。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，汽車上各類機(jī)器人都要符合不同的安全級(jí)別，例如剎車方面的ABS系統(tǒng)，安全級(jí)別就要達(dá)到最高的D級(jí)。

無處不在的醫(yī)生

除了可“穿戴”在人或汽車上的機(jī)器人，我們身邊還有形態(tài)萬千的獨(dú)立嵌入式設(shè)備，它們?cè)谝苿?dòng)和無線互聯(lián)的過程中為我們提供各類服務(wù)，這在未來的醫(yī)療領(lǐng)域體現(xiàn)尤為突出。

現(xiàn)在，飛思卡爾全球健康部門負(fù)責(zé)人Steven Dean先生每天一起床就趕緊去查看一個(gè)身邊的個(gè)人終端，這個(gè)小終端在晚上一直監(jiān)測他的睡眠呼吸情況，看是否發(fā)生過窒息，同時(shí)判斷他的睡眠質(zhì)量。起床后，一個(gè)集成了多種傳感器的小智能設(shè)備戴在了Steven的胳膊上，一按按鈕，就開始為他自動(dòng)測量血壓、脈搏等指標(biāo)。另一個(gè)指環(huán)一樣的設(shè)備戴在Steven的手指上，為他測量血糖，這些測試結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到家庭健康樞紐上，而Steven的個(gè)人醫(yī)生Dr. Jose也在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)看到了這些數(shù)據(jù)。

目前，全球10%的人口患有糖尿病，而中國和印度占了全球糖尿病患者的40%，這些患者需要每天多次測量自己的血糖，而這些小巧互聯(lián)的設(shè)備讓他們的測量和診治變得簡單而方便。由于經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢(shì)以及高速攀升的醫(yī)療開支，公共醫(yī)療衛(wèi)生重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)σ恍┞圆?，例如高血壓、心臟衰竭、糖尿病和癌癥的監(jiān)測和預(yù)防。而通過這些低成本、便攜、無線互聯(lián)、易用的智能系統(tǒng)，人們?nèi)メt(yī)院的時(shí)間可以減少65%，一年中住院的時(shí)間也將減少6天。

現(xiàn)在，醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域正在開發(fā)這種成套的醫(yī)療系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，最主要的變革來自“大腦”應(yīng)用處理器。“在未來幾年，我們預(yù)測顯示器的分辨率會(huì)有2倍到4倍的提升，為了趕上這樣的創(chuàng)新速度，我們引入雙核處理器，支持3D圖形界面、高清3D顯示。”Rich Beyer說，“它還要能夠提供全套解決方案，節(jié)省產(chǎn)品的上市時(shí)間，并盡量降低成本。”

掌上4G基站

除了無線互聯(lián)和降低自身的成本，嵌入式系統(tǒng)也正在與云計(jì)算結(jié)合，去改變傳統(tǒng)行業(yè)多年的游戲規(guī)則。例如，它們就正在顛覆手機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的傳統(tǒng)概念。

誰也不愿意讓電信運(yùn)營商把那些體積龐大的發(fā)射天線塔安裝在自己家的樓上或居民區(qū)里。這些天線的發(fā)射功率有時(shí)高達(dá)幾百瓦，它產(chǎn)生的輻射不僅是心血管疾病、癌突變的主要誘因，也可以對(duì)人體免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)造成直接傷害。

“這僅僅是我們與電信運(yùn)營商部署手機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)遭遇的問題之一。”阿爾卡特-朗訊的產(chǎn)品經(jīng)理Jerome Meyer說。根據(jù)相關(guān)市場預(yù)測，到2015年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將比現(xiàn)在增加30倍，但不幸的是，電信運(yùn)營商的收入增長卻沒有那么好的勢(shì)頭。這樣，電信運(yùn)營商一方面不得不升級(jí)網(wǎng)絡(luò)、增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，另一方面卻要想方設(shè)法降低網(wǎng)絡(luò)部署成本以及運(yùn)維成本。

阿爾卡特-朗訊下屬的貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家最近研發(fā)出一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)――把過去大的集中式管理的基站，分解成多個(gè)小型基站，通過云的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分配管理，實(shí)現(xiàn)那些大型基站完成的通信任務(wù)。

今年，阿爾卡特-朗訊和飛思卡爾、惠普合作推出了相應(yīng)的產(chǎn)品LightRadio。那些原來引發(fā)人們恐慌的天線塔現(xiàn)在縮小到一個(gè)2英寸見方的立方體中，變成了Jerome Meyer手上的盒子。“你可以把它安裝在電線桿、建筑物兩側(cè)或者一些非常不起眼的地方。”Jerome Meyer說。而且，你甚至可以在家里安裝一個(gè)小盒子，因?yàn)樗F(xiàn)在的發(fā)射功率只有幾瓦，甚至1瓦以下，完全可以不用擔(dān)心輻射問題。

雖然體積小、發(fā)射功率低，但這些小巧設(shè)備在云的網(wǎng)絡(luò)中可以完成龐大任務(wù)。如果把16個(gè)這樣的小立方體組成一個(gè)陣列，就可以實(shí)現(xiàn)3G宏蜂窩基站的功能。這種結(jié)構(gòu)讓運(yùn)營商的資本投資降低20%，而考慮占地、電力消耗等因素，運(yùn)營維護(hù)成本可以減少50%。

這種新型基站得益于多核處理器嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，在一塊采用28納米制程技術(shù)的多核芯片上，由于它的處理性能是以前芯片的4倍，它可以把基站的所有功能都整合到一個(gè)單芯片上去，稱為“片上基站”。

在這場嵌入式風(fēng)潮中，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)走到了一個(gè)重要的拐點(diǎn)，他們不再像PC時(shí)代時(shí)那樣一味地追求處理器的性能，而要增強(qiáng)嵌入式處理、傳感器、射頻、無線通信、功率管理與軟件的無縫連接能力；同時(shí)，他們的創(chuàng)新更要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的角度出發(fā)，而不僅僅只是硅的故事。