變革是電子領(lǐng)域永恒的主題，今年初在拉斯維加斯舉行的國際消費(fèi)電子展(CES)上，電子工程專輯美國的編輯們發(fā)現(xiàn)消費(fèi)電子領(lǐng)域正發(fā)生翻天覆地的變化。我們相信下面列出的十大技術(shù)將改變今年的消費(fèi)電子市場。
GPU計(jì)算
在圖形處理單元上完成的通用計(jì)算或“GPU計(jì)算”領(lǐng)域中，傳統(tǒng)由系統(tǒng)CPU或應(yīng)用處理器完成的某些計(jì)算現(xiàn)在可以卸載到GPU完成。在圖形渲染管線中增加可編程管線、調(diào)度程序和高精度浮點(diǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)GPU計(jì)算技術(shù)，但直到現(xiàn)在由于缺少系統(tǒng)級(jí)和軟件級(jí)支持而阻礙了它的發(fā)展。隨著API和并行功能編程語言(如CUDA、DirectX計(jì)算、OpenCL、OpenGL Shading語言和Renderscript計(jì)算)的推出，這種情況就將得到改變。
將程序的內(nèi)部并行環(huán)路從CPU卸載到GPU可以提高性能和節(jié)省功耗。由于GPU能夠降低功耗、改善顯示器的視覺效果、改善游戲和用戶界面的響應(yīng)性能，因此實(shí)際上比CPU還要重要。
在GPU已有的圖形渲染任務(wù)中增加GPU計(jì)算是將CPU精簡成只是一個(gè)管理型處理器或主處理器的另外一個(gè)步驟。已經(jīng)在GPU上計(jì)算的應(yīng)用包括移動(dòng)物體的物理過程，作為渲染之前場景計(jì)算的一部分；能夠受益于GPU計(jì)算的應(yīng)用，包括數(shù)學(xué)函數(shù)、2D和3D場解算器、仿真器、加密、篩選和排列以及一些數(shù)據(jù)庫功能。
上述趨勢的支持者包括以圖形芯片和CUDA并行編程平臺(tái)著稱的英偉達(dá)(Nvidia)公司；提供API定義(如OpenCL和OpenGL)的Khronos行業(yè)組織；提供Mali系列GPU的ARM公司，包括在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了GPU計(jì)算的版本(T604和T658)；提供PowerVR系列GPU內(nèi)核的Imagination Technologies公司。
無處不在的Android
谷歌Android將成就下個(gè)十年，就像微軟的Windows在20世紀(jì)90年代出盡風(fēng)頭一樣。Android將成為電子市場中涌現(xiàn)出的無數(shù)有趣和多樣化設(shè)備的軟件支撐平臺(tái)。
幾十年來，電子行業(yè)一直在尋找免費(fèi)、開源的通用軟件基礎(chǔ)，但經(jīng)常徒勞無功。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了針對計(jì)算機(jī)采用統(tǒng)一Unix的探索。最近，研究目標(biāo)變成了單一版本的移動(dòng)與嵌入式Linux，希望能給從主流智能手機(jī)、平板電腦和聯(lián)網(wǎng)電視到工廠車間所用系統(tǒng)的所有設(shè)備提供動(dòng)力。
谷歌的Android系統(tǒng)比以往任何東西都更接近實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想。由于ARM處理器的處理能力不斷增強(qiáng)，Android還將成為筆記本電腦和PC機(jī)的操作系統(tǒng)。
在智能手機(jī)領(lǐng)域，Android出貨量已經(jīng)超越蘋果的iOS和其它替代性操作系統(tǒng)。來自手機(jī)制造商的廣泛支持是在所有系統(tǒng)中長時(shí)間使用的最好保證。谷歌最近正在將平板電腦和智能手機(jī)的功能合并到被稱為“冰淇淋三明治”的Android4.0中，從而使代碼庫具有了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)--至少目前是這樣。
不過，Android相對來說仍然不成熟。直到2011年，谷歌才發(fā)誓在平臺(tái)上支持USB。目前已有大量工具可以用來完善Android，使之擔(dān)當(dāng)不同的角色。Mentor Graphics很早就這樣做了。最近風(fēng)河也推出了用于嵌入式系統(tǒng)的工具和Android變種軟件。
Win8支持ARM架構(gòu)
Windows 8在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了觸摸屏，能夠支持鼠標(biāo)、鍵盤或觸控筆輸入，是微軟第一款同時(shí)支持ARM和X86處理器的操作系統(tǒng)。
Windows 8采用了基于Metro的界面。Metro是微軟開發(fā)的基于排版的一種設(shè)計(jì)語言，最早是為Windows Phone 7開發(fā)的。這種用戶界面由一組更新圖標(biāo)(提供從電子郵件到社交網(wǎng)絡(luò)、從日歷到聯(lián)系人等應(yīng)用)組成，要求屏幕分辨率為1024x768或更高。
Metro的外觀感覺也被應(yīng)用于IE 10，后者是一款隨微軟的新操作系統(tǒng)發(fā)布的HTML5瀏覽器。然而，對于那些偏愛更加傳統(tǒng)的Windows感覺的用戶，可以通過修改Windows注冊表關(guān)閉Metro用戶界面
Win8具有許多特色功能，如基于照片的最新認(rèn)證；支持USB 3.0；內(nèi)置Windows應(yīng)用商店；支持多個(gè)監(jiān)視器，能夠顯示不同的背景圖像和定制的任務(wù)條，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PC體驗(yàn)。Win8操作系統(tǒng)包括一個(gè)封裝好的、基于Silverlight的應(yīng)用模型，名為AppX，還包括開放打包約定。該模型可以在Windows To Go格式的USB連接驅(qū)動(dòng)器上直接運(yùn)行，目標(biāo)是企業(yè)應(yīng)用。
為了進(jìn)一步支持云計(jì)算，微軟還可以利用Windows Live ID支持在不同計(jì)算機(jī)上支持本地PC體驗(yàn)。這種技術(shù)可以保存用戶帳號(hào)設(shè)置，無論用戶在哪里登錄都可以再次應(yīng)用這些設(shè)置。
Win8操作系統(tǒng)的混合啟動(dòng)(Hybrid Boot)功能可以實(shí)現(xiàn)更快的啟動(dòng)和關(guān)機(jī)功能，雖然這個(gè)功能并不意味著運(yùn)行ARM版本W(wǎng)in8的設(shè)備可以運(yùn)行其它操作系統(tǒng)，如安卓。
英特爾、英偉達(dá)、高通和TI等公司都表示他們將提供運(yùn)行Windows 8的設(shè)備，但至今為止在ARM處理器上演示W(wǎng)in8操作系統(tǒng)一直受到微軟的嚴(yán)格控制。
運(yùn)動(dòng)處理
運(yùn)動(dòng)處理器在MEMS傳感器的幫助下不僅能探知設(shè)備的方位，而且能確定設(shè)備在三維空間中的前進(jìn)方向和絕對位置。將來自加速度計(jì)、陀螺儀、羅盤和高度計(jì)(大氣壓力傳感器)的數(shù)據(jù)流整合在一起，就可以實(shí)現(xiàn)對任何對象的跟蹤。手勢能夠控制硬件(從游戲機(jī)到汽車導(dǎo)航系統(tǒng))或通知軟件(從安全協(xié)議到基于位置的服務(wù)(IBS))。
MEMS慣性傳感器曾經(jīng)是陀螺萬向支架等保持太空船和艦艇運(yùn)行軌跡的設(shè)備中的關(guān)鍵器件，如今已經(jīng)具有足夠小的體積、足夠便宜的價(jià)格和足夠低的功耗，因而被廣泛應(yīng)用于體積小巧的移動(dòng)設(shè)備中。
幾乎一夜之間，MEMS慣性傳感器就成為了從跌落檢測(例如在硬盤撞擊地面之前將硬盤鎖住)到手勢識(shí)別(例如只是將iPhone 4S靠近耳朵邊就能激活Siri)等各類應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置。智能電視機(jī)開始采用帶有MEMS的遙控器，能夠利用從Hillcrest Labs和Movea獲得的運(yùn)動(dòng)處理算法許可，更加精確地控制屏幕上的光標(biāo)。
2012年，移動(dòng)設(shè)備制造商將開始集成完整的慣性導(dǎo)航單元(INU)，其中包含預(yù)校準(zhǔn)的加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)。Invensense公司已經(jīng)發(fā)布了采用單個(gè)4平方毫米封裝的INU，幾乎可以為所有移動(dòng)設(shè)備提供LBS(基于位置的服務(wù))、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和資產(chǎn)跟蹤等服務(wù)支持。
非觸摸人機(jī)界面
非觸摸人機(jī)界面的首次商用是在基于PrimeSense公司平臺(tái)的XobKinect上實(shí)現(xiàn)的，其紅外發(fā)射器和檢測器可以識(shí)別人在半空中做出的手勢。2012年將會(huì)出現(xiàn)許多基于相機(jī)的其它非觸摸人機(jī)界面，包括去年微軟從Canesta公司收購的解決方案。
微軟準(zhǔn)備推出一系列基于紅外線的人類手勢界面，用于基于Canesta紅外芯片的移動(dòng)設(shè)備。這種技術(shù)使用像素級(jí)時(shí)差測距方法，來推斷距場景中任意物體的距離，與光線無關(guān)，也不受其它物體阻擋或與背景物體混合的影響。
TI公司最近發(fā)布了一種替代性的非觸摸界面解決方案，該方案使用了LightCrafter數(shù)字光線處理器(DLP)。先使用結(jié)構(gòu)化光線照明技術(shù)將光線條投射到用戶的手上，然后用傳統(tǒng)的圖像芯片測量光線條中的失真結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)能夠推斷手的3D形狀的算法。
FlashScan3D公司(德州理查森市)已經(jīng)在一種技術(shù)中使用了TI的LightCrafter，這種技術(shù)無需觸摸就能實(shí)現(xiàn)指紋的讀取。該公司承諾今年還將推出更多的應(yīng)用。
TI公司還在與Neonode Technologies AB(瑞典斯德哥爾摩)公司合作，后者提供紅外光學(xué)檢測器，并將這種檢測器嵌入Barnes & Noble、Kobo和索尼公司電子書閱讀器觸摸屏周圍的框內(nèi)。與NextWindow公司(加州普萊森頓)為惠普TouchSmart PC機(jī)設(shè)計(jì)的更大版本類似，Neonode的移動(dòng)設(shè)備版本用戶無需將手指按壓顯示器就能操作設(shè)備，從而有利于減少指紋。
愛說話的智能代理
Siri是一款執(zhí)行語音命令的基于云的智能代理，能夠以自然對話的方式直接回答問題，因此不再需要使用搜索引擎。Siri是美國國防高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)計(jì)劃的產(chǎn)物，最開始作為會(huì)學(xué)習(xí)和組織的認(rèn)知助理(CALO)。在斯坦福研究院開展的CALO工作人員于2007年獨(dú)立出來成立了一家商業(yè)公司，后于2010年被蘋果收購，并于2011年在iPhone 4S實(shí)現(xiàn)Siri。
Siri的基于云的自然語言理解(NLU)功能整合了來自Nuance Communications公司的語音識(shí)別技術(shù)、用于蘋果應(yīng)用程序的語音命令功能以及來自WolframAlpha公司的詢問處理技術(shù)。用戶可以發(fā)出話音命令進(jìn)行撥號(hào)、發(fā)送短消息、布置日歷事項(xiàng)、設(shè)置提醒、獲取方向、發(fā)送電子郵件、查詢天氣報(bào)告、獲得最新股票價(jià)格、設(shè)置叫醒鬧鐘、瀏覽地址簿、記筆記或選擇音樂播放。
話音咨詢使用WolframAlpha知識(shí)庫來回答問題。當(dāng)使用WolframAlpha不能提供滿意答案時(shí)，Siri可以將問題轉(zhuǎn)發(fā)給用戶選擇的搜索引擎(與谷歌話音相似)。
其他公司也已做好自然語言理解(NLU)黃金發(fā)展期的準(zhǔn)備。IBM公司今年有望修改從開放高級(jí)問題回答組織(OAQA)獲得的Watson問題回答人工智能技術(shù)來回答醫(yī)生的提問。
新型硅材料--石墨烯
碳納米管和平面石墨烯板正在帶來一場電子革命，最終將替代電子設(shè)備中的大部分金屬和硅，并逐漸實(shí)現(xiàn)更快、更輕和更低功耗的產(chǎn)品。
今天，這種新材料僅僅用于迫切需要的地方，例如替代平板顯示器中日益稀有和昂貴的銦－錫氧化物。噴墨打印機(jī)可以沉積納米管墨水形成顯示器甚至太陽能電池用的透明電極陣列圖案。因?yàn)樘茧娐房梢栽诘蜏貤l件下印刷，所以像OLED等要求柔性基板的應(yīng)用都開始轉(zhuǎn)用基于碳的墨水，其電子遷移率要比目前使用的有機(jī)材料高10倍。
碳的熱屬性也是可調(diào)的，正在這種屬性促進(jìn)了納米管帶的發(fā)展，這種管帶將于2012開始替代傳統(tǒng)的焊盤。沉積在平板上的石墨烯最終將替代金屬互連、半導(dǎo)體和絕緣氧化物。IBM最近展示了一款使用石墨烯的2GHz晶體管，TI最近則展示了在完整晶圓上生長石墨烯的進(jìn)度。
最近在Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯可以將超級(jí)電容的能量密度提升至與可充電電池相同的規(guī)格，但壽命可以比電池長出25年。研究人員還在研究石墨烯的彈道電子傳送性能，希望利用量子、光學(xué)和磁性效應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信和更高密度的存儲(chǔ)電路。
嵌入式視覺
嵌入式視覺將嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)視覺合并在一起。業(yè)界正在試圖通過數(shù)字處理和智能算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺，并用來翻譯圖像或視頻中的意思。功能強(qiáng)大、成本低和能效高的處理器是這種技術(shù)的關(guān)鍵助推器。
微軟的Xbox Kinect免提游戲控制器使用嵌入式視覺跟蹤玩家的運(yùn)動(dòng)。今后幾年中針對大量應(yīng)用開發(fā)的嵌入式視覺解決方案有望得到快速發(fā)展。例如，嵌入式視覺聯(lián)盟(EVA)創(chuàng)始人Jeff Bier認(rèn)為，基于嵌入式視覺的車載安全系統(tǒng)將顯著減少汽車事故的數(shù)量。
去年，Berkeley Design Technology(BDTI)公司領(lǐng)導(dǎo)的一群公司組織EVA指導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)人員設(shè)計(jì)了實(shí)用的嵌入式視覺平臺(tái)，包括芯片、照相機(jī)、算法、工具和編程語言的選擇。在20多家EVA成員間有多家研究設(shè)備平臺(tái)和設(shè)計(jì)工具的半導(dǎo)體公司，包括AMD、ADI、CEVA、飛思卡爾半導(dǎo)體、Intel、美信、英偉達(dá)、TI和賽靈思。
EVA成員將力圖解決仍然阻礙這種技術(shù)發(fā)展的難題，使其成為手勢識(shí)別系統(tǒng)中的一個(gè)通用特性。在針對多學(xué)科領(lǐng)域的任務(wù)列表中，開發(fā)工作涉及照明、光學(xué)、圖像傳感器、處理器、復(fù)雜算法和軟件代碼。
家庭保健中心
家庭保健中心用于集中來自病人家庭中各種傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流。單個(gè)無線路由器可以將云資源連接到環(huán)境傳感器(針對溫度、濕度和空氣質(zhì)量)、醫(yī)療傳感器(如血壓監(jiān)視器、血糖儀、體重計(jì)和脈搏血氧計(jì)中的傳感器)以及可以調(diào)用個(gè)人緊急響應(yīng)系統(tǒng)(PERS)的可佩戴傳感器。許多家庭現(xiàn)在都通過Wi-Fi路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，但家庭保健中心不能有死角，因此要求更加安全的無線連接層。
家庭保健中心已經(jīng)由具有前瞻性的醫(yī)療服務(wù)提供商上市經(jīng)銷，如Independa公司。該公司在CES數(shù)字保健高峰會(huì)上展示了自己的系統(tǒng)。Independa公司的Artemis軟件通過由Boston Life Labs制造的Hbox無線中心監(jiān)視醫(yī)療與安全設(shè)備以及家庭環(huán)境傳感器。Hbox將收集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式送到Independa的云服務(wù)器，供記錄和醫(yī)療分析。
飛思卡爾公司有一款針對家庭保健中心的參考設(shè)計(jì)，它將Wi-Fi、以太網(wǎng)、USB、藍(lán)牙和ZigBee集成進(jìn)路由器，并通過路由器同時(shí)與云資源(如微軟的HealthVault)和病人的平板電腦進(jìn)行通信。這款參考設(shè)計(jì)包括了亞GHz的無線電設(shè)備，可以用來激活PERS。
基于位置的服務(wù)
移動(dòng)設(shè)備可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問基于位置的服務(wù)(LBS)。據(jù)市場觀察公司Pyramid預(yù)測，2015年移動(dòng)運(yùn)營商的LBS收入有望從2010年的28億美元增加到103億美元。
在LBS底層，定位技術(shù)供應(yīng)商提供用于判斷用戶位置的硬件或軟件解決方案。輔助GPS(A-GPS)用于改善衛(wèi)星定位系統(tǒng)的啟動(dòng)性能或首次維修間隔時(shí)間，并能通過擴(kuò)展與具有GPS功能的蜂窩電話一起使用。A-GPS通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)收集和存儲(chǔ)有關(guān)衛(wèi)星位置的信息，并在GPS信號(hào)不可用時(shí)使用蜂窩鐵塔提供的信號(hào)計(jì)算位置。
在CES上，A-GPS芯片供應(yīng)商CSR展示了其SiRFstarV和SiRFusion平臺(tái)是如何實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的。這個(gè)平臺(tái)芯片支持GPS、伽利略、GLONASS和Compass衛(wèi)星，能將多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)和傳感器輸入“融合在一起”，因而能連續(xù)提供精確的位置數(shù)據(jù)。SiRFatlasV ARM 11/DSP雙內(nèi)核架構(gòu)無縫集成了CSR的音頻和連接平臺(tái)。
博通(Broadcom)公司通過收購Global Locate公司也成為了A-GPS解決方案的提供商。其BCM4750 GPS接收器將基帶部分和低噪聲無線前端集成在一起，設(shè)計(jì)用于連接個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備中的主處理器。博通公司表示，由于BCM4750是一款基于主機(jī)的GPS IC，因此能夠以最小的PCB面積提供最高的定位性能。
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