Esineiden internet lupaa paljon. Tehokkaampaa arkielämää, parempaa turvallisuutta ja jopa terveellisempää elämää. Mutta mikään näistä ei onnistu ilman energiatehokkuuden paranemista.

Esineiden internetistä on tullut hyvin suosittu termi, jolla kuvataan maailmaa, jossa käytännössä jokainen elektroninen laite on liitetty internetiin ja toisiin laitteisiin. Se pitää sisällään valtavan määrän sovelluksia älykkäistä kulutuslaitteista ja autoista päällepuettaviin laitteisiin, ja lista vain kasvaa sitä mukaan kun mobiliteetti jatkaa laajentumistaan (kuva 1).

Nämä laitteet ja niiden luoma ekosysteemi lupaa mullistaa arkielämämme. Yksittäisille kuluttajille se voi tarkoittaa parempaa tehokkuutta ja kustannustehokkuutta jokapäiväisissä askareissa, parempaa turvallisuutta, ja jopa terveellisemmän elämän varmistamista. Yrityksille IoT lupaa merkittäviä etuja automaation, energiatehokkuuden, tavaranpaikantamisen ja inventaarion hallinnan, kuljetuksen ja paikannuksen, tietoturvan ja energian säästön muodossa.

Kuva 1. Laskennan tarvetta kasvattavat laitteet. Liikkuvuus (mobiliteetti) ajaa IoT:n kasvua, mikä puolestaan kasvattaa sovellusten määrää.

Kun etuja on näin paljon, on helppo ymmärtää miksi IoT:stä on tullut niin suosittu käsite. Näitä etuja ei saada realisoitua, mikäli teollisuus ei ensin ratkaise muutamia kriittisiä haasteita. Näistä ehkä tärkein on energiatehokkuus.

IoT:n määrittely

IoT-termiä on heitelty ympäriinsä paljon, mutta mitä se oikein tarkoittaa? Yksinkertaisesti ilmaistuna IoT koostuu laitteiden, ohjelmistojen ja palvelujen sekamelskasta - enimmäkseen kahdesta viimeksimainitusta - joilla yhdessä kerätään ja siirretään informaatiota, analysoidaan dataa ja tehdään tämän datan perusteella päätöksiä, jotka parantavat joidenkin tehtävien tehokkuutta (kuva 2).

Esimerkiksi terveyden kohdalla IoT voisi tarjota tehokkaamman tavan välittää informaatiota lääkärille esimerkiksi siitä, onko määrätty lääke tai hoito ollut tehokas. Kotioloissa IoT voi auttaa kuluttajia pitämään jääkaappinsa sisällön kunnossa esimerkiksi kertomalla kun ruuan parasta ennen -päiväys lähestyy tai auttamalla tilaamaan täydennystä ja muita elintarvikkeita verkkokaupasta kotiin kuljetettavaksi.

Kuva 2. IoT yhdistää useita ekosysteemejä.

IoT-ekosysteemiin kuuluu laitteita älykkäistä kodinkoneista (jääkaapeista, leivänpaahtimista ja ilmastointijärjestelmistä) ja autoista päällepuettaviin laitteisiin ja kaikkea siltä väliltä. Vaikka ne eroavat luonteeltaan ja käytöltään, kaikki laitteet hyödyntävät neljää kriittistä toiminnallisuutta: aistimista, keräämistä, liitettävyyttä ja datankäsittelyä. IoT-laite ennen kaikkea aistii jotakin. Sen jälkeen se kerää aistimastaan dataa. Lopulta tämä data välitetään netin välityksellä toisella laitteella tai jonnekin muualle prosessoitavaksi ja analysoitavaksi.

Useimmat IoT-laitteet tulevat olemaan paristokäyttöisiä. Niiden pitää toimia useita vuosia ilman ylläpitoa tai paristonvaihtoa. Jotta laite toimisi pitkiä aikoja yhdellä latauksella, sen pitää kuluttaa äärimmäisen vähän tehoa. Jotkut IoT-laitteet saavat virtansa ulkoisesta lähteestä energiankeruun prosesseilla. Molemmissa tapauksessa parempi energiatehokkuus on ehdottoman välttämätöntä, jotta IoT:n potentiaali voisi tulla esiin.

Energiatehokkuus: Keskeinen IoT-haaste

IoT lupaa kirjaimellisesti muuttaa sen tavan, jolla yhteiskunnassa eletään ja jolla se toimii. Monella alueella kehitys näyttää jo menevän suuntaan, jossa moni asia näyttää aivan toisenlaiselta kuin tänään. Eikä näin ole vain kuluttajan näkökulmasta.

Esimerkiksi päällepuettava laite kuten Nike Fuelband usein vaatii kahdeksan tai yhdeksän komponenttia. Kolmen tai neljän vuoden päästä sama laite voidaan toteuttaa ehkäpä yhdellä ainoalla komponentilla ja sen voi valmistaa huomattavasti nykyistä edullisemmin (kuva 3).

Kuva 3. Pienempi tehonkulutus, koko ja hinta ovat IoT:n avainkysymyksiä.

Tätä trendiä vauhdittaa kuluttajien tarve pienemmille ja ohuemmille laitteille, erityisesti päällepuettavien tapauksessa. Trendistä tulee yhä monimutkaisempi piirien transistorimäärän kaksinkertaistuessa 18 kuukauden välein (Mooren laki). Noiden kahdeksan tai yhdeksän komponentin kutistaminen yhteen vaatii korkean tason integrointia. Kuitenkin samalla kun lisätään toimintoja yhdelle sirulle, joudutaan lisäämään muistia, mikä kuluttaa enemmän tehoa, mikä taas ei sovi hyvin yhteen IoT-laitteiden energiatehokkuuden parantamisen kanssa.

Tulevina vuosina IoT tuo käyttäjille myös hyvin erilaisen käyttökokemuksen. Se tarkoittaa parempaa liitettävyyttä, yksinkertaisuutta, käyttömukavuutta, jatkuvaa verkossaoloa tai ainakin sen tuntua. Miksi pitäisi aktivoida IoT-laite nappia painamalla kun se voisi olla päällä koko ajan, kuuntelemassa ja odottamassa käyttäjän toiveita ja komentoja? Ranteessa oleva aktiivisuusranneke on tästä erinomainen esimerkki. Se seuraa käyttäjän sykettä ja unta/aktiivisuutta kaiken aikaa, joka päivä. Tulevaisuuden IoT-laitteiden pitää pystyä palvelemaan samalla 24/7-periaatteella.

Juuri tämä aina-päällä -olemisen vaatimus ajaa tarvetta parantaa energiatehokkuutta. Mikäli IoT-laite ei voi operoida erittäin pienellä teholla - saadaan virta sitten paristosta tai ulkoisesta lähteestä - ne eivät yksinkertaisesti voi olla jatkuvasti päällä ja yhteydessä verkkoon.

Jatkuvatoiminen IoT-laite muodotaa toisen mielenkiintoisen ongelman. Kellon ympäri toimiessaan IoT-solmut keräävät hämmästyttävän määrän dataa, jonka järkeistäminen kasvaa valtavaksi ongelmaksi. Toisin sanoen datankeruusta tulee helpompi osa yhtälöä, sen hyödyntämisestä se vaikeampi puolisko.

Älykäs aistiminen ja big data -analytiikka nousevat kriittisen asemaan, sillä ne mahdollistavat älykkäämmän datankeruun ja vastaavuuksien löytymisen suuresta datamassasta niin, että trendejä tai merkittäviä tapahtumia voidaan identifioida ja niiden pohjalta voidaan tarvittaessa toimia. Tässäkin kohtaa energiatehokkuus on keskeistä, sillä datankeruu vaatii tehoa, kuten muisti johon data tallennetaan.

Ongelmien ratkaiseminen

Jotta IoT-laite toimisia vuosia yhdellä paristolla tarvitaan sellaista energiatehokuutta, jota ei ole helppo saavuttaa. Se edellyttää pienitehoisten komponenttien käyttämistä ja hyötysuhteeltaan parempien tehojärjestelmien kehittämistä. Se edellyttää muutoksia sekä arkkitehtuurin että komponenttien tasolla.

Jo nyt lähes jokaisessa IoT-laitteen suunnittelun vaiheessa on keskitytty mahdollisimman suureen energiatehokkuuteen (kuva 4). Älypuhelimen osalta tämä voi tarkoittaa kertaluokkaa parempaa energiatehokkuutta, mikä ei onnisu käden käänteessa. Päinvastoin se tapahtuu askelittain ja vaatii useiden laitesukupolvien kehitystyön.

Kuva 4. IoT-laitteet pitää kehittää niin että energiatehokuus on tärkein huolenaihe kaikilla tasoilla.

Energiatehokkaiden ohjelmoitavien komponenttien johtajana Lattice Semiconductor työskentelee alentaakseen tehonkulutusta IoT-liitäntälaitteissa. Tällä hetkellä yrityksen tutkimus keskittyy löytämään uusia tapoja parantaa energiatehokkuutta esimerkiksi prosessitekniikan innovaatioiden ja transistorien tasolla. Lattice on myös tuomassa lisää vapautta järjestelmäsuunnittelijoille ohjelmoitavan nopeuden ja teho-ominaisuuksien muodossa: ei vain alhaista tehokulutusta vaan ainutlaatuista arkkitehtuuria joka mahdollistaisi älykkään tehonhallinnan eri tiloissa, joissa laitteet todella ovat - onko laite päällä vai pois, nukkumassa vain osin valveilla. Tämä mahdollistaisi laitteen dynaamisen siirtymisen tilasta toiseen.

Lattice hyödyntää edistynyttä prosessoteknologiaansa ja sen luontaista joustavuutta nopeuden ja tehon suhteen lisätäkseen etuaan prosessoripohjaisiin komponentteihin verrattuna. Integroitujen pii- ja ohjelmistoratkaisujen avulla Lattice on keskittynyt tuomaan asiakkaille kertaluokan parannuksen kompoennttien energiatehokkuutteen.

IoT on houkutteleva idea, joka lupaa mullistaa lähes kaikki arkielämän osa-alueet. Tähän asti on jo tehty paljon edistystä, mutta enemmän työtä on edessäpäin. IoT:n täyden hyödyn toteuttaminen edellyttää laitteita, jotka ovat pienempiä ja halvempia, minkä takia korkea integrointiaste on välttämätöntä. Se vaatii myös, että kehittäjät antavat käyttäjille aina päällä -kokemuksen ja löytävät tapoja, joilla laitteiden keräämää dataa aistimaan ja analysoidaan aiempaa älykkäämmin. Näiden kaikkien - integraatioa, jatkuvatoimisuus ja älykäs aistiminen/analytiikka - yhteinen tekijä on energiatehokkuus. Se on smaalla tärkein yksittäinen tekijä, jonka myötä IoT-ekosysteemi nousee lentoon tai kaatuu.