手機關鍵技術更上層樓 滿足手機多功能需求

2006-01-27
2005年全球手機銷售量的成長動能,除了來自東歐、中南美、非洲,以及亞太地區新興市場,對於新購機的強勁需求外,在手機成熟地區如西歐和北美,手機廠商及營運商以降價策略來刺激換機需求...
2005年全球手機銷售量的成長動能,除了來自東歐、中南美、非洲,以及亞太地區新興市場,對於新購機的強勁需求外,在手機成熟地區如西歐和北美,手機廠商及營運商以降價策略來刺激換機需求。在手機內的關鍵零組件方面,大概可區分成射頻端零組件與基頻端零組件,射頻端零組件與系統的演進息息相關,基頻端零組件則與手機上的應用有關,至於目前手機關鍵零組件的發展趨勢,主要是圍繞在3G手機及其應用部分。  

分析2005年全球手機銷售量的成長情形,亞太市場仍是全球最大的手機市場,雖然日本與韓國等成熟市場的成長有限,但中國大陸與印度兩個最大的地區仍扮演著亞太手機市場成長的火車頭。而且,在諾基亞與摩托羅拉兩大手機大廠力推低階入門機種及中高階機種降價策略的刺激下,亦讓亞太地區的市場競爭更為激烈。  

在成熟度最高的西歐市場,雖然消費者對於3G的需求仍未明顯增加,不過,在營運業者針對合約用戶提高補貼費用,以及手機廠相繼推出新中高階機種的刺激下,再加上年底假期需求旺季即將到來,下半年西歐市場的成長幅度可望較上半年更為明顯。  

若就全球手機市場現況來看,2005年全球手機銷售量為7.98億支,其中2G手機約占1.24億支;2.5G手機約占4.76億支;3G手機約占1.98億支,預測2006年全球手機出貨量將突破8億支,到達8.73億支的規模。至於各世代手機的出貨情況,隨著3G服務的推展,預計2.5G手機將在2007年達到銷售的高峰,而3G手機則將在2008年超越2.5G手機的銷售量,成為手機市場的主流(圖1)。  

手機零組件市場產值提升  

手機內的關鍵零組件大略可區分成射頻端零組件與基頻端零組件,射頻端零組件與系統的演進息息相關,基頻端零組件則與手機上的應用有關,而各世代手機系統與應用的演進,將進一步影響到手機內部零組件的發展(圖2)。  

2005年手機射頻端零組件總產值約為43.5億美元,其中2G手機射頻端產值為6.7億美元,2.5G手機射頻端產值為23.5億美元,3G手機射頻端產值為13.3億美元,預估2006年,手機射頻端零組件總產值可達到44.9億美元(圖3)。  

現階段手機市場的主流仍為2.5G手機,但隨著3G服務的開通及3G手機出貨量的成長,3G手機射頻端產值預估在2007年將超越2.5G手機,先期反應3G手機出貨量將於2008年超越2.5G手機出貨量的。  

至於手機基頻端零組件部分,2005年手機基頻端零組件的總產值約為240.5億美元,而手機基頻端零組件又以四大處理器為主,這四大處理器分別為基頻處理器(Baseband Processor)、應用處理器(Application Processor)、多媒體處理器(Multimedia Processor)及影像處理器(Image Processor),以2005年為例,這四大處理器的產值為109.6億美元,占基頻端零組件總產值的45.6%,預估2006年,手機基頻端零組件的總產值可達到260.7億美元(圖4)。  

隨著手機上的應用越來越多,現階段常見於手機上的應用為照相、收聽FM廣播及MP3音樂,未來手機更加入視訊通話、即時影音及行動電視的功能,手機基頻處理器所扮演的角色將越來越重要,在手機基頻端零組件總產值所占的比重也會越來越高。  

提升手機關鍵零組件效能  

現在,手機關鍵零組件的發展趨勢主要圍繞在3G手機及其應用的部分,隨著3G服務的開通,使用3G手機消費者的電話簿中依然還有使用舊有2G/2.5G系統的好友,在3G手機尚未普及的情況下,提供價格較低並整合其他系統的3G手機,將會是未來的一大趨勢。另外,手機影音功能的提升將使得基頻處理器得跟著加強、記憶體的容量大幅增加,如此多的應用,在手機有限的攜帶電量下,電源管理將是另一個值得注意的發展。  

CDMA2000整合WCDMA WCDMA整合GRPS/EDGE  

3G的兩大系統為CDMA2000與WCDMA,CDMA2000的發展較早,目前CDMA2000系統的用戶數也較WCDMA系統用戶數多,但WCDMA系統,從舊有的GSM/GPRS系統向上升級時,所需要的經費較少,這對過去經營GSM/GPRS系統的電信服務商而言,系統轉換成本大幅降低,使得WCDMA系統後勢看好,預計在2007年,WCDMA系統的3G手機出貨量將超過CDMA2000系統的3G手機(圖5)。  

此趨勢使得在3G手機射頻晶片發展中,較早開發完成的CDMA2000射頻晶片,將陸續整合WCDMA系統,使得往後CDMA2000系統的3G手機,能同時在3G兩大系統下使用。而WCDMA射頻晶片則向下整合GSM/GPRS及EDGE系統,讓使用WCDMA系統的用戶,仍然可以與舊有尚未轉換成WCDMA系統的用戶互通。  

多媒體影音影響基頻發展  

由於手機上影音功能不斷擴充,在影像方面,彩色螢幕的色階越來越高,由早期的4096色階到現在的262k色階(實際為262,144色階)。在相機模組上,由早期搭載11萬畫素到現在百萬畫素以上的CMOS/CCD相機模組。而音樂方面,手機鈴聲的發展上,由16和弦、32和弦到64和弦,還能將錄音的內容當作鈴聲,再來則是轉為音樂的播放,支援MIDI和MP3形式的播放,還有強調立體聲的喇叭。除了上述的影音功能,還有許多無線傳輸與應用,如藍芽傳輸、WiFi、全球定位系統(Global Positioning System, GPS)及調頻(FM)收音機紛紛加在手機上。  

多種影音功能加在手機上,大量資料訊號的處理勢必增加在基頻上,在此趨勢下,手機基頻不但要處理既有的語音訊號,還要加入大量的資料訊號,對於原先的數位訊號處理器來說,無疑是一大負擔。在影音發展的初期,簡單的影音傳送、資料處理還是落在數位訊號處理器上,但隨著影音規格不斷提升,處理和弦鈴聲相關必須多一顆和弦鈴聲IC(Melody IC),處理照相功能相關,則必須再多一顆影像處理器(Image Processor),基頻的零組件越加越多,所占的面積也越來越大。  

為了整合這些影音元件,現階段基頻處理器大多採用數位訊號處理器+微處理器(雙處理器)的架構,或是將微處理器獨立並整合多媒體處理器、影像處理器成為應用處理器。  

手機晶片領導廠商德州儀器與高通採用的就是第一種方式,這兩家公司在2004年分別推出處理器OMAP2與MSM7xxx系列,這兩系列處理器所能提供的功能類似,包含最高可支援到600萬畫素的相機模組,30fps VGA影像品質,在3D運算速度上,德州儀器OMAP2每秒可達200萬多角形運算,高通MSM 7xxx每秒可達400萬三角形運算;而且在對外傳輸介面上,納入的電視輸出(TV Out)功能,讓手機裡的內容可以傳輸到電視上播出。  

手機記憶體與微型硬碟提供大容量儲存  

手機上越來越多的影音功能刺激了手機記憶體的需求,而手機記憶體朝著大容量、高速度、低耗能、低成本與小體積發展,針對這五大方展方向,表1整理出手機記憶體五大發展方向的概況。  

而手機用記憶體的發展趨勢,最重要的莫過於多晶片封裝,多晶片封裝可以減少手機裡記憶體的空間,符合手機輕薄短小的發展,但多晶片封裝必須有穩定的記憶體來源,對記憶體品質要求也較高。  

除了影音功能刺激手機記憶體外,近兩年來,音樂手機也帶動了手機中大容量記憶裝置的出貨量,NAND Flash外插記憶卡與微型硬碟,皆可提供手機中大容量儲存裝置的需求。  

NAND Flash外插記憶卡的體積小,使得手機廠在空間的安排上更具靈活,而且手機廠對於NAND Flash記憶體的掌握度較高,NAND Flash也較為省電,多項優點使得手機廠採用NAND Flash外插記憶卡作為手機上大容量儲存裝置。  

相較於NAND Flash外插記憶卡,微型硬碟則以提供較便宜的大容量儲存空間(每MB的售價較為便宜)進入市場,以2005年來看,NAND Flash外插記憶卡每MB的售價約為0.07美元,而以1吋微型硬碟為例,每MB的售價約為0.02美元,兩者相差3.5倍。但手機採用微型硬碟,手機廠必須重新安排手機內的空間,而且微型硬碟的介面也與NAND Flash外插記憶卡不相同,手機廠設計硬碟手機的時程相對拉長。  

電池與電源管理延長手機使用時間  

目前,手機電池大多為鋰電池(Lithium Battery),鋰電池具有長循環使用壽命、低自放電率,及高電容密度的特性,但手機上的應用越來越多,鋰電池僅能靠著新材料技術及製程技術的開發、改良來增加電池容量,近年來,鋰電池的能量密度每年大約可維持10%左右的提升,但此成長速度尚不足以滿足手機上的新興應用。  

而另一項手機電池的新技術,燃料電池(Fuel Cell, FC),則是利用電化學反應提供轉換效率高、潔淨、安全的電源,應用於手機中的燃料電池,以甲醇燃料電池為主,與鋰電池相比,甲醇燃料電池的重量減半,使用時間卻可以延長四倍,但甲醇燃料電池必須使用貴金屬鉑做觸媒,使得甲醇燃料電池的成本較高,也影響到甲醇燃料電池應用於手機的商用化腳步。  

在手機電池尚未突破瓶頸的情況下,要延長手機使用時間,勢必得從減少手機功耗著手,利用製程的改進及良好的電源管理,可以設計出低電壓的處理器,並省去手機不必要的功率消耗,延長手機的使用時間。  

目前,處理器的製程開始往90奈米CMOS製程發展,與130奈米CMOS製程相比,在相同處理速度上,核心電壓由1.1~1.5V降至1.05~1.3V間,而I/O電壓則由1.8~3.0V降至1.8V,透過製程的改善可以使處理器較為省電。  

在現階段,包含於手機數位訊號處理器的應用越來越多,但嚴格說,手機除了隨時得與基地台訊號傳遞 之外,其他的功能幾乎不可以同時使用。  

例如聽MP3音樂時就無法照相,因此,數位訊號處理器內的應用得隨時有開、關及待機的準備,而控制各項應用的狀態,則由電源管理來決定,將處理器分成數個電源定域(Power Domain),讓電源管理依據手機的應用,切換該電源定域的狀態,以達到省電效果。  

(本文作者為工研院IEK產業分析師)  

工研院產業經濟與資訊服務中心(Industrial Economics & Knowledge Center, IEK),簡稱經資中心,於西元2000年成立;集結150人以上之各領域長才產業分析師,形成迅速回應市場脈動、產業趨勢前瞻之知識服務團隊,服務要項包括客戶產業情報與趨勢、技術預測、因應策略及相關顧問服務的提供,涵蓋電子資訊、化學與材料、機電運輸、科技政策研究與生技醫療五大研究領域,了解產業最新資訊,IEK產業情報網:http://ieknet.itri.org.tw。  

(詳細圖表請見新通訊59期1月號)  

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