差異化功能設計有成　PLD搶進智慧型手機

囿於功耗與封裝尺寸的限制，目前成功攻占智慧型手機應用的可編程元件(Programmable Logic Device, PLD)仍以複雜可編程邏輯元件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)、乃至更單純的簡單可編程邏輯元件(Simple Programmable Logic Device, SPLD)與閘陣列(Gate Array)元件為主，但由於智慧型手機市場規模龐大，且大有成為未來主流的架勢，因而吸引原本專注在現場可編程邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)產品研發的供應商積極介入。  

單晶片/單封裝成基本條件  

圖1　SiliconBlue業務副總裁Steve Donovan認為，與CMOS製程完全相容的NVCM技術是SiliconBlue元件成本的競爭力核心所在。

為了將元件功耗降低到足以跨越智慧型手機應用門檻的程度，各家PLD供應商幾乎都在元件尺寸上大作文章。以製程技術畫分，應用在智慧型手機的可編程邏輯元件可分為靜態隨機存取記憶體(SRAM)陣營與快閃記憶體(Flash)陣營兩派，前者以賽靈思(Xilinx)、Altera、萊迪思(Lattice)、SiliconBlue為代表；後者則有愛特(Actel)力挺。就技術本質來看，由於Flash本身具備非揮發性特質，因此元件上電(Power On)之後不必重新從外部電子可編程唯讀記憶體(EPROM)載入組態配置。對系統設計者而言，移除外部記憶體除了可以降低系統成本之外，更可將寶貴的印刷電路板面積移作他用。  

但SRAM陣營為了解決必須外掛EPROM所造成的成本與功耗問題，也出現許多創新的混合式做法，例如透過多晶片封裝技術將快閃記憶體與CPLD裸晶封裝在單一晶片中，或是如Altera與萊迪思直接採用嵌入式Flash製程。新創公司SiliconBlue同樣採用嵌入式非揮發性記憶體技術，但並非傳統的快閃記憶體技術，而是一種稱為非揮發性可組態記憶體(Non-volatile Configurable Memory, NVCM)，因此可以突破Flash製程微縮困難的技術瓶頸。SiliconBlue業務副總裁Steve Donovan(圖1)表示，NVCM與標準互補式金屬氧化半導體(CMOS)製程可以100%相容，因此可以與最先進的製程技術一同演進。長期來看，SiliconBlue將因為製程微縮而在元件的生產成本上具備更顯著的競爭力。  

供應商各顯神通　元件功耗頻創新低  

除了元件封裝尺寸之外，功耗更是使用者斤斤計較，供應商彼此較勁的指標性規格。就目前各家供應商的技術文件所記載的數字作比較，以愛特的IGLOO系列在進入Flash Freeze模式時的功耗為最低，可低達5微瓦(表1)。

◎表1 各家供應商所宣稱的元件靜態功耗
供應商	元件系列名稱	靜態電流(典型值)
Actel	IGLOO	4.16微安培
Altera	MAXIIZ	29微安培
Lattice	ispMACH 4000ZE	10微安培
SiliconBlue	iCE	25微安培
Xilinx	CoolRunner II	16微安培

然而，由於元件功耗是一個複雜的函數，因此廠商所宣稱的靜態功耗數值往往仍得視實際狀況而定，特別是在CPLD/FPGA靜態電流進入微安培時代之後，許多以往被認為影響輕微到幾乎可忽略不計的功耗成因，現在都必須放在放大鏡下來檢視。其中最顯著的例子，莫過於輸入/輸出(I/O)接腳所造成的功耗。  

事實上，由於目前在手機應用中，PLD所負責的工作不出I/O擴充、電壓轉換(Level Shifting)、或介面橋接等膠合邏輯(Glue Logic)的任務，因此應用在手機中的PLD元件多半具備數十個I/O以上。數量龐大的I/O接腳在元件進入休眠狀態時，仍會不時接收到外界的訊號輸入而在高低態之間切換，因此在實際應用中，若系統設計者不將I/O接腳做一妥善的阻隔(Block)，即使元件中的其他功能區塊處於休眠狀態，I/O仍會耗用額外的電力。  

為了解決I/O所造成的問題，許多供應商皆提出對應的I/O阻隔技術，如賽靈思的DataGATE、萊迪思的Power Guard、SiliconBlue的iCEGATE。但由於各家PLD的設計架構不同，有些供應商的I/O阻隔技術僅能以組為單位來實作，有些供應商所提供的方案則單獨針對每一個接腳做阻隔。但整體來看，在I/O阻隔方面，每一接腳皆可獨立控制的作法將是未來趨勢，如此一來，工程師進行應用設計時，即可獲得更多彈性。愛特的Flash Free則是一個比較全面的節電模式，在元件進入此一模式時，除了允許使用者將元件I/O阻隔之外，還包含快速喚醒等其他功能。  

早期投入者具備客戶關係優勢  

圖2　賽靈思亞太區行銷與應用部門總監張宇清表示，手機客戶在評估供應商時，除了產品規格之外，供應商能否準時交貨與元件品質是否穩定也是其所關心的重點。

雖然從技術角度來看，近兩年來PLD供應商在低功耗與單晶片整合方面投下不少研發資源進行布局，但智慧型手機客戶在採購元件時，顯然仍受到大廠光環的影響。事實上，如果把各家PLD供應商所提供的CPLD與低成本FPGA一字排開，已經上市超過10年的賽靈思CoolRunner II系列，雖然在功能、容量、靜態功耗的指標性規格方面與其他後生晚輩產品相比並非最出色，但市場接受度卻是最高的。根據多家代理不同PLD原廠的專業半導體通路商表示，目前台灣智慧型手機與可攜式裝置市場上最主要的CPLD供應商，至今仍非賽靈思莫屬。  

賽靈思亞太區行銷與應用部門總監張宇清(圖2)指出，對於手機與可攜式裝置等應用市場而言，元件的品質、可靠度、以及供應商準時交貨的能力，往往比元件規格本身更為客戶所重視，因為這類終端產品必須快速大量生產，所以供應商過往的交易紀錄是否良好，會是客戶關心的重點。只要供應商過往的紀錄良好，就可以在市場競爭中建立起一定的優勢。  

圖3　Altera亞太區資深產品行銷經理張洵瑜認為，低密度CPLD將面臨來自微控制器的價格戰，因此CPLD必須以可整合多顆膠合邏輯功能於一身為主要訴求來提升客戶的採用意願。

但老牌供應商不能只靠過往的良好紀錄就高枕無憂。由於CPLD內含的設計內容相對簡單，因此客戶要改採其他競爭解決方案的轉換成本相對較低，即使與客戶已經有許多年的供貨關係，都必須兢兢業業地維繫客戶，並持續推出新產品，才能留住客戶的訂單。這點與高密度FPGA用戶除非逼不得已，否則絕不輕言轉換供應商的市場生態完全不同。  

發揮後進優勢　新進者力圖翻盤  

在CPLD領域市占率居於領先地位Altera，對此一市場的高度競爭態勢亦了然於胸。Altera亞太區資深產品行銷經理張洵瑜(圖3)表示，Altera在手持式裝置專用的超低功耗CPLD產品布局動作，雖然比透過購併方式取得相關產品線的賽靈思來得晚，但由於CPLD市場高度競爭的特性，靠著後進優勢也有能與先進者放手一搏的籌碼，畢竟老產品在架構上有其落後之處。  

圖4　愛特東南亞區及台灣區資深區業務經理彭炳彰表示，以IGLOO的容量，絕對足以在手機系統中扮演膠合邏輯以外更重要的角色，因此Actel會推出更多的參考設計來證明IGLOO的應用潛力。

事實上，在智慧型手機應用市場上，採用傳統Macrocell架構，且密度約在三十二到六十四個Macrocell之間的CPLD，正在面臨4位元/8位元微控制器的競爭；而在對元件尺寸較不敏感的個人導航裝置方面，除了微控制器之外，這類CPLD甚至還得跟PLD的始祖--可編程陣列邏輯(Programmable Array Logic, PAL)進行價格競爭。因此Altera決定採用迴避低階市場的策略，直接向客戶推廣容量約當一百二十八至二百四十個Macrocell的MAXIIZ元件，以整合多顆膠合邏輯為訴求。  

相較之下，愛特針對此一市場所提供的方案更為高階，最高可達一千零二十四個Macrocell。這種大容量的產品規畫顯然已經超出原本用來執行I/O擴充、電壓轉換所需，而是以實現更高度的系統整合為主要賣點。愛特東南亞區及台灣區資深區業務經理彭炳彰(圖4)表示，為了向客戶展示大容量PLD在手機應用的實際價值，愛特會以參考平台的方式向客戶推廣，例如支援SDIO、發光二極體脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)、特殊鍵盤掃描、多螢幕輸出等功能。  

圖5　萊迪思台灣區技術經理湯國良認為，若低密度CPLD可以整合更多實用功能，對客戶而言仍有其不可取代的價值。

萊迪思切入市場的策略則與上述兩家不同。萊迪思台灣區技術經理湯國良(圖5)指出，雖然低密度CPLD確實正在面對來自微控制器的價格競爭，但客戶若採用微控制器來取代CPLD，就必須在即時性方面做出讓步，而且客戶的硬體研發團隊還必須仰賴軟體團隊來撰寫韌體，有時會延誤系統開發進度。因此萊迪思相信低密度CPLD仍有其不可取代的地位，只是須要整合更多功能來提升其價值。例如在ispMACH 4000ZE中，萊迪思便將振盪器與計時器等功能整合到元件中，讓CPLD本身除了執行膠合邏輯的任務外，也可提供時脈訊號輸出給系統中其他元件使用。  

手機用PLD群雄並起  

不同於高階FPGA由賽靈思與Altera兩強爭霸的格局，鎖定智慧型手機市場的PLD供應商家數眾多，且各家供應商除了在元件尺寸與功耗持續較勁之外，還為了創造更多附加價值而在元件中整合其他功能。顯然智慧型手機市場已經是PLD供應商志在必得的新興應用，且從各家供應商的產品藍圖來看，2008年下半年到2009年上半年這段期間，還會有大量新元件與新參考設計持續面世。由此亦可看出，智慧型手機平台使用PLD來創造差異化功能的趨勢，已儼然成形。