手機基頻技術向前行整合、功耗與3G是未來重點

2004-08-27
隨著行動無線技術的發展,手機功能從傳統的語音通訊平台已經演進為融合通信和計算的綜合平台...
隨著行動無線技術的發展,手機功能從傳統的語音通訊平台已經演進為融合通信和計算的綜合平台。  

不過,現在手機基頻設計仍舊有兩股勢力在爭奪之中,那就是傳統使用數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP),以及採用嵌入式微處理器作為主要基頻解決方案硬體核心的新興方式。  

基本上,手機內部主要的半導體包括射頻、基頻與記憶體。在記憶體方面,快閃記憶體在手機中的主要作用是存儲手機的基本程式和各種功能程式,目前手機主要是採用的是NOR型快閃記憶體,不過隨著照相手機的起飛,NAND型快閃記憶體的競爭力也在強化中。而另外一個記憶體SRAM在手機的主要作用是當成基頻 DSP和MCU的資料暫存器。  

在射頻方面,近年來射頻系統設計架構已經轉為直接頻率轉換架構,因此省略了中頻元件。加上製程與封裝技術的改進,使得射頻系統中的各部分元件均能整合成一個模組(除了功率放大器之外)。  

至於基頻可分為數位與類比,其中,數位基頻晶片主要包含三個部分:數位訊號處理器負責訊號的處理,微控制器處理通訊協定以及管理輸出輸入的介面,以及存放控制器的作業系統和韌體的記憶體。而類比基頻晶片主要包含類比數位轉換器、編解碼器與調變器等混合訊號元件。不過,現在手機基頻設計正處於兩股勢力之中,一為傳統使用數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP),另一則為以嵌入式微處理器作為主要基頻解決方案的硬體核心。  

由於這兩種方式各具有優勢,因此未來會如何走還很難說。不過,從TI發展DSP加上嵌入式微處理器解決方案的發展趨勢來看,未來隨著行動遊戲、高像素數位影像、數位音樂、數位相片與行動電視等應用陸續出籠,勢必會帶動不需即時但需要計算的嵌入式微處理器當成所謂的應用處理器。例如從表1中可以看出TI從 TBB 2010/2110/2200數位基頻發展至OMAP 710~850數位基頻的最大差別在於MCU與應用處理器的角色上。  

不過,現階段手機半導體市場仍以基頻晶片整合其他晶片為現今的主流。例如Philips利用自己在基頻晶片的優勢,將相機手機中影像處理功能納入基頻晶片設計之中,此外還搭配MPEG4編解碼晶片成為整合性的解決方案。而DSP大廠ADI則將MCU、DSP、影像處理器、語音編解碼器與SRAM整合成單晶片的數位基頻解決方案。  

以目前市場需求來看,手機使用MCU加DSP就能夠應付現階段各方面應用的需求,根本不需要嵌入式微處理器。但是對於智慧型手機來說,嵌入式微處理器是有其必要性,不過現階段智慧型手機市場仍舊不夠大,因此仍需要時間來慢慢導入。Intel雖然擁有龐大晶片設計與製造能力,但是在跨入無線通訊半導體市場,仍舊沒有抓到訣竅,這亦是Intel推出手機以嵌入式微處理器架構為核心時,無法成為手機廠商首選的參考平台原因之一。  

基頻整合其他元件是一大挑戰  

根據Qualcomm指出,1999至2000年基頻DSP晶片的製程技術從0.25微米進步到0.18微米CMOS製程,而此時快閃記憶體與SRAM開始整合成一顆IC。而從2000年至2003年基頻晶片開始加入許多介面,例如藍芽、USB、MPEG4、MP3與GPS等,廠商為了維持晶片的尺寸,開始採用0.13微米CMOS製程。此外,ZIF技術成熟,藉由中頻SiGe-BiCMOS與基頻CMOS混合製程可整合度提高,使得中頻與基頻往整合成單一晶片的方向走。  

2004年之後,基頻IC為了迎接MMS、TV、影像與即時資訊流的趨勢,陸續有廠商將影像處理、甚至MPEG4整合入基頻晶片之中。甚至為了保持基頻的彈性,還將小部分SRAM與快閃記憶體內建其中,此時製程技術進一步要拓展至0.10微米以下。那接下來呢?  

一般來說,下一階段應該是整合射頻以及支援多重規格的記憶體,而且製程也會邁入90奈米,甚至65奈米的時代。  

支援多元化記憶體規格為趨勢  

由於新一代手機已經由單純的語音轉換成資料處理,為了因應大量資料處理勢必要將不同資料處理的工作分派給數個DSP單元來完成。如此一下,DSP處理效能一定要往上提升,因此對於記憶體的容量來說,那就很重要了。現在許多廠商為了迎合這個趨勢,已經把靜態記憶體SRAM內建在基頻晶片之中。至於快閃記憶體呢?  

由於近年來NOR型快閃記憶體一直是手機快閃記憶體規格的主流。現在已經有廠商開發支援NAND型快閃記憶體的基頻晶片。一般相信,支援多元化記憶體規格的趨勢將無法避免,這將考驗基頻晶片廠商的能力。  

不過,現在手機產品屬於中高價位的機種,仍以支援NOR型快閃記憶體的需求比較高,產品與技術設計也比較成熟。不過隨著相機功能的增加,支援NAND型的晶片也增加許多。至於中低價位的灰階手機仍將只支援SRAM,而SDRAM短期之內仍受限於晶片尺寸太大,不易被接受。  

此外,整合快閃記憶體在基頻之內並不是不可能,而且現在也有許多廠商在持續發展內嵌式快閃記憶體的技術,其基本上當然希望能夠以內建市場為目標。不過,現階段仍舊受到容量、規格不確定等因素,因此短期之內很難有進一步的發展。  

總之,手機晶片為達到輕薄短小的目的,SRAM和快閃記憶體以MCP封裝比重將逐漸提升,但是仍以單獨存在的情況比較多。不過隨著半導體往65奈米技術前進,未來這些記憶體仍舊有可能全部都內建在基頻晶片中。  

整合射頻難度高 市場需求待考量  

將兩種不同製程的射頻與基頻整合在一起,仍舊是一條很長遠的路。因此,現階段射頻本身整合成一個單晶片,而基頻本身整合成一個單晶片的可能性比較高。  

多數主流廠商對於手機IC的射頻與基頻,仍舊採用SiGe BiCMOS或磷化銦鎵製程(InGaP)來製作射頻,用CMOS製程來製作數位基頻電路。如果要像WLAN與藍芽將射頻與基頻晶片使用CMOS製程整合成單一晶片,在執行上仍舊有困難。其中最大的困難就在於系統規格的不一致。  

手機產業千變萬化,無論在射頻或者在基頻,系統架構都還沒有完全定調,未來要定調的機會也不高。除非某些規格能夠確立,否則現階段將這兩個結合在一起並不能達到降低成本的目的,反而會被手機廠商認為彈性不夠。因此如何設計出可程式化ASSP亦是手機晶片商努力的目標。  

節省功耗為不變的設計潮流  

在目前燃料電池使用在手機上仍不成熟的情況下,下一代手機的電源管理便只能從提高電源利用率和降低功耗這二個方面著手,而手機的基頻是除了功率放大器之外,手機IC之中耗電量最大的部分。一般來說,唯有透過降低工作電壓與執行頻率,基頻晶片才會在功耗上降低。  

透過設計技術改善功耗  

動態電壓頻率變換技術是現在基頻上最普遍的技術。這個技術是希望手機根據真實的工作狀態來調整電壓與時脈,確定基頻處理器和多媒體處理器之間的分工,使之最適合處理各種不同任務。  

變更架構 節省功耗  

與傳統雙處理器架構相較,Starcore所推出的單處理器手機數據機解決方案就能在功耗上獲得較其他解決方案更大的優勢。一般來說,現在推出的基頻晶片都是雙處理器架構,因而為了降低成本與耗電量,由摩托羅拉與Agere合資成立的Starcore則推出訊號處理與基本應用相結合在一起的單核心架構。  

而TI持續推出的OMAP解決方案,則是利用共享原理,將基頻與多媒體功能進行結合,期望達到降低耗電量的需求。例如其是利用低耗電量的DSP加上ARM的應用處理器來降低耗電量的問題。  

因應3G挑戰 基頻設計主流未定  

在技術發展之初,新一代的3G方案在晶片整合方面的確面臨了成本過高、耗電量過高、體積過大、處理效能不足等問題。  

隨著手機漸漸往3G發展,為了讓手機廠商在設計2G/2.5G與3G手機時能夠更加順利與快速,如何讓消費者在使用3G手機時,能夠很平順地在2G/2.5G與3G網路中自由地切換,這就成了一個大學問。  

最近被Broadcom購併的Zyray就想出了一個方案。就是使用彈性雙基頻晶片架構。Zyray推出的SPINNER WCDMA基頻晶片,能夠很彈性地搭配現有的任何GSM/GPRS/EDGE的基頻晶片,因此其他晶片廠商並不需要花費額外的時間研發3G基頻晶片。更重要的是,SPINNER WCDMA基頻晶片無論在成本、耗電量、體積與效能上都有不錯的表現。此外,它更考慮到產品的未來性,尤其是支援HSDPA技術。感覺上,這是一個不錯的方案,但是隨著被Broadcom購併之後,未來Zyray會產生什麼樣的影響力還很難說,不過,對於Braodcom進入手機基頻晶片市場卻有很大的助益,而且也為未來手機基頻設計提供了一個方向。  

基頻晶片的領導廠商TI卻提出不同的看法。TI將2G與3G基頻整合成單晶片,加上一個OMAP應用處理器。最近,TI也正式與NTT DoCoMo簽約研發單晶片且多頻的基頻處理器,其中最大的突破就是將基頻與應用處理器整合在一起,讓手機的設計更加輕薄。  

此外,還有一個趨勢要注意的是行動3D繪圖處理器在未來的角色。如果未來有兩大處理器核心的話,有許多人認為應該是一顆基頻加應用處理器,以及一顆3D繪圖處理器。不過,是不是如此還很難說,因為有廠商在嘗試將繪圖核心與應用處理器結合,那就有可能是一顆基頻,另一顆是繪圖核心加應用處理器了。  

總之,現在基頻在3G時代會演變成什麼樣子還很難說,不過,可以確定的是基頻在未來行動電話產業必定佔有很重要的地位。  

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