(作者:孙昌旭)
多种功能融合的移动终端带来无限商机,但它们对中国的手机厂商来说,却更像是烫手的山芋。一方面,这些融合的移动终端同时也是多种功能模块的集成,如何将这些模块集成并控制在最小的尺寸、最小的功耗之下是中国厂商近期远不能应用自如的；另一方面,这诱人的市场也吸引了众多的半导体厂商蜂拥而入,特别是新增的模块如应用处理器、摄像、Wi-Fi以及高密度闪存等更成为兵家必争之地,这让在手机设计领域刚入门的中国制造商选择器件时面临着更大的困难。
运营商为ARPU值的不断下降而绞尽脑汁,他们对能支持多种新业务和刺激用户消费的通信终端求之若渴；另一方面,这些集成通信、计算以及数字消费娱乐功能的便携式终端如可拍照手机和智能电话等多功能便携终端让用户体验到了新的享受和便利,受到消费者的大力追捧,因而使得实际需求量超过业界调研公司的预测。比如据无线行业专业分析公司ARC Group 今年8月公布的报告显示,到2003年底全球将有5,500多万只可拍照手机,且预测到2005年全球将有1.30亿只可拍照手机。而最近数据显示今年可拍照手机的出货量就会超过7,000万只。
这些能带来巨大商机的融合移动终端,对于中国的手机厂商来说虽是垂涎欲滴,却更像是烫手的山芋。这些融合的移动终端,同时也是多种功能模块的集成,它们不但有最基本的通信模块如基带处理器,RF等,还需有图像处理、摄相模块,MP3,蓝牙、高品质音频等等多种处设以及为这些应用增加的应用处理器和相应的操作系统。如何将这些模块集成并控制在最小的尺寸、最小的功耗之下是中国的OEM近期远不能应用自如的。从另一角度看,这诱人的市场也吸引了众多的半导体厂商蜂拥而入,特别是新增的模块如应用处理器、图像处理、摄像、彩屏、蓝牙以及高密度闪存等都带来巨大的商机,其中尤以应用处理器更是成为兵家必争之地,不但是老牌的通信IC厂商如摩托罗拉、TI、飞利浦、意法半导体加紧了对应用处理器战地的守护,电脑领域的巨头英特尔也加入了这场战争,并欲藉此进入通信IC的腹地,此外,MCU领域的巨头如瑞萨科技,图形芯片厂商NeoMagic也都进入了这场应用处理器市场争夺战。这让在手机设计领域还处于入门级的中国厂商,选择时面临了更大的困难。
随着移动终端的功能不断增加,芯片方案也处于不断变化之中,而IC厂商更是在动荡中滋生与重组,未来IC将会如何发展？是选择分离的方案还是集成的方案？各个功能模块的技术趋势如何？本文将会对这些问题展开讨论。然而,要弄清楚这些问题,手机厂商首先要对自己的产品类型进行明确的定义。
对融合移动终端的定义
随着移动终端的功能越来越多,人们对它们的定义也变得模糊不清。各种新的名词如智能手机、多功能手机、PDA手机等让用户困扰,更是让OEM不知如何定义自己的产品和架构。杰尔系统移动终端部资深策略市场经理Graham Carter表示:“智能手机这个词的使用已是略为过多了,对于不同的人,它有不同的含义。”德州仪器中国无线通讯产品总监周承云认为:“智能手机和一般手机最大的区别在于从硬件角度上需要专用的应用处理器来运行高级操作系统及应用程序,从软件角度上会使用更为高级的操作系统作为应用系统,如Linux,WinCE,Symbian等。
对于不同种类手机的区分,飞利浦、NeoMagic、摩托罗拉、瑞萨科技和ADI等公司基本持相同的意见,他们认为目前可以将这些移动终端分为三类:-是以语音为主的手机也即低端市场,芯片组都是围绕一个单一的基带处理器搭建的,该处理器执行电信和其它应用任务,且集成度会进一步提高,比如TI已宣布推出单芯片的手机方案。
另一个是增值服务手机,也叫多功能手机(feature phone),是目前需求量最大的手机。这些系统是围绕一个功能强大的基带搭建起来的,这个基带有一个与之配套的应用协处理器。基带承担MMS和相关应用等主要功能,协处理器则执行视频处理等需要大量运算的功能。未来的发展趋势是,当协处理器支持的功能变得普及并成为标准配置后,这个协处理器将会集成到基带中。这类手机没有高度复杂的操作系统。目前这类手机的功能差别很大,实现方案也很不一样。”
第三类是智能手机,即高端手机市场。这类手机中应用处理器成为系统的主机,而GSM/GPRS等通信MODEM则成为实现连接功能的外设之一,此外还有其它通信外设比如WLAN,蓝牙,USB等。智能手机通常要采用复杂的嵌入式操作系统如Pocket PC、Smartphone、Symbian以及Linux等,这是“移动办公” 的典型理想工具。并且,智能手机多备有较大的2-2.8英寸显示屏,具有文字处理方面的功能。
飞利浦半导体移动通信蜂窝3GSM业务副总裁 Jacques Noel解释道:“实际上,各种架构将随着应用的成熟而不断演进,今天时髦的应用将成为明天的基本应用。”ADI公司业务发展总监Doug Grant特别强调:“我们对智能手机的定义是:拥有操作系统并支持第三方应用的手机。我们没有把基于Java的手机归入智能手机,因为运行语音软件的基带处理器也可以运行Java程序。”
分离还是集成？
新一代的手机需要一个专用的应用处理器已是发展的必然,但是应用处理器是与基带集成还分离,各家的观点并不趋同。
NeoMagic是第三方应用处理器供应商,他们与基带芯片组供应商比如模拟器件公司组成策略联盟,他们认为采用独立的应用处理器具有强大的功能。该公司副总裁Mark Singer表示:“我们认为必须采用单独的应用处理器,以满足下一代手机日益增长的多媒体需求。目前,低端手机架构没有争议,以基带为主。而中端手机解决方案有多种:有采用基带配应用处理器、也有采用基带配图形芯片或者摄相芯片。我们发现中端手机市场不再热衷于继续提高集成度。这是因为创新速度太快,集成式解决方案赶不上新功能的增加。”他认为,如果采用单独的应用处理器,则可以更迅速地推出新特性。“集成基带解决方案比独立的应用处理器方案大约落后一年到一年半。当手机增加新功能的竞争降温的时候,厂商可能会开始考虑提高集成度,但在未来几年内,各厂商并不想走基带与应用处理器集成之路。”
ADI没有推出应用处理器,他们通过与NeoMagic的合作提供智能手机方案,该公司的观点又不一样,Doug Grant说道:“有许多用户不需要智能手机那样强大的能力,这些用户只需要基带芯片提供的处理能力,就可以运行其应用程序,包括基于Java的游戏等,而不需要一个单独的应用处理器。是否采用独立的应用处理器,可以这样权衡利弊:在为手机增加特性时,采用应用处理器可以有更大的灵活性,但成本较高(处理器成本,存储操作系统软件的内存成本),而且要消耗更多的能量(电池寿命缩短)；如果不采用应用处理器,产品的单位成本和功耗将低得多,但对于设计人员来说,软件开发将变得比较困难,而且在手机推向市场以后,难以再增加复杂的新功能。”
飞利浦认为目前这两种方案同时都需要。Jacques Noel表示:“两种架构——单独的应用处理器与集成一切的基带方案,都有自己的支持者和反对者。甚至主要手机供应商,也将同时采用两种解决方案。”但他接着说:“到今天为止,MMS仍在主导高端手机市场,多数支持MMS的手机都基于集成式基带。同时,许多手机制造商在协处理器的基础上提供基于Symbian的解决方案。一旦这些架构占据市场,由于软件投入巨大,这种方案会存在相当长的时间,因为要改变它们的架构意味着巨额投资。”他认为,一些新增的功能最早会在独立的应用处理器上体现,但当这些功能成为主流后,将会向集成的方向发展。
在应处理器市场投下大赌注的摩托罗拉和英特尔则有绝然不同的观点,这两家公司目前在PDA市场占有很大的市场份额。摩托罗拉半导体无线及移动系统部亚太区市?鐾乒阕芗嗖茉??p表示:“我们认为,由于操作系统日益复杂,新应用发展迅速,智能手机采用一个单独的应用处理器有巨大的好处。利用一个单独的处理器来完成上述任务,可以简化系统设计。而且,可以使向第三方开放和提供平台更加容易,第三方可以利用单独的应用处理器来开发附加技术。例如,在参考设计中,客户可以充分利用在基础上发展起来的庞大的第三方供应商网络。在单独的处理器上开发出来的应用,在GSM和CDMA上都可以迅速地得到再利用。”而英特尔一直在强调的开放的PCA平台,将计算功能与通信功能分开,其宗旨也与此大同小意。英特尔公司资深副总裁Ran Smith表示:“基于PCA平台的软件具有可移植性,开发商在PC上开发的软件都可以无缝地移植到Xscale平台上,这样可以非常方便地让第三方的开发商开发新的应用。”
瑞萨科技同样对应用处理器市场寄予厚望,该公司行政总裁吉泽秀幸表示:“应用处理器的性能和功能在迅速改善,这种改善速度要快于集成应用处理器与基带的方案。我们建议用户选择分离的应用处理器,分离的应用处理器的功能更强。比如瑞萨科技将于明年二季度投入批量生产的SH-MobileV2应用处理器,其3D图形性能几乎与Playstation1不相上下。我们认为,不会有达到如此性能的集成式应用处理器出现。”
TI的周承云总结道:“基带模块一般处理实时任务,而应用处理器处理非实时任务。两者在功能上是分开的,但是在芯片设计时它们仍然可以集成在一个芯片上。首先从技术和工艺的角度上来讲,这已非难事,从市场发展的角度,小型化,低成本更是发展的大势所趋,客户需要更富裕的板级空间来增加丰富多彩的应用。我们认为未来的发展趋势是功能上分离,制造上集成。”
其实,为了应对市场上的不同需求,英特尔、TI、飞利浦、摩托罗拉等公司均同时支持两种方案,既有集成基带与应用协处理器的集成方案,比如TI的OMAP73X、英特尔的PXA800F,也有独立的应用处理器如TI的OMAP1510/1610,英特尔的PXA250/PXA26X等。
正是这些不同的应用需求,导致了应用处理器市场精彩纷呈,竞争白热化。
应用处理器进入春秋之战
传统基带芯片市场经过多年的发展已变得相对稳定,前5大基带芯片供应商占了该类市场的近80%市场比重,因而OEM用户对这些传统的基带产品已较熟悉。而应用处理器作为新一代手机中的核心器件,由于它是近年随着融合功能的增加而产生的新概念,其实质就是一块功能强大的SoC,Semico预测2007年应用处理器市场将达到80亿美元,因而该市场几乎成为所有主要半导体厂商寄托希望的领域。其中,老牌的通信IC厂商如TI、摩托罗拉、飞利浦等公司及时推出高集成度的应用处理器,希望守住手机市场这块宝地；PC领域的芯片巨头英特尔更是希望藉大融合的机会进入手机市场的腹地；MCU厂商自然不会放弃这一丰腴的市场,随着巨头瑞萨科技的进入,会有更多的MCU厂商跟进；而一些图形芯片厂商如NeoMagic也信誓旦旦地进入该市场,据称,Navidia,ATI两大图形芯片巨头也正在摩拳擦掌,为推出相关产品作准备。应用处理器市场战火弥漫,进入动荡的战国时期,到底谁将胜出,战况如何发展我们还需观望。
厂商之间关于应用处理器的竞争焦点则落在处理器的主频、支持外设的种类、对多媒体的处理能力、功耗以及内存等方面。目前市场上的绝大部分应用处理器均基于ARM9核,主频在100MHz~200MHz之间,摩托罗拉也用ARM9代替了原龙珠系统中的PowerPC核。仅有少数的公司采用了不同的内核,比如英特尔应用处理器基于速度更快的Xscale核,主频已可达到400MHz；瑞萨科技拒绝采用ARM核,在其SH-MobileV应用处理器中采用了SH3-DSP内核,主频133MHz。
如前所述,应用处理器的表现有独立的应用处理器和集成基带的应用处理器两大类。目前应用处理器与基带集成的主要产品有:TI的OMAP730、英特尔的PXA800F以及高通的MSM6000系列。OMAP730智能电话处理器集成TI的Class 12 GPRS模块与ARM926,主频200MHz,可以升级支持EDGE。TI的周承云表示:“对于JAVA应用的日益增长,OMAP730采用了JAVA硬件加速器。”而英特尔的800F集成Xscale和微信号架构(英特尔与ADI合作开发的DSP),主频可达312MHz,同样支持Class12 GPRS,且集成片上4MB闪存以及512KB的SRAM。最近英特尔通过升级已推出支持EDGE的PXA800EF处理器。
一般来说,应用处理器都可支持基本的外设接口如:彩色TFT、相机接口、USB 1.0、蓝牙、802.11b、NFC、I2C, I2S等,并支持MM、MS和SD等标准的外部插卡。但是也有一些区分,比如目前支持USB OTG的应用处理器有飞利浦的Nexperia、TI的OMAP730/OMAP161X以及高通的MMS6000。而摩托罗位的I.MX系列中将蓝牙基带和收发器也集成进去。
对于视频流等多媒体的处理,供应商已纷纷转向硬件加速器的方式取代软件处理。TI、飞利浦、摩托罗拉、NeoMagic、瑞萨科技等公司已在最新的独立应用处理器中集成了专用的MPEG4和MP3硬件加速器。飞利浦的Neol表示:“我们采用专门的视频硬件加速器用来处理JPEG,H263,MPEG4编解码,2D/3D图形,H264编解码等功能。”这样,通过对系统进行有效地分割可以大大提高性能并降低功耗。摩托罗拉的曹元?p解释说:“嵌入式系统中的许多任务既可以在专用硬件也可以在可编程内核的软件上执行。通过将集中的循环任务委托给硬件加速器而不是软件是一种较好的提高效率的办法,视频任务则非常适合于硬件来处理。”
同样,为了加强视频流的处理能力,英特宣布在Xscale的下一代应用处理器核Bulverde中集成无线MMX指令集,并宣称可使基于Bulverde的手机/PDA获得媲美台式机的多媒体性能,并能够最大限度地降低运行多个重负荷应用所需的功耗。英特尔资深副总裁Ran Smith表示:“无线MMX技术构建于奔腾系列中已采用的MMX技术基础之上,使得软件开发商可快速为英特尔架构的手机和PDA推出应用,包括2D和3D游戏、数据流MPEG4视频、无线加密/解密和语音识别等应用。”
此外,TI和飞利浦的处理器中还集成了安全加密硬件。周承云表示:“OMAP的另一特点是集成硬件加密功能,包括加密的引导程序,48KB的ROM和16KB的RAM,硬件随机数生成器(RNG),并对一些加密标准提供硬件加速,从而满足运营商和用户对多媒体手机安全的需求。”
与从不同的是,为满足更强大的智能手机功能需求,TI和飞利浦在独立的应用处理器OMAP161X和Nexperia中也采用了ARM+DSP双核架构。周承云说道:“采用了ARM与DSP的双核结构,能提供多种基于硬件的应用加速器,其中包括一个专门的片上2D图形加速引擎,因而不再需要分立的图形芯片。多媒体加速还可以使音频应用性能提高70%,而Java(TM)加速则使性能提高至原来的八倍。”飞利浦Noel也表示:“双核处理器不仅能在ARM92X子系统上提供大量计算能力,而且与众不同的是,它们具有更强的附加加速器,这些加速器可以卸载ARM内核的负担,满足需要进行高强度运算的功能,从而实现节能的目的。其中DSP内核主要用于可编程的音频编解码或增加的音频应用,如MP3,WMA,AAC,ATRAC3,噪声消除,语音识别和文本转语音等应用,而视频硬件加速器用来处理JPEG,H263,MPEG4编解码,2D/3D图形,H264编解码等。”
应用处理器在集成内存方面的竞争也在升温。英特尔最早宣布在其PXA26X系列中集成闪存,从而降低功耗和减小PCB板的面积。现在,飞利浦也表示会采用MCP(多芯片封装)方式集成闪存。Noel表示:“由于应用处理器正在成为完整的系统,人们开始利用MCP技术把内存与处理器集成起来。应用处理器很快将集成SDRAM 和/或闪存,以节省空间和能量。”此外,TI、瑞萨科技等公司在处理器上也集成了SDRAM。吉泽秀幸表示:“用户可以选配堆叠128Mbit低功耗SDRAM (1.8V),取代外部的分立内存,从而进一步节省PCB面积。”
然而,最令设计人员关心的还是应用处理器的功耗,因而厂商也都使出了全身解数来降低功耗。TI、摩托罗拉、飞利浦等公司在应用处理器中均采用了DMA技术,即使外围设备和内存之间的通道绕过处理器,式这意味着CPU既可用于执行其它功能,还可因其较少的工作任务而放缓速度以节约能量。
其次,睡眠模式是应用处理器厂商普遍采用的方式,它基于时钟门控、变频等技术。周承云表示:“德州仪器采取一种超深待机模式,在这种极深睡眠模式下,消耗的电流不到10 uA,不及上一代处理器的十分之一。德州仪器还使系统在待机状态时采取低功率LCD显示器模式,允许显示器以极低的时钟速度刷新屏幕。”
而飞利浦的Noel则说道:“我们采用变频和关闭模块的技术、采用动态电压管理把处理器和外设的频率降至最低水平、根据频率和温度调整电源电压等降低功耗。”
瑞萨科技也是采用了关闭模块的方式。吉泽秀幸表示:“我们采用的方案是在U-Standby模式下,基带可以直接控制LCD/LCM。这意味着所有的手机功能(例如拨打和接听电话)可以在不激活应用处理器的情况下进行。”为克服在功耗方面的弱点,英特尔在其下一代的Bulverde处理器中,将采用一种SpeedStep(r)技术,可以根据CPU需求动态调整处理器功耗和性能,该技术通过智能将处理器切换为不同的低压模式,能够动态改变电压和频率。
此外,摩托罗拉宣称在半导体工艺上的两个创新可以改善功耗,它采用了创新的双VT(阈值电压)晶体管和合理偏压技术。一般晶体都只有一个VT值,但曹元?p说道:“我们已经有能力在同一块芯片上包括高低VT晶体管,在关键路径电路中使用低VT值晶体管以获得我们想要的速度,而在大多数路径中使用更高的VT晶体管则便于获得较低的电流。”而合理偏压是指通过偏置底层电压以便与晶体管另一侧电压更匹配,降低连接处的电压,因而减少漏电量。
而另一个引起业界关注的是NeoMagic公司宣称其最新的MiMagic 6中采用了一种APA(Associative Processing Array)引擎,APA是一种大规模并行计算架构,采用一种SIMD计算方法并行处理大量数据。它通过把计算单元和内存合并在一起,消除了性能瓶颈,能大大节省电力。该公司副总裁Mark Singer表示:“采用APA引擎,MiMagic 6以低于RISC或DSP的功耗,完成大量多媒体应用的处理。”
最后,工艺上的改进也是所有厂商最关注的。周承云表示:“目前主流的工艺已转向0.13um,核心电压1.1 - 1.5V,IO电压1.8 - 2.75V。待机电流小于10μA。”而飞利浦、瑞萨科技、摩托罗拉等也均表示待机电流小于10uA。英特尔则宣布在明年会转向0.9um工艺。
还一有个值得关注的就是应用处理器对移动图形标准的支持。随着手机的交互式游戏功能变得越来越重要,业界基本上已形成公认的移动图形标准即OpenGL ES,并于今年早些时候通过了1.0版。此外还有微软倡导的Direct3D Mobile标准也得到不少厂商的支持,比如飞利浦、NeoMagic等公司。而摩托罗拉则宣布与全球主要3D图像公司HI corp结成伙伴关系,为手机和其它手持设备提供先进的图形解决方案。不过,曹元?p表示:“摩托罗拉同时也是OpenGL标准的关键成员。”
飞利浦的Noel对此标准评论道:“为了满足短期需要,今年7月通过了OpenGL ES 1.0标准,其定义是可以通过软件来执行。但由于分辨率较高的LCD(QVGA)以及更复杂的屏幕对性能有更高的要求,而且需要降低能耗,因此OpenGL终端将需要硬件加速。因预见到OpenGL标准将得到广泛采用,有几家厂商已宣布了IP模块。”
摄像模块成为香饽饽
由于对可拍照手机需求的迅速增长,手机中摄像模块的需求正在超过数码相机中的需求。安捷伦副总裁兼个人系统业务部总经理Jeff Henderson表示:“今年摄像传感器在手机市场的发货量将首次超过在数码相机市场的发货量。”他透露目前CMOS传感器的产能非常紧,预测到今年底以前都会是紧缺,目前甚至不能给OEM客户明确的交货期。“虽然我们在今年夏天已预测到可拍照手机对CMOS传感器的需求会大量增加,并从那时起已开始提高产能,但现在仍赶不上来自OEM的需求增长。”
对于可拍照手机中是采用CCD传感器还是CMOS传感器业界有不同的观点。对此,台湾拓朴产业研究所IA研究中心主任柯维华评论道:“CCD和CMOS在相机手机中各有优劣:CCD在缩小光学元件尺寸、提高画质以及敏感度能力上较佳,而CMOS则在整合能力、耗电率以及价格方面具有优势。”未来手机中这两者将会共存。比如日本半导体厂商原本只有三洋一家支持CCD传感器,而索尼、东芝、夏普以及松下皆陶醉于CMOS,但2002年起,索尼、夏普以及松下均进入CCD的生产行列。目前除东芝继续投入CMOS外,更多的CMOS手机相机模块供应商为欧美厂商和韩国厂商,如安捷伦、美光、科胜迅、意法半导体、Omnivision以及海力士和三星电子等。
由于手机本身对于体积和外型设计上的要求,使手机用摄相模块在机构部分的设计难度、组装的良率,都比数码相机用的摄相模块要困难与复杂。举例来说数字相机用的摄相模块,高度为35mm,但是手机用的摄相模块高度大多被限制在7mm以下。这样的应用特性,会限制摄相模块发展光学变焦功能。所以未来的手机摄相模块,在研发含光学变焦功能时,原先埋设于手机的位置就可能会有所变动。例如有些日本手机业者,会将模块移往手机的侧面,目的就是为了获得更大的设计空间,才能克服光学的限制,进一步将光学变焦功能实现于可拍照手机上。
据MIC预估,2003年全球手机用摄像模块市场,内建式将达5,500万颗,外接式将达1,900万颗。摄相模块市场的诱人市场,已吸引了众多新兴的IC厂商进入摄相模块市场,比如很多台湾地区的IC厂商进该市场。但Jeff Henderson提示用户:“一些新兴的供应商进入图像模块市场,但他们多半仅具有后段图像处理能力,并没有前段的光学处理及制造技术,因而他们的制造良率较低。建议用户采用能提供全套方案的图像模块供应商,包括图像处理和光学镜头等。”
目前对于手机中的后端图像处理到底是由基带、应用处理器还是摄相模块来处理,业界存在颇多的争议。ADI的Doug Grant认为:“这取决于终端产品。对于智能手机来说,图形处理既可以由应用处理器承担,也可以由相机模块承担,无论由谁承担,都可以达到最佳的功率/成本平衡。对于没有应用处理器的多功能手机来说,最佳做法可能是目前由相机模块承担图像处理任务,等将来基带处理器功能变得更加强大以后,再由基带处理器中的软件承担相应任务,并可以消除因相机模块中的硬件处理图形而引起的成本与能耗。”
瑞萨科技的吉泽秀幸则有不同意见:“如果用基带LSI来执行这些程序,就会显著增加CPU的负担,进而影响通讯处理方面的性能。而且,对于这种单片电路架构来说,程序代码也显得过于庞大和复杂,因此将需要更长的开发与调试时间,最终导致开发成本上升。如果JPEG编码应该放在相机模块之中,是否意味着JPEG解码应该放在LCD之中？“
摩托罗拉的曹元?p赞同应由独立的芯片来处理图像,他表示:“图像功能非常适于由一个单独的解决方案完成。或者是一个多媒体芯片,或者是一个应用处理器,它将简化系统设计。而且,图像功能正在变得越来越高级,利用一个单独的芯片可以提高灵活性。”
飞利浦的Noel给了工程师如下意见:“对于翻盖式手机来说,形状适合于分区,可以将图形处理靠近显示器,把数据存储等其它功能则放在手机的另一半上面。对于直板式手机,集成方案更倾向于把一切都放在基带上,或者应用处理器上。”
另一个有争议的问题是目前外设和基带以及外设和应用处理器的接口各家均不一样,导致了设计人员在设计过程中的复杂性。前不久,TI、诺基亚、STM以及ARM等业界巨头宣布成立MIPI联盟,旨在解决外设接口的问题。周承云表示:“作为MIPI联盟的创始人之一,TI认为,为应用处理器的标准硬件和软件接口建立标准,并鼓励整个产业价值链采用这些标准,将会显著加快移动多媒体产品推向市场的速度。通过与业内的领导厂商讨论,对于如何实现MIPI的目标,大家已建立共识,并已确定了首要任务和所针对的领域。”
其它公司对MIPI的态度各不相同。安捷伦的Jeff Henderson 表示:“MIPI联盟主要的任务是在制定应用处理器与基带之间的接口,重点并不在与外设之间的接口。作为全球最重要的摄相模块供应商,安捷伦目前正与一些顶级的手机制造商、图像模块制造探讨是否能制定一个共同的手机外设接口标准。”
飞利浦的Noel则表示:“我们认为,MIPI联盟的方向是正确的。我们目前正在与MIPI讨论加入事宜。显然,如果出现其它标准,我们也必须支持。”NeoMagic的Singer的评论是:“我们是MIPI的成员。但是,这个市场发展得太快,由某个委员会制订的标准可能来不及完成和得到广泛采纳。”
而杰尔的Graham Carter则指出:“我们认为首先要保证通讯引擎的质量,同时保证应用处理器选择的灵活性,以满足特定的客户需求。通过我们的先进信息接口(AMI),就能根据特定的市场或领域的需求,选择合适的标准应用处理器,从而得出该类别中最佳的方案。”他接着说到:“MIPI当初成立的宗旨,就是要建立应用处理器的标准。随着移动终端与外设间的通信由点到点连接转到共享主线结构,不管在MIPI接口上,还是非MIPI的兼容接口上,杰尔的AMI都能够使通讯引擎、操作系统及应用程序之间实现无缝连接。”
至于TI的主要竞争对手英特尔公司资深副总裁Ran Smith表示:“如果MIPI是代表业界共同的意见,我们也会加入。”
手机中是否会集成Wi-Fi？
手机中是否需要集成WiFi一直是业界关注的焦点。近来,事态发展已越来越明朗,几个重要的半导体厂商已宣布会将802.11集成进手机中,并且业内在结合WiFi与VoIP的无线IP电话方面也取得了很大进展。
比如,在最近的秋季IDF上,英特尔向业内展示了一款“万能移动终端”,其集成了GPRS和802.11模块,且在会上英特尔的首席技术官基辛格向大家演示了该终端在GPRS网与WiFi网之间语音业务的无逢漫游。基辛格表示他们在无线VoIP方面的研发进展顺利。
而杰尔公司已早先一步宣布与日本NTT合作,在今年中推出一款4芯片的无线IP电话方案,其结合了WiFi和VoIP技术,使用户可以在企业网络、住宅网以及公共热点之间使用无线IP电话。杰尔移动无线方案组副总裁兼总经理Luc Seraphin表示:“我们已经与NTT-ME公司签订了合约,保证制造商生产的基于该方案的无线手机能与NTT的其它VoIP网络互通。”他预测:“我们看到采用802.11的无线VoIP电话在日本、韩国以及北美地区需求持续增长,这一需求在全球的其它地方也在增长。无线IP电话是Wlan网络上增加语音业务的一种理想选择。”
摩托罗拉与NEC的表现则更进一步,年中他们宣布将合作推出一款WiFi/GPRS双系统手机,主要针对企业级应用,可以在提供无线IP电话的WiFi网和GPRS/CDMA网之间漫游。摩托罗拉无缝漫游方案组副总裁Nicholas Labun表示,该手机将结合TI的802.11a/b/g技术和摩托罗拉自己的GPRS/CDMA技术,而NEC将提供企业网络设备方面的支持。
高通也在为手机中加入WiFi而紧锣密鼓的工作。高通公司执行副总裁在业内的一次会议中表示:“我们正在等待运营商的招唤。我们认为这一需求将终会到来,我们已作好了准备,将802.11嵌入到手机芯片中。”
Broadcom公司更是宣称已为嵌入手机应用推出一款极低功耗的802.11芯片。据称这个单芯片Wi-Fi解决方案AirForce One集成基带、前端以及功放,在尺寸、功耗和价格上都取得了突破,PCB板面积比原有解决方案体积缩小6／7,待机功耗仅6mW,而深睡眠模式电流仅为0.6mA,尤其适合于手机和PDA应用。
国家半导体也在研究用于手机和PDA等手持设备的极低功耗802.11芯片,据称待机和接收时的功耗仅为几毫瓦,而发射时的功耗也仅有几十毫瓦。
这些技术革新正在克服WiFi嵌入到手机中遇到的功耗、尺寸以及与WWAN的漫游问题,相信近年内将会有真正的嵌入WiFi的手机/PDA出现在市场上。
NOR与NAND闪存之争
随着多功能融合的手机对内存密度需求的增高,NAND闪存开始进入一贯由NOR控制的手机市场。市场对NAND闪存的需求大增,韩国三星电子预期今年NAND的销售收入将比2002年的11亿美元增加一倍。三星电子设备解决方案部副总裁Jon Kang表示,三星的手机制造部门将在近期推出一款具有视频功能的手机,需要1GB的NAND闪存。他指出,手机对于NAND内存的需求不断增加,而且NAND可望承担目前由NOR闪存承担的代码执行任务。他说道:“NOR是一种很好的内存解决方案,但如果你需要256Mb以上的内存,就应该采用NAND。”
据称,分别为全球最大和第二大NAND闪存供应商的韩国三星电子和日本东芝,其产量在满足需求方面明显感到力不从心,一些OEM客户希望以高于市场平均水平的价格签署长期闪存供应协议。“我们现在已对客户实行配给。”三星半导体美国市场策略销售主管Ivan Greenberg表示。
NAND的市场前景已吸引了更多的公司进入。Hynix半导体也宣布与意法半导体合作,打入快速成长的NAND闪存市场。Hynix的高管透露,双方合作推出的第一款NAND闪存将是512Mb的芯片,计划在今年年底生产样品。预计初步生产将在2004年第一季度开始。
但是英特尔公司发言人认为目前手机中并不需要NAND闪存。该公司技术与制造组副总裁黎广剑表示:“现在NOR闪存正在通过堆叠技术实现更高的密度,在密度方面已能满足智能手机的需求,目前堆叠的NOR闪存已能达到1GB的密度。”黎广剑同时也是IEEE协会的委员,他认为,就目前智能手机的发展趋势来看,明年智能手机中将以512MB的闪存为主流,所以OEM没有必要采用NAND的闪存,因为NAND闪存还必须配合DRAM才能实现NOR的功能,从总体成本上考虑,并没有优势。
瑞萨科技的吉泽秀幸给工程师的建议是:“简而言之,NOR闪存存储执行代码,而NAND闪存存储大量数据。为了减少IC的数量和节省PCB面积,我们建议设计工程师采用双芯片解决方案。”而NOR与NAND在手机中组合的方案也逐渐成为工程师的选择。
迎接电源管理的挑战
消费者要求手机中的功能越来越多,显示屏更亮,机身更薄。这些给电源管理芯片的设计带来许多挑战。安森美半导体亚太区模拟集成电路产品部主管何佳汉分析道:“新一代手机中的电流值范围在不同模式之间有很大的区别。比如高级功能和更强的CPU处理能力,导致电流负载提高；省电和睡眠模式又使电流负载降低。在全部的电流负载中,低电压数字负载所占比例更大,但对于某些I/O和内部元件,仍然需要较高电压。这样,导致线性和开关调节器需要进行更复杂的组合。”
如何面对这些挑战？何佳汉总结说:“这要求电路设计、芯片工艺和系统架构都得到提高。比如降低电源管理芯片的静态电流、集成无源器件、在电源管理子系统中进行更高级别的子电路集成、在不牺牲总体性能的条件下减小外围元件尺寸,如电感和电容、改进封装。”对于封装方式,他建议:针对不同应用有以下封装供选择:大功率器件采用QFN封装；对于中低功耗、引脚少的器件,采用凸起的裸片封装；对于中低功耗、引脚多的器件,采用BGA封装。
目前市面上的产品,延长电池寿命的方法主要有两种:一是对于大功耗电路,如射频功放,采用控制电路开/关的方式；二是降低芯片的工作频率,并且调整供电电压。国家半导体在电源芯片设计中引入了一种突破性技术,叫做适应性电压调整(AVS)。NSC亚太区便携式设备电源管理产品市场经理吴主祥表示:“AVS比这些方法更能降低功耗。通过一种动态反馈机制,AVS能将电压调整到特定工作负荷所需的最小值。这样AVS能将功耗节省25%到400%。”国家半导体在今年9月份英特尔的IDF活动上展示了相关产品的原型,产品的大批量生在年底进行。
对于彩色手机,白光LED可提供最好的解决方案,但如何保持均匀的背光是一个难题。何桂汉解释:“二极管的正向驱动电压是3-4V,同锂离子电池的输出电压一样,因此需要有升压转换器。此外,对驱动电流也必须加以控制,以保证亮度一致。对于一般彩色手机,需要有3、4只LED来保证背光均匀,而智能手机或许需要6只以上。二极管电流的匹配度应该优于10%,否则在显示屏上会出现某些比较暗的区域。DC-DC转换器必须能够处理不同的LED电压,因此要采用电流控制调节架构。”吴主祥则表示:“国半的白光LED驱动器通过恒流源驱动每只白光LED。任何两路输出之间的电流匹配度(亮度匹配)典型值为0.5%。”
目前主要有两种方式驱动白光LED:一种是电感驱动方式,这种方式的优点是效率高,一般可达到80%以上,缺点是电感器需要更多的板上空间；另一种是开关电容方式,优点是所占板上空间小(因为无需电感器),缺点是效率低,通常只有60-70%。
如前所述,多功能手机中的一个重要挑战是随着功能模块的不断增多,需要解决如何处理各个功能模块的不同电压问题。吴主祥解释:“新一代电源管理芯片PMU的输出是可编程的,这样就能够通过编程改变输出电压,满足不同模块所需的不同电压要求。”他指出,电源管理进行大规模集成是发展趋势,手机中的所有电源电路都将被集成到PMU单芯片中。
但何桂汉则提示用户:“由于PMU是将多个电源转换、模拟和监控功能集成在一起的单片解决方案,为某种特定的标准和产品而优化,因此在集成PMU单芯片时要考虑如下问题:把电池充电器集成进来可能需要支持15-25V输入的IC工艺；噪声隔离变得非常关键,因为LDO、声频和开关调节器等功能被集成在一起；功率耗散变得比较集中,集中在一个"热点"上。此外,还要注意外部无源器件可能增加,为PCB布线带来挑战。”但他表示PMU也有明显的优点,如针对特定的性能进行优化,批量生产时总体成本达到最小、同时所需PCB的空间最小。正因如此,他提示PMU由于是定制器件,供货周期和开发周期可能较长,在对新功能和动态市场的支持方面灵活性会受到限制。
手机会沿袭PC或TV产业的路吗？
现在业内有一种声音,认为虽然目前多种功能融合的手机吸引了不同领域的半导体厂商加入,为手机行业提供各种芯片的厂商超过百家,但最终会走向整合,不仅是芯片会高度整合,而厂商之间也会高度整合。这些观点认为,现在的手机产业像极了二十年前的PC市场,当时一台PC需要近100块芯片,吸引了100多家半导体厂商投入。然而在不到十年的时间,芯片高度集成,IC厂商也优胜劣汰,这样就演变成如今几个主要厂商控制的市场。Semico公司预测,像PC产业发展的足迹一样,智能手机的芯片数会在五年内由现在的10几块减小到2至3块,并会集成到主板上,相应的半导体供应商也会通过收购和淘汰而聚集成几家主要厂商,并会诞生像PC产业一样的主板厂商。
对于这种观点也有不同意见,比如TI的周承云表示:“我们同意智能手机最终会集成于两块芯片,一块前端,一块后端。但有人说智能手机将重走PC产业的道路,这种说法容易产生误导。智能手机用户的根本期望与PC用户有很大的不同。智能手机用户期望它们的手机比PC的反应时间更快。比如用户期望手机立即启动,而PC用户则愿意等上几分钟。此外,无线制造商还必须满足额外的制造限制,包括功耗、产品外形以及消费者对产品的响应。无线市场将高度分化成各种不同的领域,各个细分市场会共存。”
飞利浦虽然也认同智能手机方案将会高度整合,但认为更会像TV产业的发展。Noel表示:“像在电视中一样,高度整合的系统仅需集成的3-4个器件。从半导体产业的角度考虑,手机产业整合后,也会面临同样的局面。在未来几年内,我们能够通过把BICMOS工艺与先进的封装相结合,做到把IC、电感、电容和过滤器集成在一个封装之内,满足高度集成需求。我们的功率放大器模块已采用这种方式,并在最近开始用于WLAN模块。”
吉泽秀幸表示瑞萨科技也在致力于高度集成的方案:“RF模块应该集成到基带之中。所用的集成工艺将是SiP,它可以防止RF电流扩散和增加,减少PCB上的电磁干扰(EMI)问题。我们认为,智能手机解决方案将会集成为3或4个芯片,供应商之间将会出现整合。”
看来,智能手机方案将整合为高度集成的2-3块方案已得到业界普遍的认同。但最终的市场如何,供应链会如何演变,我们还要拭目以待。
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