瞄準手機與GPS裝置應用　3D硬體方案搶進市場

微軟推出Windows Vista作業系統象徵著3D繪圖世界正式宣告來臨，消費者若想享受Windows Vista所帶來的全新3D運算體驗，則不得不選擇具備高品質、高效能的3D繪圖卡。然而，3D繪圖世界並不是只出現在個人電腦或筆記型電腦市場，近幾年，3D繪圖技術已經悄悄進駐手機及全球衛星定位系統(GPS)裝置。  

由於半導體技術與應用服務持續推陳出新，手機用戶轉而尋求更新穎、更具創意的服務功能，尤其在行動網路傳輸技術不斷精進以及遊戲、行動電視和音樂等應用功能逐漸普遍的情形下，具備3D影音功能的手機可望成為明日之星。而GPS裝置市場的發展更是如火如荼，為了滿足導航地圖資訊的辨識度與使用便利性，3D擬真全景導航畫面的需求便應運而生。  

目前擁有3D繪圖解決方案的廠商種類相當多，包括矽智財(IP)廠商、手機晶片廠商、GPS晶片廠商及多媒體處理器(Multi-media Processor)廠商等。值得注意的是，目前只有NVIDIA具有以自有技術提供手持嵌入式3D繪圖解決方案的能力，其餘如購併ATI的超微 (AMD)、安謀國際(ARM)、德州儀器(TI)、索尼愛立信(Sony Ericsson)、飛思卡爾(Freescale)、英特爾(Intel)和恩智浦(NXP)等廠商，則多是透過授權而取得Imagination的 PowerVR繪圖技術(表1)。  

廠商瞄準3D手機應用  

在什麼情況下消費者會想要在手機上使用3D功能？最直接聯想到的答案便是玩3D遊戲，3D遊戲手機市場正逐漸成為許多廠商瞄準的下一波商機，無論是核心IP廠商、晶片廠商或是遊戲軟體開發商等，紛紛將目標鎖定於3D手機或其他可攜式裝置。  

支援OpenGL ES標準  

廠商在開發3D繪圖方案時，通常會支援嵌入式繪圖標準OpenGL ES，其可作為硬體與軟體的研發與推展標準平台。OpenGL ES是完全開放、廠商中立、免權利金且多平台的繪圖標準，其不僅低功耗、少占用資源，並且能夠讓軟體輕鬆升級到新的硬體。  

OpenGL ES是從1.1版本開始加入支援Java 3D加速標準M3G(JSR-184)、為新興的硬體提供強化的功能，並增加了額外的電源管理功能。在OpenGL ES 1.1之後，下一代標準分歧發展，其中一種標準是OpenGL ES 1.1的延伸套件以及OpenGL ES 1.×系列；另外一種是OpenGL ES 2.0以及OpenGL ES 2.×系列，此為暫訂版本。而目前大部分的3D繪圖方案都支援OpenGL ES 1.1或OpenGL ES 1.×系列。  

3D繪圖軟體廣獲採用  

手機3D繪圖處理架構可簡單分成3種，分別是由中央處理器(CPU)來執行3D繪圖軟體、由專屬的3D繪圖晶片來處理以及將3D繪圖加速器嵌入多媒體處理器中。安謀國際開發出適合手機應用的3D繪圖軟、硬體IP方案，該公司提供的3D繪圖軟體Swerve系列便可對應由中央處理器執行3D繪圖軟體的架構。安謀國際台灣分公司總經理呂鴻祥(圖1)表示，Swerve系列是相當容易與硬體平台整合的軟體IP，將其整合至一個新的硬體平台上，並通過相容性測試的過程，無論硬體平台是採用哪一種處理器或作業系統，平均只需要兩天的時間。  

Swerve SR在ARM9架構下，可執行最高達100MHz的工作頻率，且硬體毋須改變，Swerve ES則支援嵌入式OpenGL系統(OpenGL Embedded System, OpenGL ES)1.0與1.1標準，截至2006年第三季，市面上已有43款手機導入Swerve軟體，這些手機品牌涵蓋摩托羅拉、西門子、三星與樂金等，呂鴻祥表示，目前Swerve軟體已應用至語音型手機及功能型手機，至於未來智慧型手機要採用3D繪圖軟體或硬體解決方案皆可。  

獨立3D繪圖晶片須強化協同效能  

另一種3D繪圖處理架構是由專屬的3D繪圖晶片來處理，意法半導體Nomadik亞洲區市場及科技總監黃延鎬表示，在手機3D功能上，必須達成QVGA或 half-VGA以上的高解析度、高於16bpp(bits-per-pixel)的色彩表現及畫面更新率至少每秒30個訊框，同時達到低功耗的要求。可見，3D繪圖運算的負擔相當重，單靠一顆ARM中央處理器是無法負荷3D繪圖功能的處理工作，因此便得採用一顆輔助的繪圖處理單元(GPU)或專屬的3D 繪圖晶片。  

但採用專屬的3D繪圖晶片則會面臨幾項挑戰，黃延鎬表示，由於專屬的3D繪圖晶片必須與主處理器一同工作，如何達到最佳化的協同效能，成為一大考驗，此外，可靠度測試將會延長設計時程，而採用外部晶片自然會增加額外的晶片成本，並且占用系統電路板空間。  

將3D硬體加速器嵌入多媒體處理器  

在手機系統內，通常將多媒體處理器與基頻分開，而多媒體處理器便負責影音處理，聯發科技正打算將兩者整合在一起，根據業者指出，此種作法將會減弱效能且增加晶片尺寸，但若聯發科技能成功克服此困難，無疑是向市場前進一大步，但針對高階手機應用，將多媒體處理器與基頻分開的雙晶片解決方案才能提供較高效能。  

而在多媒體處理器中嵌入3D繪圖加速器則是另一種處理架構，此架構則可避免占用電路板空間及增加晶片成本等缺點，意法半導體針對行動電視應用所推出的Nomadik系列行動多媒體應用處理器STn8815(圖2)便符合此種架構。  

STn8815支援高品質攝影應用，加速的標準清晰度為每秒30個訊框SDTV，MPEG-4編碼運算能與複雜的音訊處理同時進行，黃延鎬表示，其內建智慧視訊加速器(SVA)，可支援2D/3D功能及OpenGL ES 1.1標準，H264/AVC解碼可透過SVA加速，並以每秒30個訊框的速率支援高達VGA的格式，大幅改善電視手機的性能；而其智慧音訊加速器支援多種音訊標準，如MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi合成以及所有的主要的語音編解碼器，並具備一個24位元音訊資料通道以及雜訊抑制、回聲消除、立體聲強化與環繞音效等功能；中央處理器則是採用ARM9，可應用至電視手機、娛樂導航裝置及口袋型行動電視(Pocket TV)等產品。  

而超微亦擁有多媒體處理器Imageon系列，並針對高階可攜式產品推出Imageon 2300，內建3D引擎、MPEG-4解碼功能、JPEG編碼和解碼功能，並支援200萬畫素數位相機鏡頭、解析度QVGA及OpenGL ES 1.0標準。在記憶體方面，則支援2MB低功耗SDRAM。該公司消費性電子手持式產品部門市場經理Victor Fung(圖3)表示，高度最佳化的Imageon架構是藉由降低中央處理器的利用率來延長電池的壽命，因此毋須使用高功率的中央處理器或更大的電池，進而實現低成本、低耗電量的系統設計。截至目前為止，Imageon系列晶片解決方案已出貨超過3億顆。  

3D硬體加速器IP進軍智慧型手機  

安謀國際在收購挪威Falanx後，大大強化其手持式3D繪圖技術，開發出Mali系列3D硬體加速器IP，呂鴻祥表示，該公司的設計目標是在不降低圖像品質或性能的情況下，將性能、功耗及尺寸(Performance/Power/Area, PPA)最佳化，針對嵌入式應用市場開發繪圖處理單元核心。  

Mali系列包含Mali55、Mali200/ MaliGP2等方案，採用90奈米製程技術時，Mali55的尺寸可達1.4平方毫米，呂鴻祥強調此為業界最小的尺寸，且相當省電。此外，由於可支援 WVGA解析度，所以應用範圍相當廣，但目前仍以手機、PDA及可攜式媒體播放器(PMP)等可攜式產品為主要應用市場，目前Mali已經授權給客戶，並進入手機系統設計階段，預計2009年可看到其3D手機上市，呂鴻祥表示，隨著更多功能加入手機，未來智慧型手機市場看漲，Mali的普及性可望增加。  

安謀國際也正著手開發第三代新產品Baldur+MaliGP2，預計在2007年推出，至於第四代產品Mali Thor，可望於2008年推出。超微也提供3D核心IP授權，Fung表示，高通便透過其授權取得3D技術，開發3D手機晶片組MSM7600。  

共同記憶體架構提供更多彈性  

3D繪圖資料相當占用記憶體空間，因此在晶片解決方案內須提供足夠的記憶體容量。通常有兩種作法，一種是為繪圖處理單元配置一顆專屬的外部記憶體，另一種則是與其他功能共用記憶體資源，也就是採用共同記憶體架構(Unified Memory Architecture, UMA)。黃延鎬表示，透過前者的作法可獲得最佳的記憶體資源，但不使用3D繪圖功能時，此記憶體則會閒置，造成資源浪費，此外，還須配置接腳來連結此記憶體，因此也產生成本與電路板空間的負擔；另一種採用共同記憶體架構的作法則對成本和尺寸的衝擊較小，在記憶體的使用上也具更多彈性。規畫3D繪圖功能的記憶體資源時，還須考慮系統所採用的16位元、32位元DDR SDRAM記憶體配置架構，以及記憶體頻寬分配給繪圖使用的上限。  

GPS裝置對3D硬體需求殷切  

在3D GPS裝置方面，目前的GPS裝置大多採用3D加速軟體，而極少使用到3D硬體加速晶片，透過軟體加速除了會造成處理器負荷過重、縮短電池使用時間外，在 3D視點上也無法達到真正擬真的目的，無法讓人有身歷其境的感受。目前針對GPS裝置推出3D硬體加速方案的廠商也僅有掌微(Centrality)一家，該公司的GPS晶片解決方案結合娛樂功能，主要鎖定導航資訊娛樂系統(Navigation Infotainment System, NIS)應用，包含GPS手機、個人導航裝置(PND)、可攜式媒體播放器及車用資訊娛樂系統等市場。  

掌微已推出Atlas I、Atlas II與Titan I晶片解決方案，Atlas I與Atlas II皆採用ARM9中央處理器，為ARM9+GPS基頻+數位訊號處理器的系統單晶片，下一代Atlas III仍將採用ARM9中央處理器，最高工作頻率為400MHz，其數位訊號處理器最高工作頻率則為250MHz，包含一顆2D引擎，掌微亞太業務行銷總監江煥勳(圖4)表示，Atlas II與Atlas III可應用至入門級個人導航裝置，與競爭者產品相較，其效能相當，但材料清單成本最低。Atlas II已經受到手機廠商青睞，該GPS手機即將上市。而代理商安富利則將UChip的3D加速器與掌微的Atlas II整合成配套方案，滿足GPS裝置的3D功能需求。  

另外，掌微將在第三季量產的Titan I則是與飛思卡爾的方案一樣採用ARM11，工作頻率為600MHz，數位訊號處理器工作頻率則可達300MHz，內建一顆2D加速引擎及一顆3D硬體加速器，支援每秒2,600萬浮點運算(VFPU)，而下一代Titan II將內含一顆全功能3D加速引擎，運算能力將大大提升，且採用更新製程以降低功耗，可能針對手機應用。江煥勳表示，掌微所有的GPS晶片解決方案必內含數位訊號處理器，此舉能提供客戶隨時更改程式，提供最先進功能的產品。  

目前掌微正在計畫開發應用至遊戲機的GPS軟體，超微也針對3D GPS裝置及3D使用者介面，正進行開發可縮放向量式圖形語言(Scalable Vector Graphics, SVG)。但呂鴻祥表示，目前GPS裝置對於3D功能的需求尚難評估，但相信GPS結合3D技術為大勢所趨。  

3D加速軟體持續看漲  

無論是手機或是GPS裝置應用，採用3D加速硬體皆比採用軟體的效能來得高，但成本需求也較高，因此適合較高階的產品採用。雖然採用3D繪圖晶片勢在必行，但3D加速軟體市場仍具高度成長性，呂鴻祥表示，全球手機基地台涵蓋範圍已達80%，但只有30%的手機普及率，新興地區將驅動中低階手機市場持續成長，該市場正是3D加速軟體方案的應用目標。  

可配置處理器IP廠商ARC雖未針對3D功能推出核心方案，但該公司已可提供可配置處理器核心與影像編碼技術，並由客戶以增加3D加速硬體模組或是3D加速軟體的方式，自行開發具備3D功能的產品。ARC大中華區業務總監邵芳雯(圖5)表示，中央處理器搭配3D硬體加速模組是固定式的電路，更改不易，採用軟體則較具修改彈性。  

3D音效要求支援多種編碼格式  

除了前述的ARC外，目前多家核心IP廠商都尚未針對3D繪圖功能推出解決方案，而可配置處理器IP廠商Tensilica與數位訊號處理器IP廠商 CEVA亦在評估中，CEVA亞太區副總裁Gweltaz Toquet(圖6)表示，已有不少客戶要求該公司提供具備3D功能的數位訊號處理器核心，以開發手機相關產品，而利用數位訊號處理器核心，確實能夠隨時更改3D繪圖晶片的電路設計，因此CEVA正在審慎評估是否開發相關方案。  

但在3D音效方面，Tensilica針對3D立體聲音效提供一款數位訊號處理器核心IP，並由多家協力廠商提供3D音效軟體。該公司資深技術支援經理曾友仁(圖7)表示，手機為其主要的應用市場，占一半以上的比重，超微、NVIDIA及三星的一家韓國原始設備製造商皆將該方案應用於手機，其他還包括 MP3播放器及PMP等可攜式裝置應用。  

這款3D音效專用的數位訊號處理器核心IP以Xtensa HiFi 2音效引擎為基礎，並搭配軟體編碼器以支援多種音效。Xtensa HiFi 2音效引擎原生型24位元資料精準度，能在音質與編解碼之間取得優異的平衡點，優於16位元的音效處理器，並提供32位元與16位元資料格式的方案。此外，該引擎採用超過300個音效專屬數位訊號處理器指令，並具備一個雙MAC架構，兩個MAC單元都支援24×24與32×16位元的演算模式。同時，由於其採用FLIX技術，因此可提供一套高效率的架構以降低各種音效應用的運算週期與耗電量。曾友仁表示，若為了提供更高處理能力而增加MAC，勢必也加大晶片尺寸，其需求性有待商榷。  

而軟體編碼器可支援杜比數位AC-3、QSound Labs的microQ、MP3、MPEG-2/4 AAC LC、aacPlus、WMA(Windows Media Audio)以及AMR(Adaptive Multi-Rate)等多種音效標準，成本較高，由協力廠商開發應用程式。掌微也曾與協力廠商合作，透過軟體模擬3D音效，江煥勳表示，若要用硬體呈現，則須特別注意硬體擺置。  

此外，曾友仁表示，語音技術發展已達上限，以人耳的辨識度來說，24位元的樣本解析度已相當足夠，毋須精進至32位元，而影像解析度技術發展變化相當迅速，規格種類繁多，因此可延伸出多種解決方案，Tensilica也考慮著手開發可支援3D功能的影像平台，並由客戶自行與提供3D影像軟體的廠商合作。  

功耗問題成為絆腳石  

在手機與GPS裝置內建3D功能已是勢在必行，但目前在技術端尚有諸多瓶頸有待克服，黃延鎬表示，如何達成最佳化的軟、硬體系統架構具高度挑戰性，若將 3D功能直接整合到多媒體處理器當中，並以ARM為主處理器搭配多顆多媒體加速器的分散式處理架構為主，將能夠有效降低系統開發的難度，並達到節省空間的目的。相較於一般採用單一中央處理器或一個結合中央處理器和數位訊號處理器的整合型處理器的解決方案，STn8815獨特的架構將是將中央處理器獨立於各種加速器之外，讓中央處理器集中處理控制任務和程式流，毋需高時脈速度。其中央處理器可進入省電模式以節省電池使用壽命，且主動電源管理功能可切斷晶片的非活動部分電源，使中央處理器保持在低電流模式。  

超微亦認為功耗為最重要的技術議題，Fung表示，若採用ARM整合3D加速軟體的架構，其耗電量較高，因此超微不採用ARM，而是採用3D硬體加速方式，確保高效能與低耗電。  

在3D音效的省電性能方面，曾友仁表示，功耗來源通常是處理速度及面積大小，Tensilica所開發的省電技術是透過可配置功能尋找軟硬體的平衡點，以控制硬體的尺寸。Xtensa HiFi 2採用台積電0.13奈米LV低電壓製程技術，加上200MHz時脈速度，靜態功率為0.4毫瓦，動態功率為17.8毫瓦，總功率為18.2毫瓦或 0.091mW/MHz。  

落實真正3D導航裝置  

在2005年，新力便已經展示3D功能的導航產品，3D GPS裝置市場正逐步成長，但目前在市面上所見到的3D繪圖個人導航裝置並非真正實現3D導航功能，且不普及。  

江煥勳表示，除了產品螢幕太小外，3D地理資訊系統(GIS)的缺乏也是主要原因之一，目前能提供的3D城市擬真功能，嚴格說來只能算是2.5D，須進一步結合3D路標(Landmark)擬真功能，才能真正落實3D導航功能。  

而為了儲存3D繪圖的龐大資料，記憶體容量扮演要角，江煥勳表示，3D導航裝置必須具備至少10GB的硬碟容量，可透過內建介面或是外接硬碟的方式達成，在產品螢幕尺寸方面，目前的晶片方案多支援1.1～5吋，Titan I則可支援到7吋，隨著螢幕尺寸加大，晶片方案的成本與功耗將對廠商帶來極高的挑戰。另外，在晶片尺寸、天線、靈敏度、3D資料更新速度及定位時間等方面都有待加強，預計2009～2010年將能夠實現真正的3D導航裝置。  

3D遊戲市場即將起飛 擴大應用版圖  

3D遊戲市場尚未真正起飛，主要原因在於3D遊戲環境與生態系統尚未建立，因此上下游廠商勢必緊密合作。Fung指出以下幾個原因，第一，內容缺乏，因此該公司正積極與遊戲開發商合作共同研發適合手機應用的3D遊戲，例如與Sudeki合作，在Imageon2388平台上開發一款Xbox 3D遊戲的手機版。  

第二，由於3D遊戲需求未現，電信業者多未提供此服務；第三，目前嵌入式繪圖標準OpenGL ES 1.1無法滿足需求，而下一代2.0版本將有所精進，透過增加可程式化Shader引擎，讓遊戲研發業者能充分控制繪圖管線，這是3D繪圖技術的重要創新關鍵。呂鴻祥表示，安謀國際也與Ideaworks3D合推新的手機遊戲開發工具及中介軟體，希望呈現品質媲美遊戲機的手機3D遊戲。  

在技術瓶頸方面，Fung表示，為了滿足3D繪圖處理效能及環境之需求，手機中央處理器與記憶體的效能須再提升，顯示螢幕的尺寸也須加大，才能刺激3D遊戲需求的成長。  

目前在日本已出現3D遊戲手機之需求，Imageon2380便是針對日本市場所推出，Fung表示，超微並與日本原始設備製造商合作，採用該產品的手機也已上市，此外，預期在北美與其他亞洲地區，3D遊戲市場也即將起飛，隨著個人電腦與遊戲機應用的3D遊戲逐漸轉向手機應用，2008～2009年，3D 遊戲市場將出現明顯成長，未來超微也將瞄準PMP、GPS裝置、遊戲機及超級行動電腦(Ultra Mobile Personal Computer, UMPC)等應用。  

安謀國際也希望未來能將觸角延伸至遊戲機、機上盒、汽車及航空等領域，呂鴻祥表示，可攜式產品市場成長迅速，將促進3D硬體加速器解決方案大量出貨，一旦量產將可進一步降低價格，應用範疇也隨之擴大。  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌73期3月號)