行動多媒體上身　3G手機零組件大躍進

隨著多媒體應用在3G手機中日趨普及，甚至成為手機在消費市場上的主要賣點，3G手機中所採用的處理器與記憶體需求也隨之出現變化。各家供應商面對此一新局，也各自推出功能與規格更加強化的新一代產品，以求在激烈的市場競爭中勝出。  

深耕日本有成　瑞薩積極走出海外  

在微控制器、嵌入式處理器、以及手機多媒體處理器等數位元件領域一直有穩定表現的瑞薩(Renesas)科技，除了宣布將逐步退出快閃記憶體市場之外，在行動通訊產品領域更立下走出日本，擁抱全球市場的宏願。  

圖1　瑞薩科技株式會社執行長伊藤達表示，瑞薩未來幾年將把在日本手機市場上已發展成熟的更種先進技術推向海外客戶，並以此帶動瑞薩手機解決方案的業績持續成長。

日本的行動通訊市場生態可能是全球行動通訊市場中生態最奇特，同時也最封閉的單一市場。從應用面來看，許多在其他先進地區都還不成熟的功能，例如手機電視、老人健康照護、以手機作為小額支付工具等，對日本的手機使用者來說早已司空見慣；從半導體端來看，橫掃全球手機中央處理器(CPU)市場的安謀國際(ARM)在日本也因遇到擁有獨特SH核心的瑞薩，而在市場上踢到鐵板。瑞薩科技株式會社執行長伊藤達(Ito Satoru)(圖1)指出，ARM架構做為3G基頻晶片中的CPU確實有其獨到的優勢，瑞薩本身在開發基頻晶片時也採用此一架構。但由於安謀國際的商業模式是以IP授權為主，因此在規畫其CPU架構時，最主要的考量在於如何使其授權客戶更容易將CPU核心整合到自己的系統單晶片(SoC)設計中。瑞薩之所以堅持開發SH核心的最主要原因也在此。因為瑞薩必須提供給日本的手機設計製造商最佳化的方案，才能滿足應用需求變化多端的日系手機客戶。事實上，為了因應日系手機客戶的需求，瑞薩所提供的多媒體處理器家族就有眾多不同的分支系列，例如主打全功能的SH Mobile 3A系列、具備高階影像處理能力的L系列，以及雖然主打低成本手機，卻可完整支援日本行動電視廣播ISDB-T one seg要求的UL系列。伊藤達認為，雖然目前市場上確實出現越來越多具備文書處理能力的手機產品，但從日本的經驗來看，多媒體功能的喜好族群還是比較廣泛些。除此之外，隨著個人導航、行動電視等應用功能陸續普及和規格演進，手機系統對應用處理器的多媒體效能需求還會進一步往上提升。  

根據多家市場研究機構的資料顯示，在2007年全球獨立型手機多媒體處理器市場上，集中火力在日本本國市場，海外市場營收貢獻度有限的瑞薩就已占據第二名寶座，僅次產品銷售範圍遍布全球的德州儀器(Texas Instruments, TI)。但不可諱言的是，只靠單一市場要支撐起手機應用處理器業務的持續成長幾乎是不可能的任務，特別是像瑞薩這種已經在本國市場上擁有壓倒性市占率的供應商。伊藤達表示，在站穩本國市場之後，未來幾年，瑞薩手機多媒體處理器晶片業務的成長關鍵將落在海外市場，特別是歐洲與中國大陸市場。而瑞薩也將努力走出日商的傳統框架，加緊進攻海外市場。  

低價策略來勢洶洶  

為了進攻海外市場，瑞薩選擇以基頻產品線做為開路先鋒的策略。台灣瑞薩第二營業技術行銷部第二課副主任劉惟昱表示，從3G手機設計的角度來看，採用基頻與應用處理器彼此獨立的架構是比較好的作法，因為手機設計製造商可以將更多心力投注在手機應用的開發上，不必再花費研發資源去處理通訊協定這類最基本的標準無線通訊功能。事實上，目前大多數的高階3G手機與3G智慧型手機系統都採用基頻與應用處理器分開的架構。因此瑞薩在拓展海外市場的初期階段，將先求以基頻處理器打入海外客戶的供應鏈中，再伺機發展應用處理器業務。  

正因為基頻晶片將扮演開路先鋒的策略性角色，因此瑞薩的定價策略相當犀利。劉惟昱透露，目前全球3G手機的基頻晶片市場除了日本之外，幾乎完全由美系廠商所壟斷，除了晶片價格不易降低之外，繁瑣的智財授權流程跟權利金也為3G手機帶來可觀的隱形生產成本。為了搶奪市占率，瑞薩除了會將基頻晶片的銷售價格定在10美元以下之外，晶片報價中也將內含智財授權費用，替客戶解決隱形成本的問題。  

應用需求日趨多樣　處理器設計挑戰大  

圖2　TI無線終端事業單位技術長Bill Krenik認為對手機應用處理器而言，多媒體影音與其他應用軟體的執行未來將變得一樣重要，特別是MID的出現，將使手機應用處理器的發展必須更加均衡。

與瑞薩相較，TI對3G手機功能的發展有著不同的想法。TI無線終端事業單位技術長Bill Krenik(圖2)認為，3G與高速封包存取(High Speed Packet Access, HSPA)行動網路除了讓多媒體應用在手機平台上更為普及之外，各家電信業者透過此一技術提供給消費者的無線網路接取服務更將大幅改變手機產業的生態，同時在整體手機使用者中創造出行動商務這個全新的族群。因此，站在手機應用處理器供應商的角度，處理器一方面必須持續提供更先進的多媒體效能，同時也要注意到資料庫、試算表、簡報、電子郵件等商務應用程式的執行速度。而這也是OMAP 3平台在設計時除了支援千萬畫素相機、720p視訊播放等多媒體功能之外，更強化其應用程式運算處理能力的原因。  

在多媒體部分，隨著行動通訊網路朝向3.5G(即HSPA)與4G邁進，並提供更高的通訊頻寬，多媒體視訊走向高畫質已經是不可避免的趨勢。目前手機市場上已經出現許多整合八百萬畫素照相功能的手機，支援高畫質視訊錄影功能的手機也將在未來幾年陸續成為市場主流，再加上手機螢幕尺寸顯著提升，使得消費者在手機上觀賞視訊短片能有更好的體驗，這些趨勢都將進一步推升系統端對應用處理器的效能需求。而行動聯網裝置(Mobile Internet Device, MID)與3G手機之間的模糊界線，更會使得系統客戶開始要求手機應用處理器也要具備接近個人電腦/筆記型電腦處理器等級的程式執行與運算能力。  

事實上，手機已經成為創新應用的匯流平台，手機多媒體處理器的設計架構應該要保留更多效能餘裕，才能允許系統設計添加更多新應用。例如以手機作為保全視訊接收平台，雖然現在還只是小眾應用，但在松下(Panasonic)、通用電氣(General Electric, GE)、漢寧威(Honeywell)等保全系統大廠都已經將手機視為驅動消費性保全市場起飛的關鍵裝置，並投入大筆研發與行銷預算力推之下，相信未來可望有突破性的成長。手機平台要執行這類應用，不僅處理器本身需要強大的多媒體效能，例如支援子母畫面(Picture in Picture, PIP)功能，應用程式執行效能也必須滿足一定門檻，例如瀏覽器的網頁開啟速度、FLASH動畫的運算能力等。(有些保全服務業者會將保全攝影機所拍攝到的畫面轉成FLASH動畫格式後，再串流至保全用戶的手機中。)  

新興應用帶動記憶體容量與頻寬成長  

圖3　科統科技產品經理胡俊書指出，在3G手機成為市場主流之後，手機內建的各種記憶體在容量方面都呈現倍數成長，同時在I/O配置上也日趨高階化。

3G手機強打多媒體應用，除了創造更高的應用處理器效能需求之外，同時也使系統內建的記憶體容量成長數倍。同時具備記憶體多晶片封裝(Multi-chip Packaging, MCP)技術與手機記憶體設計能力的科統科技產品經理胡俊書(圖3)便指出，在過去一年間，手機內建記憶體的主流容量規格已經從512Mb快閃記憶體加上512Mb動態隨機存取記憶體(DRAM)大幅躍升到今年的2Gb Flash加上1Gb DRAM，甚至已開始出現將DRAM容量也提升到2Gb的需求。  

科統科技指出，手機記憶體容量需求之所以出現如此大幅度的成長，與手機系統功能的提升密切相關，例如3G手機普遍擁有較大的彩色螢幕、支援MP4播放功能等等，都需要更多DRAM來扮演資料暫存器的角色；而在高階智慧型手機部分，除了上述多媒體功能之外，系統還必須要能執行文書處理、試算表、收發電子郵件等辦公室軟體，因此系統內建的記憶體容量需求也隨之成長。  

除了容量成長之外，手機記憶體的資料吞吐量也隨著更多高階應用出現而呈現出顯著的成長。但與一般記憶體不同的是，為了省電考量，目前手機應用所使用的記憶體運行速度仍然較慢，例如偽靜態隨機存取記憶體(Psuedo SRAM, PSRAM)與MobileRAM的運作速度，目前最高仍只有104MHz與166MHz。但為了應付多媒體應用所需的資料吞吐量，記憶體元件的I/O配置已經進化到32通道；過去主流的16通道配置目前已呈現出退守低成本手機與中階多媒體手機領域。胡俊書指出，目前主要的多媒體處理器供應商為了因應手機多媒體化，甚至遊戲機化的趨勢，在記憶體I/O配置上多半都已採用32通道，例如TI與高通(Qualcomm)的處理器都已進入32通道的時代；主攻中低階手機處理器市場的聯發科，雖然其產品目前最高只支援16通道，但隨著手機多媒體功能持續強化，手機記憶體的I/O配置主流朝向32通道邁進已是大勢所趨。  

圖4　隨著手機記憶體需求量大增，許多系統設計已不得不採用兩顆、甚至三顆記憶體元件。MCP技術雖然可以帶來節省空間的優勢，但成本居高不下也是一大隱憂。

除了生產各種低功耗DRAM之外，還擁有CellularRAM技術的奇夢達(Qimonda)，同樣認為低功耗才是手機用記憶體的主流。奇夢達行動與消費電子產品事業部總監章志賢表示，跟公司內其他運行時脈動輒超過200MHz、頻寬每秒可達數Gb的產品線相比，行動裝置所採用的DRAM與CellularRAM產品不僅資料吞吐量是最低的，且短期內也沒有將時脈向上拉高的規畫，因為此一市場對於資料頻寬的需求可以靠著通道數提升來滿足，例如從16通道轉向32通道，其記憶體頻寬就可提升一倍。如果靠提升記憶體時脈的方式來達成同樣的頻寬成長，記憶體顆粒的耗電量將對電池壽命帶來考驗。  

但在記憶體容量成長部分，3G手機的流行確實帶來顯著的提升效果，例如1Gb DRAM顆粒目前在手機市場上的需求已經漸入佳境，大有成為取代原有512Mb產品成為主流的架勢(圖4)。  

資料儲存應用為多晶片堆疊打線帶來新挑戰  

多媒體趨勢的發展同時也帶動資料儲存記憶體被內建到手機系統設計中的趨勢。除了蘋果(Apple)之外，諾基亞(Nokia)、三星(Samsung)、索尼愛立信(Sony Ericsson)等主要手機品牌大廠也都已推出內建超過1GB Flash的音樂手機產品線。這類產品的出現為多晶片堆疊封裝帶來可觀的商機，也同時對多晶片堆疊封裝技術帶來嚴格考驗。  

為了在同一封裝中盡可能堆疊更多晶粒，Flash記憶體晶圓必須研磨得更薄。胡俊書表示，目前Flash記憶體晶片的厚度最薄可研磨到約等於一般A4影印紙的程度，但這種厚度已很接近MCP封裝廠商所能夠處理的極限，因為過薄的晶粒在地心引力的作用下會出現邊緣下垂的情況，造成打線製程的良率大幅下降。除了晶粒本身的厚度之外，為了在晶粒與晶粒之間保留足夠的線路空間，廠商必須在晶粒間放上墊片(Spacer Die)，換言之，如果要在一個MCP封裝中堆疊三枚Flash記憶體晶粒，整個封裝內部其實是五層堆疊。在晶片封裝有一定的高度限制之下，除非能解決打線問題，否則MCP技術的發展空間將受到限制。  

事實上，為了解決打線問題，快閃記憶體大廠三星電子早已開始研究許多新做法，例如穿孔式封裝技術、單邊打線等。但這些新技術的成本仍相當驚人，特別是單邊打線技術，因為牽涉到晶粒供應商如何設計其快閃記憶體布局，若無產業鏈上下游攜手合作，此一技術很難成為市場主流。  

多媒體應用驅動數位電路規格演進  

由於多媒體應用的普及，應用處理器與記憶體手機系統跨入3G時代之後，不管在時脈、效能、還是容量方面，都較先前呈現大幅提升的態勢。但相對於類比半導體，3G手機系統中所使用的數位半導體仍依循摩爾定律的腳步逐步演進，因此整體而言並未對系統的硬體設計帶來太多新挑戰。  

所謂戲法人人會變，各有巧妙不同。在各家廠商所採用的數位解決方案大同小異之際，類比設計功力及軟體開發能力遂成為3G手機廠商彼此較勁的重點。