SATA 3.0與USB 3.0商機熱燒　介面周邊晶片需求激增

高速傳輸介面周邊晶片商機湧現。隨著使用者對資料傳輸速率要求日益嚴苛，新一代SATA 3.0與第三代通用序列匯流排(USB 3.0)傳輸介面正加速導入傳統硬碟(HDD)、固態硬碟(SSD)與擴充基座(Docking Station)產品中，激勵USB 3.0 to SATA橋接控制(Bridge Controller)晶片與靜電放電(ESD)保護元件出貨量快速增長，並加劇相關周邊晶片業者市場競爭戰火。

目前威鋒、創惟、祥碩、智微與Initio等橋接控制晶片業者皆已紛紛透過先進製程技術、整合電源交換控制器與導入高階加密演算法等技術，爭搶新一代高速傳輸介面市場商機；其中，威峰更率先採用台積電85奈米(nm)製程開發新一代橋接控制晶片，並已獲得國際一線硬碟大廠爭相採用。

先進製程技術添臂力　橋接控制晶片效能大增

威鋒產品經理施士揚表示，由於過往SATA 2.0最大傳輸速率僅300MB/s，而SATA 3.0最大傳輸效率則可達600MB/s，因此硬碟的轉速亦須同步增加，才能達到此一傳輸效率，而所需功耗也相對增加。此外，硬碟的輸出接口也從USB 2.0升級為USB 3.0，傳輸速率增加導致數據傳輸時雜訊較大，遂成為橋接控制晶片新的技術挑戰。

施士揚進一步指出，現今市面上大多數橋接控制晶片皆採用0.13微米(μm)製程。儘管此一製程的晶圓(Wafer)成本與光罩較低廉，但隨著高速傳輸介面標準不斷演進後，舊有製程已逐漸不敷使用。橋接控制晶片供應商若要維持市場競爭力，勢必得進一步研發適用於先進製程的橋接控制晶片才能獲得硬碟製造商青睞。

圖1　新一代橋接控制晶片採用先進製程，將可使晶片尺寸更小，且效能亦獲得顯著提升。

有鑑於此，威鋒已攜手台積電成功開發出85奈米(nm)製程的橋接控制晶片--VL711，不僅在整體功耗上較上一代產品--VL701節省50%，且受益於先進製程所帶來的效益，晶片尺寸也大幅縮減，為SSD製造商保留更多印刷電路板(PCB)空間(圖1)，進而讓產品設計更為彈性。

除功耗與尺寸能更為精進外，85奈米製程亦能讓橋接控制晶片增添更多附加功能。由於硬碟內經常會保存許多機密文件，因此使用者對於資料在傳輸過程中的加密功能極為重視，而採用先進製程即可導入高階加密演算法--AES 265，藉此避免機密文件遭駭客以快取時序攻擊法進行檔案竊取。

然而，橋接控制晶片業者採用奈米級先進製程勢必會增加晶片製造成本，如何維持市場競爭優勢亦成為業界關注焦點。施士揚解釋，85奈米製程的晶圓成本確實較0.13微米高，但隨著SSD市場對於橋接控制晶片的需求不斷高漲，晶片業者可透過以量制價與客製化等方式，將橋接控制晶片單顆售價壓低至0.6～0.7美元之間，與一般0.13微米製程的橋接控制晶片價格相差無幾，因此相當具有市場競爭力，並可望逐步取代0.13微米製程的產品，成為未來技術主流。

據了解，威鋒新一代橋接控制晶片--VL711每月出貨量已可達上百萬顆，包括WD、希捷(Seagate)等硬碟大廠都是該公司客戶之一，且已成為一線硬碟廠商橋接控制晶片主要供應商。

威鋒已計畫下一代橋接控制晶片將跨越65奈米製程，直接切入55奈米製程，以因應未來超高速傳輸介面所來的技術挑戰，相關解決方案目前仍在研發當中。

相較於威鋒已開始採用奈米級先進製程，創惟則仍以0.13微米製程技術開發SATA 3.0橋接控制晶片，希冀以高性價比優勢吸引硬碟廠青睞。

創惟資深技術行銷經理魏駿雄表示，儘管SATA與USB介面的傳輸速率持續精進，但0.13微米製程透過精密的實體層(PHY)設計仍可滿足硬碟廠對傳輸效率與資料安全的嚴苛要求，因此在考量性價比後，奈米級製程的解決方案未必能在市場上占盡優勢。

魏駿雄認為，部分橋接控制晶片供應商採用特殊的85奈米製程並非各大晶圓代工廠的主流製程，容易導致供貨量不穩，對於硬碟廠而言，風險性不僅較高，且可能須攤提特殊製程所需要的光罩設備成本；反觀，0.13微米製程則是各大晶圓代工廠皆有發展的成熟技術，因此採用此一製程的橋接控制晶片較無產能不足之虞。

儘管各家橋接控制晶片業者基於成本考量，對於是否須導入先進製程的看法仍有分歧，但將橋接控制晶片整合周邊電源轉換控制器的產品設計理念卻是有志一同；包括威鋒、創惟的新一代方案中都已高度整合電源轉換控制器，藉此為硬碟廠節省電源轉換控制器成本與系統功耗，並可釋出更多電路板空間。

降低功耗與模組成本　橋接晶片整合周邊電源IC

魏駿雄表示，硬碟廠選用橋接控制晶片的主要考量包括價格、軟硬體認證、供貨穩定度以及散熱效能；其中，散熱效能對於硬碟使用壽命有直接相關性，因此成為各家橋接控制晶片業者首要精進的項目，尤其在新一代硬碟產品的轉速愈來愈快下，系統功耗亦不斷攀升，僅依靠電路板上的散熱片顯然已無法負荷SATA 3.0與USB 3.0高速傳輸速率所帶來的功耗，因此市場亟需一個更有效控制電源供電的方案。

魏駿雄進一步指出，過往硬碟模組的電源轉換控制器皆獨立於電路板上，並分別供電給SATA與橋接控制晶片使用，藉此完成一連串資料傳輸動作，看似合理的架構卻也因此讓電源轉換控制器保持經常性運作狀態，且隨著傳輸速率愈來愈高後，電源控制晶片已難以精準將電流轉換為SATA與橋接控制晶片所需的電壓，進而造成電力耗損日益嚴重，不僅使系統功耗增加，且影響資料傳輸穩定度。

為因應此一技術挑戰，橋接控制晶片業者已開始將電源轉換控制器整合至新一代解決方案中(圖2)，藉此最佳化電源供應效率，並進一步節省電源轉換器數量，且降低硬碟模組成本與電路板占用空間。

圖2　高整合度USB-SATA橋接控制晶片架構圖

事實上，不光是傳輸速率的提升促使橋接控制晶片設計趨勢丕變，外接硬碟或擴充基座等產品外觀輕薄化也是關鍵因素之一。

施士揚認為，隨著外接硬碟或基座產品愈來愈講究輕薄化設計，模組內各種元件相互整合已是必然趨勢，而橋接控制晶片整合電源IC將可有效縮小電路板空間，進而使外接硬碟或基座更加精巧。

據悉，創惟與威鋒新一代解決方案中皆已內建5伏特(V)轉3.3V與5V轉1.2V的電源轉換控制器，毋須外部電源IC即可自行運作，晶片價格也都壓在0.6美元上下，且兩間業者亦獲得USB開發者論壇(USB-IF)認證，以確保橋接控制晶片在USB 3.0輸出端的傳輸品質。

除橋接控制晶片市場需求高漲外，高效能ESD保護元件亦成為高速傳輸介面市場新寵兒；透過低電容ESD暫態抑制二極體陣列(TVS)與保險絲，使用者在進行硬碟插拔時即可避免靜電壓造成訊號損失的問題，不僅可延長插拔設備的使用壽命，且能確保產品使用安全。

高效能ESD保護元件發威　傳輸介面靜電防護力升級

圖3　Littelfuse電子事業單位行銷經理Rhonda Stratton指出，高效能ESD保護元件在系統中的角色將愈來愈吃重。

利特(Littelfuse)電子事業單位行銷經理Rhonda Stratton(圖3)表示，隨著SATA與USB傳輸速率愈來愈快，包括電視、機上盒(STB)、數位相機、超輕薄筆電(Ultrabook)、硬碟與隨身碟等所有須進行插拔動作的產品所面臨的靜電流挑戰亦愈來愈嚴苛，進而促使高速傳輸介面對高效能ESD保護元件需求大增。

Stratton進一步指出，新一代高速傳輸介面規格已大幅增加內部電路設計複雜度，且所需的驅動電壓也較過往規格更高，因此使ESD問題更加嚴重，加上現今消費性電子產品講求輕薄設計，被動元件供應商勢必須在有限的體積內，同時滿足原始設備製造商(OEM)靜電保護與縮減電路板體積等要求，才能在激烈的市場競爭中脫穎而出。

據了解，適用於USB 3.0的ESD電路保護元件須實現低電容和低動態電阻(Low Dynamic Resistance)兩種特性，前者主要是考量訊號失真問題，即電容值愈低對訊號傳遞過程的影響愈小，因此能維持訊號強度並減少扭曲情形；後者則可提供更低的箝位電壓，有助將暫態電流快速導通至接地，提升USB 3.0晶片散熱速度，進而增加系統穩定度。

圖4　Littelfuse台灣區應用工程經理張廣兼認為，採用先進封裝技術的ESD保護元件，將可節省50%電路板空間。

Littelfuse台灣區應用工程經理張廣兼(圖4)補充，插拔動作所產生的靜電對電子裝置印刷電路板、控制晶片有相當大的傷害。當外部靜電瞬間湧入時，就容易造成裝置失靈甚至損壞狀況，特別是外接硬碟、隨身碟等經常插拔的產品，受到人體攜帶靜電的影響更加頻繁，將帶來更多ESD挑戰，因而激勵新的電路保護被動元件市場需求。

為爭搶高速傳輸介面商機，Littelfuse與柏恩(Bourns)等被動元件供應商皆已成功開發出新一代高效能微型ESD暫態抑制二極體陣列(TVS Diode Array)保護元件；其中，Littelfuse的新方案--SP3012更已獲得賽普拉斯(Cypress)列入其USB 3.0主控制晶片參考設計中，且該公司正緊鑼密鼓研發適用於USB-電力傳輸(PD)標準的全新方案。

據了解，SP3012可以在高於IEC 61000-4-2國際標準規定的最高級別情況下，安全吸收反覆性ESD放電，其性能亦不會衰減，低電容和動態電阻值分別可壓低至0.5pF、0.4歐姆(Ω)等業界最佳標準，可協助系統工程師降低利用電路走線阻抗的依賴性，進而加速產品開發時程。

除低電容與低動態電阻考量外，原始設備製造商亦相當重視ESD保護元件占位空間。張廣兼指出，為達到降低成本與產品輕薄化目的，包括WD、希捷等業者都已開始要求被動元件業者提供高整合度方案，即透過單顆方案同時保護主控制晶片與接口端，藉此節省元件數量與成本。

有鑑於此，目前市面上已有許多新一代ESD保護元件採用六通道靜電放電設計，透過多通道與電路設計保護高速傳輸介面控制晶片與接口端，遂逐漸獲得市場青睞。

張廣兼補充，相較於其他六通道設計的ESD保護元件，Littelfuse新一代方案採用小型μDFN封裝技術，還可再節省50%電路板空間，因此更具市場競爭力。

另一方面，現今許多高速傳輸介面主控晶片都已內含嵌入式ESD保護元件，對於被動元件業者而言是否有所影響，亦成為業界關注焦點。

張廣兼認為，儘管許多主控晶片都已整合ESD保護元件，但是外部ESD保護元件在系統中的角色依然相當重要，因為插拔過程中的靜電流若直接交付主控晶片中的ESD保護元件處理，經年累月下來容易使產品壽命縮短，因此仍須經外部ESD元件充當第一道靜電流防護關卡，特別是在中高階SSD產品中，對外部ESD元件的市場需求更是有增無減，顯見被動元件的需求絲毫不受現今主控晶片業者整合ESD元件的影響。

綜上所述，在高速傳輸介面應用市場日益擴大下，外接硬碟、平板擴充基座、電視、隨身碟、數位相機與Ultrabook等產品對於橋接控制晶片、ESD保護元件等周邊晶片的需求量已日益攀升，而各家晶片供應業者為因應SATA 3.0與USB 3.0所帶來的技術挑戰，亦透過先進製程與高整合度設計等方式，開發新一代解決方案，爭搶高速傳輸介面市場商機。