探索游戲中的半導體技術

為了滿足游戲玩家們的無度索求，游戲機制造商研發(fā)新一代機種的腳步永遠不會停歇，性能更為強大的家用游戲機將會是游戲產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。搭著半導體技術突飛猛進的順風車，新一代游戲機的功能也如虎添翼。本文將介紹新一代游戲機在硬件設計上的新發(fā)展趨勢。

自從1945年計算機誕生之后，晶體管與IC芯片陸續(xù)被發(fā)明出來。盡管第一家發(fā)明電子游戲的美國公司雅達利于1985年破產(chǎn)，然而游戲機的發(fā)展腳步并沒有因此停止。從1983年任天堂開發(fā)了第三世代游戲機Family Computer(FC)，也就是大家耳熟能詳?shù)募t白機之后，此款游戲機為整體游戲機產(chǎn)業(yè)帶來了先進的開發(fā)理念與革命性的游戲技術，因此許多人將這款任天堂的紅白機當作游戲機的開山始祖。

游戲機負起娛樂大眾的重責大任，不僅受到了兒童和青少年的歡迎，許多成年人也樂此不疲。目前最新一代的游戲機分別是微軟的Xbox 360、Sony的PS3與任天堂的Wii，搭著半導體技術突飛猛進的順風車，新一代游戲機的功能也如虎添翼。接下來本文將介紹新一代游戲機在硬件設計上的新發(fā)展趨勢。

Power處理器為最大贏家

處理器市場盡管看似穩(wěn)定，幾家處理器龍頭地位看似難以撼動，但事實上彼此間的競爭詭譎無法捉摸。一向以CPU微處理器睥睨市場群雄的Intel，有了蘋果計算機(Apple)宣布采用Intel處理器的加持，更為意氣風發(fā)。而一向與Intel關系密切的戴爾(Dell)則開始陸續(xù)采用超微(AMD)的處理器作為下一代產(chǎn)品的處理核心。盡管戴爾與蘋果計算機的訂單陸續(xù)流失，但這不并影響IBM持續(xù)發(fā)展其處理器的雄心。在中國所舉行的Power.org處理器聯(lián)盟大會上，IBM已經(jīng)陸續(xù)得到Sony、Cadence、Chartered、緯創(chuàng)及EDA業(yè)者Mentor Graphics等三十多家公司的加盟。IBM計劃提供開放性的平臺，讓這些公司可共同設計出以Power架構為基礎的處理器芯片、系統(tǒng)及應用軟件等產(chǎn)品。

隨著蘋果計算機與戴爾相繼舍棄Power處理器，個人計算機顯然已經(jīng)不是IBM的主戰(zhàn)場了。IBM在過去銷售的Power處理器中，應用于個人計算機的比例逐漸偏低，目前IBM的目標是以機頂盒、游戲機與數(shù)字電視等領域為主力。

過去IBM為了擺脫虧損，將芯片與計算機部門整合為一，并將所有研發(fā)能量集中于Power處理器上。未來IBM所制造的處理器，除了供自己產(chǎn)品所使用之外，并有部分將用于客戶的產(chǎn)品，如任天堂游戲機、蘋果的G5計算機以及思科的網(wǎng)絡處理器等產(chǎn)品上。

IBM每年僅研發(fā)經(jīng)費就將近50億美元，因此其Power處理器效能比Intel與AMD的處理器好上許多，而IBM也將其新一代采用Power架構設計的Cell處理器引進消費性電子市場，成功取得Sony PS3、微軟Xbox 360與任天堂Wii等游戲機訂單。

以IBM為任天堂Wii游戲機所設計與制造的主機微處理器百老匯(Broadway)為例，百老匯是IBM以Power微處理器架構所設計、預定供應給任天堂 Wii 主機所使用的微處理器，由IBM位于美國紐約州East Fishkill的12寸晶圓廠，以90nm絕緣層上覆硅(SOI)制程生產(chǎn)。透過SOI技術，使百老匯在提供充分效能的同時，也達到省電20％的目標。除了與任天堂合作研發(fā)Wii主機的微處理器百老匯之外，包括微軟Xbox 360主機與Sony PS3主機也都是采用與IBM合作研發(fā)生產(chǎn)的Power架構微處理器，因此IBM可說是這場游戲機大戰(zhàn)中最大的贏家。

圖1 IBM為Wii所開發(fā)的Broadway處理器

另外據(jù)了解，微軟也已經(jīng)決定與目前的處理器合作伙伴Intel和IBM分道揚鑣，進而自行研發(fā)新一代Xbox游戲機處理器。據(jù)紐約時報報導，微軟已經(jīng)開始在內(nèi)部實驗室研發(fā)新一代Xbox游戲機處理器。為此，微軟還專門成立了計算機架構部門，由工程師Charles Thacker帶隊。而未來語音識別將成為游戲機的重要功能之一，這也將是微軟研發(fā)游戲機處理器的主要方向之一。

電容式感測技術提升操控樂趣

對電玩游戲來說，繪圖與處理速度或許最能直接限制或展現(xiàn)游戲中軟件的開發(fā)狀況，但主機控制器(console controller)也一樣非常重要。電玩控制器的接口方式不斷推陳出新，目的就是為了能與屏幕上所顯示出來的場景進行更有效的互動。盡管多數(shù)電玩游戲的開發(fā)都著重在軟件和處理器上，但許多重大的創(chuàng)意和前瞻想法都與控制器相關。由于游戲系統(tǒng)及周邊廠商努力改善玩家與其系統(tǒng)互動的方式，因此無論是在人體工學、風格、功能或是特色等方面都不斷地在開發(fā)改進。

游戲機搖桿從最早期簡單的一個搖桿配合一顆按鍵，演變至今已變得復雜無比?，F(xiàn)在許多游樂器搖桿都具備比以往更多的功能按鍵，而且每個按鍵都擁有更強大的功能。例如具備壓力感應間斷作用的按鍵，對于駕駛類電玩游戲中的煞車與加速控制上觸發(fā)作用可獲得更好的控制；而按鍵組合在格斗游戲中也常被用來激活特殊功能與動作；震動功能(rumble-packs)則可讓玩家能體驗聲光效果外的真實感覺。對這些功能來說，電容式感測技術是最新的接口技術，能提高游戲控制器的可用性，并提供良好的機械設計。

電容式感測最常用于個人計算機觸控板與便攜式媒體播放器上。此外，手機制造商也開始投入資金來推廣其用途，并已開發(fā)出數(shù)種機型銷售上市。簡單的架構、裝置防水性及堅固的機械式設計等都是電容式感測接口極具吸引力的特性。

目前Cypress所提供的PSoC混合訊號數(shù)組(Mixed Signal Array)是一套可配置式的數(shù)字與模擬資源數(shù)組、閃存與RAM、一個8位微控制器，以及其它許多功能。這些功能讓PSoC可在其CapSense系列組件中建置各種創(chuàng)新電容式感測技術。利用PSoC的直覺式開發(fā)環(huán)境來配置或重新配置組件設計，能符合設計規(guī)格與規(guī)格變更之需求。這項新的感測技術展現(xiàn)了更好的靈敏度與抗干擾能力，并能降低功耗、提升更新速率。

電容式傳感器是在印刷電路板中連接至控制器電路上的銅片(pad)。感測按鍵與其連接導線的組合會在其周圍產(chǎn)生電容。設計時所考量的接地面、金屬支撐裝置、還有其它電子與機械組件都會影響傳感器的電容值。當具有導電性的觸發(fā)物質(zhì)(例如手指)靠近傳感器到一定程度時，該電容值就會增加。在電容式傳感器的前端是由切換式電容器(switched capacitors)、內(nèi)部電流源或是具有外部電阻器的電壓源所組成。這些方法都是為了要在感測電容器上輸入電壓值。而該電壓值可透過ADC、或由比較器所構成的充電時間量測電路之處理，然后到達計數(shù)器或定時器。數(shù)字輸出值被電容式感測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和決定(decision-making)所使用時，則會在ADC輸出值中產(chǎn)生轉(zhuǎn)變或在電容質(zhì)中的計數(shù)值產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)變。

MEMS提供六軸感應新技術

任天堂(Nintendo)在其所推出的Wii游戲機上采用三軸動作信號處理(three-axis motion signal-processing)技術。這樣的新品推出也把游戲機產(chǎn)業(yè)的競爭焦點從快速、強大的處理引擎轉(zhuǎn)移到使用接口上。

ADI和意法半導體(ST)兩家公司是此種游戲機微電機系統(tǒng)(MEMS)感應器的主要供貨商。該系統(tǒng)由兩個控制器單元組成：主控制器和自由式單元，每個單元都由一個動作感應器驅(qū)動。任天堂所開發(fā)的這個控制器平臺已用于該公司下一代游戲機Wii上。另外，Sony Computer Entertainment也不落人后，緊接著也宣布其Playstation 3游戲?qū)⒓{入采用了六軸感應系統(tǒng)的游戲控制器。

雖然傳統(tǒng)的游戲控制器需要使用兩手來掌控，但Wii的主控制器和自由式控制器被設計成單手掌握。玩家可以揮舞、瞄準、扭曲和轉(zhuǎn)動，就像是其手中的劍、摩托車把手或者網(wǎng)球拍一樣。有些游戲?qū)⒅恍枋褂弥骺刂破?，有些則需要同時使用兩個控制器。

而對于新一代游戲應用比較關鍵的是MEMS組件能夠感應玩家在三維空間上的動作的能力，例如前/后，左/右和上/下。當控制器被抓在手上的時候，系統(tǒng)就會根據(jù)控制器加速度感知動作、深度和位置情況。透過把核心MEMS感應器技術用于游戲領域，游戲玩家便可以簡化游戲過程，并使其更加自然，且不用再擔心按錯按鈕。任天堂新的家用游戲主機Wii在其motion-activated用戶接口上便采用了前述ST的三軸加速傳感器。Wii控制器為微機電系統(tǒng)(MEMS)技術所驅(qū)動，以微型技術與真實世界產(chǎn)生互動，其優(yōu)點在于能以三維檢測游戲玩家的運動及傾斜程度，并將這些資料立即轉(zhuǎn)換到游戲動作中。

圖4 Wii游戲機已具備三軸加速傳感器

這種控制器使用嵌入式加速傳感器讓使用者的手婉、手臂及手部運動能夠與游戲互動。傾斜測量功能則能讓使用者任意移動，而精確的三軸加速傳感器能容易將該控制器轉(zhuǎn)換為虛擬寶劍(virtual sword)、變速排檔(gearshift)或樂器等虛擬動作。

這種加速傳感器的尺寸僅有5