多樣化手機(jī)設(shè)計(jì)需要恰當(dāng)?shù)腟oC與SiP混合

“單芯片手機(jī)”的概念是指利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工藝技術(shù)和傳統(tǒng)硅集成趨勢(shì)將手機(jī)功能整合在一塊裸片上。但對(duì)于蜂窩電話和其它無(wú)線產(chǎn)品，這并非一個(gè)簡(jiǎn)單的建議。在這些產(chǎn)品中，模擬、射頻、數(shù)字與混合信號(hào)等平等的部分必須一起工作才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)解決方案。不過(guò)，在采用極少的器件實(shí)現(xiàn)所有手機(jī)功能模塊方面，業(yè)界已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展?，F(xiàn)在，我們似乎有望見(jiàn)到期待已久的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)手機(jī)。但是我們還要考慮這意味著什么，它是否有意義以及達(dá)到此目標(biāo)的最佳途徑是什么。

讓我們來(lái)看看這種概念的內(nèi)涵。盡管單芯片意味著手機(jī)的大部分功能都集成在一顆芯片上，但集成度仍有待解釋。一些人可能看到單芯片在數(shù)字/基帶領(lǐng)域或射頻部分具有高集成度，可以極大地簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但對(duì)另一些人來(lái)說(shuō)，單芯片意味著一種更廣泛的方法，將把射頻、模擬、基帶，甚至射頻功率與開(kāi)關(guān)集成在單個(gè)器件上。

與之形成對(duì)比的是系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)，它可以在封裝級(jí)將采用不同工藝技術(shù)制造的裸片集成到一個(gè)高密度的解決方案中。SiP能催生許多產(chǎn)品,如匹配的功放、射頻前端發(fā)射鏈路乃至單封裝無(wú)線電等,這些今天都已經(jīng)存在。此外，SiP概念還能被擴(kuò)展到包括所有混合信號(hào)與數(shù)字功能。因此，更多時(shí)候SoC和SiP應(yīng)該被看作是過(guò)程或趨勢(shì),而不是最終狀態(tài)。實(shí)際情況是在成本壓力與技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)下，集成將繼續(xù)發(fā)生，無(wú)論采用何種方法，都致力于簡(jiǎn)化手機(jī)系統(tǒng)中給定功能的BOM清單。SoC與SiP的“恰當(dāng)”組合將取決于多種因素，包括不同市場(chǎng)區(qū)域所需的功能與定制水平、手機(jī)主體電子部件的進(jìn)一步普遍化、各種技術(shù)的可用性以及最關(guān)鍵的成本問(wèn)題。

手機(jī)功能的急劇增加已經(jīng)改變了移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)與銷售，導(dǎo)致有關(guān)外圍功能的設(shè)計(jì)內(nèi)容大幅擴(kuò)張，例如數(shù)碼相機(jī)、多媒體及增強(qiáng)的用戶接口等。這種趨勢(shì)與向3G等高級(jí)通信標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移相結(jié)合，促使手機(jī)分化出高、中、低端等階梯產(chǎn)品。

功能豐富的產(chǎn)品不僅需要有廣泛的技術(shù)能力，而且還要求快速的面市時(shí)間、不打折扣的性能、高定制水平和低成本。所有這些將繼續(xù)要求設(shè)計(jì)具有靈活性，并要求能夠匹配子系統(tǒng)元件與設(shè)備，以獲得最佳的性價(jià)比。這使得系統(tǒng)分割偏好采用分立元件或SiP方法，而“集成”將繼續(xù)在核心器件中發(fā)展。

與此同時(shí)，低端市場(chǎng)部分主要關(guān)注核心的手機(jī)功能以及少數(shù)已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化和普遍化的高級(jí)功能。在整個(gè)手機(jī)平臺(tái)上，這些設(shè)計(jì)只需要少量或完全不需要系統(tǒng)級(jí)定制硬件。這個(gè)市場(chǎng)為包含更多內(nèi)容的SoC器件提供了機(jī)會(huì)。

在大批量標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備中，高集成度解決方案能抵消器件的較高開(kāi)發(fā)成本和較長(zhǎng)交貨時(shí)間，并提供更快的系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。但前提是，選擇的分割及SoC技術(shù)解決方案能夠以比分立解決方案更低的成本達(dá)到足夠高的性能。

將更多功能集成在一顆系統(tǒng)級(jí)芯片上的能力已經(jīng)在數(shù)字與射頻領(lǐng)域得到證明。例如，收發(fā)器解決方案將以前的分立器件(如接收器、發(fā)射器、壓控振蕩器及低噪聲放大器)集成到一顆很小的高成本效益的器件上，并已獲得了商業(yè)上的成功。在基帶領(lǐng)域也取得了類似的成就。這種趨勢(shì)將繼續(xù)發(fā)展下去，只要能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的集成目標(biāo)，就會(huì)取得成功。

一個(gè)激進(jìn)的想法是將無(wú)線電與基帶部分集成到一個(gè)SoC器件中，這在技術(shù)上也許是可行的，但成本將是一個(gè)挑戰(zhàn)。CMOS工藝的發(fā)展路線圖為數(shù)字電路提供了不斷削減成本的途徑。不過(guò)，射頻、模擬電路與無(wú)源器件等占據(jù)芯片大部分面積的元件將不會(huì)隨著工藝的進(jìn)步而線性縮小，而且為了滿足它們的性能要求，可能需要定制的硅制造工藝。

這種整合會(huì)限制在CMOS平臺(tái)上進(jìn)行集成的成本優(yōu)勢(shì)，并可能導(dǎo)致比分立或SiP解決方案更高的成本，因?yàn)槠渚A成本更高，裸片面積更大，良品率更低。實(shí)際上，這種情況并非只出現(xiàn)在手機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。出于同樣的原因，因?yàn)闊o(wú)法實(shí)現(xiàn)全集成，更成熟的電子產(chǎn)品已經(jīng)停止集成。

為了利用標(biāo)準(zhǔn)化SoC工藝獲得持續(xù)改善的性能，這給射頻模塊與射頻前端設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。盡管可以在RF-CMOS解決方案和Bi-CMOS或硅鍺等特殊工藝技術(shù)之間取得功耗平衡，但是基于CMOS的設(shè)計(jì)卻很難達(dá)到這種平衡，因?yàn)榇嬖谂c獲得高增益及控制臨近1/f噪聲有關(guān)的挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題常常導(dǎo)致更多的設(shè)計(jì)反復(fù)，而且可能限制諸如3G等要求嚴(yán)格的無(wú)線電應(yīng)用的性能。

盡管這些挑戰(zhàn)最終會(huì)得到解決，但目前仍很嚴(yán)峻。在前端，許多電路(包括功放、RF開(kāi)關(guān)、高值無(wú)源器件及精密射頻濾波器等)都不能利用大批量硅工藝在特性尺寸減少方面的優(yōu)勢(shì)，而且在某些情況下，它們的工藝是不兼容的。此外，這些器件在分立形式時(shí)的性能和成本得到持續(xù)改進(jìn)，這將繼續(xù)提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的期望值，同時(shí)也加劇了挑戰(zhàn)。

那么，這又意味著什么呢？SoC和SiP集成擁有各自的市場(chǎng)與作用領(lǐng)域，這些方法應(yīng)被看作是互補(bǔ)而不是競(jìng)爭(zhēng)的。設(shè)計(jì)人員將繼續(xù)利用以標(biāo)準(zhǔn)化工藝制造的系統(tǒng)級(jí)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)以數(shù)字為中心的功能，并在技術(shù)及商業(yè)條件允許時(shí)推動(dòng)其它功能的進(jìn)一步集成。SiP將成為實(shí)現(xiàn)那些利用器件與元件組合的優(yōu)勢(shì)來(lái)提高性價(jià)比的功能塊的主要途徑，這在射頻前端表現(xiàn)得尤為明顯。因此，設(shè)計(jì)人員將能很好地開(kāi)發(fā)出位于硅集成曲線前沿的產(chǎn)品。

顯然，通過(guò)為削減成本以及簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供機(jī)會(huì)，SoC將繼續(xù)向前發(fā)展。那些對(duì)適當(dāng)采用這兩種方法沒(méi)有偏見(jiàn)而且都很精通的公司，在現(xiàn)在或未來(lái)會(huì)作出最佳的選擇。