先進無線手機的集成策略

1990年代，雖有部份手機提供模擬 (AMPS) 和數(shù)字調(diào)變支持，但絕大多數(shù)產(chǎn)品都是使用800-900 MHz附近的單一頻帶，因此這種技術(shù)導(dǎo)向策略還可以滿足無線設(shè)計工程師的需求。到了90年代末期，雙頻手機已變得很普通，多模手機也開始出現(xiàn)，這種手機可以支持一種以上的多任務(wù)存取技術(shù)。藍牙、全球定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)絡(luò)和多模無線功能的集成已成為當(dāng)前主要挑戰(zhàn)，由于必須支持的空中傳輸接口 (air interfaces) 大幅增加，復(fù)雜性又跟著升高，利用這些技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用也對于高性能數(shù)據(jù)處理有了新的要求。

隨著無線手機朝向多媒體通信裝置不斷演進，OEM廠商是否能依賴半導(dǎo)體集成技術(shù)，發(fā)展功能規(guī)格獨特的各種產(chǎn)品？技術(shù)導(dǎo)向策略能否帶領(lǐng)我們邁進真正的系統(tǒng)單芯片無線手機新時代？本文將探討這些問題，我們會討論技術(shù)導(dǎo)向集成 (technology-based integration) 的限制，并介紹目前可供使用的另一種替代策略-功能導(dǎo)向集成 (function-based integration)。

技術(shù)導(dǎo)向集成

今天的無線手機都包含高性能無線電路，以便處理來自不同頻帶的無線電信號，包括GSM使用的800 MHz 頻帶以及藍牙和無線局域網(wǎng)絡(luò)的2.4 GHz ISM 頻帶。手機的電源管理必須提供遠超過電池電壓的高電壓支持，避免充電過程可能造成的損害。手機還需要模擬電路，負責(zé)提供高品質(zhì)音頻信道以及射頻信號的模擬／數(shù)字以及數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換。極高性能的邏輯和高密度內(nèi)存也不可或缺，這樣才能處理基帶信號、執(zhí)行通信協(xié)議和支持使用者應(yīng)用，例如游戲、視頻、音樂和定位服務(wù)。

今天的無線手機都包含高性能無線電路，以便處理來自不同頻帶的無線電信號，包括GSM使用的800 MHz 頻帶以及藍牙和無線局域網(wǎng)絡(luò)的2.4 GHz ISM 頻帶。手機的電源管理必須提供遠超過電池電壓的高電壓支持，避免充電過程可能造成的損害。手機還需要模擬電路，負責(zé)提供高品質(zhì)音頻信道以及射頻信號的模擬／數(shù)字以及數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換。極高性能的邏輯和高密度內(nèi)存也不可或缺，這樣才能處理基帶信號、執(zhí)行通信協(xié)議和支持使用者應(yīng)用，例如游戲、視頻、音樂和定位服務(wù)。

今天的無線手機都包含高性能無線電路，以便處理來自不同頻帶的無線電信號，包括GSM使用的800 MHz 頻帶以及藍牙和無線局域網(wǎng)絡(luò)的2.4 GHz ISM 頻帶。手機的電源管理必須提供遠超過電池電壓的高電壓支持，避免充電過程可能造成的損害。手機還需要模擬電路，負責(zé)提供高品質(zhì)音頻信道以及射頻信號的模擬／數(shù)字以及數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換。極高性能的邏輯和高密度內(nèi)存也不可或缺，這樣才能處理基帶信號、執(zhí)行通信協(xié)議和支持使用者應(yīng)用，例如游戲、視頻、音樂和定位服務(wù)。

就晶圓制程而言，最直接的方法或許是把制程技術(shù)相近的電路集成至相同組件。明顯的，這種方式將會得到多顆組件，包括采用硅鍺制程的射頻接口組件，負責(zé)提供多頻帶和多模無線電功能；采用模擬CMOS制程的模擬／電源管理組件，負責(zé)提供整個系統(tǒng)的模擬和電源管理支持；以及一顆大型邏輯組件，負責(zé)滿足整個系統(tǒng)的處理器，邏輯、甚至是內(nèi)存需求。

過去幾年，無線手機設(shè)計人員和芯片制造商就是采取這策略，但卻會受到某些限制，無法滿足不斷進步的業(yè)界要求；舉例來說，組件之間需要數(shù)量龐大的接口來容納各種信號連接。另一方面，由于無線電、模擬、電源管理和邏輯功能分屬不同組件，因此無法透過邏輯處理和無線電前端的集成來降低功耗或減少外部零件數(shù)目。

此種方法缺乏彈性，對OEM廠商是非常重大的缺點；舉例來說，若因為無線電路采用類似的晶圓技術(shù)就把它們集成在一起，所有手機就會包含同樣的固定功能，但廠商卻可能只想生產(chǎn)功能有限的低階手機，例如僅支持GSM和藍牙而不提供無線網(wǎng)絡(luò)功能，此時就必須略過組件提供的某些無線電路。更嚴重的是，隨著某些新技術(shù)出現(xiàn)，OEM廠商或許必須增加無線電功能，才能確保自己的競爭力；但許多情形下，這種發(fā)展不但迫使廠商必須修改他們的集成式無線電組件，甚至整個系統(tǒng)都必須重新設(shè)計。

這種策略的最大缺點在于它必然會走到集成的瓶頸，因為隨著市場繼續(xù)朝向真正的系統(tǒng)單芯片發(fā)展，不兼容的晶圓技術(shù)終將無法進一步集成，此時唯有對系統(tǒng)進行大幅修改，改變零件使用的晶圓技術(shù)，才能把無線電、邏輯、內(nèi)存、模擬、電源管理和數(shù)據(jù)處理功能全部集成至相同組件。

要克服這些限制，就需要全新的集成策略，它必須不同于許多半導(dǎo)體設(shè)計人員過去已經(jīng)采用、目前也仍在遵循的策略。最有希望的新方法是：

功能導(dǎo)向集成

簡單的說，這種策略會把特定功能所需的全部電路集成至CMOS硅芯片，例如在單顆芯片上面制造完整的四頻帶GPRS收發(fā)器，包括所有的基帶模擬和射頻功能。GSM模塊包含GSM通信所需的全部無線電、邏輯、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以及其它電路；同樣的，廠商也可發(fā)展單芯片解決方案以支持藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)。

簡單的說，這種策略會把特定功能所需的全部電路集成至CMOS硅芯片，例如在單顆芯片上面制造完整的四頻帶GPRS收發(fā)器，包括所有的基帶模擬和射頻功能。GSM模塊包含GSM通信所需的全部無線電、邏輯、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以及其它電路；同樣的，廠商也可發(fā)展單芯片解決方案以支持藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)。

簡單的說，這種策略會把特定功能所需的全部電路集成至CMOS硅芯片，例如在單顆芯片上面制造完整的四頻帶GPRS收發(fā)器，包括所有的基帶模擬和射頻功能。GSM模塊包含GSM通信所需的全部無線電、邏輯、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以及其它電路；同樣的，廠商也可發(fā)展單芯片解決方案以支持藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)。

這種集成方式提供許多重要優(yōu)點。首先，它克服了技術(shù)導(dǎo)向策略固有的接口復(fù)雜性和電源管理問題，每顆組件的邏輯和無線電功能都能緊密相鄰，使得數(shù)字處理的優(yōu)點也能用于無線電功能，進而減少功耗和面積。信號處理鏈的所有信號接口都會集成至組件中，使得組件接腳數(shù)保持在合理水準，易受干擾的外部電路也會減至最少。

由于這些功能全都集成至單顆組件，產(chǎn)品的提供將變得模塊化，各種規(guī)格的手機也可輕易實現(xiàn)，不需要額外成本，也不會造成功能的浪費-每一種產(chǎn)品設(shè)計都只會包含它們真正需要的功能。

最后則是把多顆功能集成組件結(jié)合在一起，成為完整的系統(tǒng)組件；基本上，只要出現(xiàn)夠大的市場，確保廠商投資得到合理利潤，這個集成步驟就會變得很平常。等到支持CMOS功能集成的必要技術(shù)出現(xiàn)，廠商就不再需要任何新的基礎(chǔ)技術(shù)。

功能導(dǎo)向集成范例-藍牙系統(tǒng)單芯片

要把功能相關(guān)的手機零件集成在一起，主要挑戰(zhàn)在于發(fā)展低成本的晶圓制程技術(shù)和電路技術(shù)，以便實現(xiàn)如此高階的功能集成度。晶圓光罩數(shù)目必須與基本邏輯CMOS相近，避免額外的晶圓成本；在此同時，電路技術(shù)也必須利用CMOS邏輯能力來降低模擬與射頻性能需求。這絕不是簡單的挑戰(zhàn)，因為工程師必須深入解決數(shù)百項的無線電性能需求。

要把功能相關(guān)的手機零件集成在一起，主要挑戰(zhàn)在于發(fā)展低成本的晶圓制程技術(shù)和電路技術(shù)，以便實現(xiàn)如此高階的功能集成度。晶圓光罩數(shù)目必須與基本邏輯CMOS相近，避免額外的晶圓成本；在此同時，電路技術(shù)也必須利用CMOS邏輯能力來降低模擬與射頻性能需求。這絕不是簡單的挑戰(zhàn)，因為工程師必須深入解決數(shù)百項的無線電性能需求。

要把功能相關(guān)的手機零件集成在一起，主要挑戰(zhàn)在于發(fā)展低成本的晶圓制程技術(shù)和電路技術(shù)，以便實現(xiàn)如此高階的功能集成度。晶圓光罩數(shù)目必須與基本邏輯CMOS相近，避免額外的晶圓成本；在此同時，電路技術(shù)也必須利用CMOS邏輯能力來降低模擬與射頻性能需求。這絕不是簡單的挑戰(zhàn)，因為工程師必須深入解決數(shù)百項的無線電性能需求。

近來隨著電路設(shè)計、先進130納米晶圓制程、數(shù)字射頻和系統(tǒng)架構(gòu)不斷創(chuàng)新，這種高階集成已能實現(xiàn)。圖2是單芯片藍牙組件BRF6150，注意它只包含11顆外部組件，完整參考設(shè)計則將藍牙基帶、數(shù)字射頻和天線開關(guān)集成至4.5