過去十年，行動電話設計工程師利用不斷提高的元件技術，將越來越多功能整合至精巧、輕薄又低成本的手機；總體而言，他們會根據適合某些特定功能的半導體技術來制定其整合策略。高效能BiCMOS、矽鍺和砷化鎵已成為無線電的標準製程技術，類比特性良好的高電壓晶圓製程也為類比和電源管理領域所採用，高密度邏輯和特殊記憶體技術則被用於資料處理功能。

1990年代，雖有部份手機提供類比（AMPS）和數位調變支援，但絕大多數產品都是使用800～900MHz附近的單一頻帶，因此這種技術導向策略還可以滿足無線設計工程師的需求。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，這種手機可以支援一種以上的多工存取技術。藍芽、全球定位系統、無線區域網路和多模無線功能的整合已成為當前主要挑戰，由於必須支援的空中傳輸界面（air interfaces）大幅增加，複雜性又跟著升高，利用這些技術發展的應用也對於高效能資料處理有了新的要求。

隨著手機朝向多媒體通訊裝置不斷演進，OEM廠商是否能依賴半導體整合技術，發展功能規格獨特的各種產品？技術導向策略能否帶領產業邁進真正的系統單晶片手機新時代？本文將探討這些問題，我們會討論技術導向整合（technology-based integration）的限制，並介紹目前可供使用的另一種替代策略──功能導向整合（function-based integration）。

技術導向整合

今天的手機，如(圖一)所示，都包含高效能無線電路，以便處理來自不同頻帶的無線電訊號，包括GSM使用的800MHz頻帶以及藍芽和無線區域網路的2.4GHz 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援，避免充電過程可能造成的損害。手機還需要類比電路，負責提供高品質音訊通道以及射頻訊號的類比／數位以及數位／類比轉換。極高效能的邏輯和高密度記憶體也不可或缺，這樣才能處理基頻訊號、執行通訊協定和支援使用者應用，例如遊戲、視訊、音樂和定位服務。

《圖一　手機主要功能方塊與使用製程》

＜註：藉由製程技術整合的重要手機功能，其中每種顏色代表不同的技術。由於不相容的製程技術無法結合至單顆晶片，因此整合度很難繼續增加。＞

就晶圓製程而言，最直接的方法或許是把製程技術相近的電路整合至相同元件。明顯的，這種方式將會得到多顆元件，包括採用矽鍺製程的射頻界面元件，負責提供多頻帶和多模無線電功能；採用類比CMOS製程的類比／電源管理元件，負責提供整個系統的類比和電源管理支援；以及一顆大型邏輯元件，負責滿足整個系統的處理器、邏輯甚至是記憶體需求。

過去幾年，手機設計人員和晶片製造商就是採取這策略，但卻會受到某些限制，無法滿足不斷進步的業界要求；舉例來說，元件之間需要數量龐大的界面來容納各種訊號連接。另一方面，由於無線電、類比、電源管理和邏輯功能分屬不同元件，因此無法透過邏輯處理和無線電前端的整合來降低功耗或減少外部零件數目。

此種方法缺乏彈性，對OEM廠商是非常重大的缺點；舉例來說，若因為無線電路採用類似的晶圓技術就把它們整合在一起，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功能有限的低階手機，例如僅支援GSM和藍芽而不提供無線網路功能，此時就必須略過元件提供的某些無線電路。更嚴重的是，隨著某些新技術出現，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，這種發展不但迫使廠商必須修改整合式無線電元件，甚至整個系統都必須重新設計。

這種策略的最大缺點在於它必然會走到整合的瓶頸，因為隨著市場繼續朝向真正的系統單晶片發展，不相容的晶圓技術終將無法進一步整合，此時唯有對系統進行大幅修改，改變零件使用的晶圓技術，才能把無線電、邏輯、記憶體、類比、電源管理和資料處理功能全部整合至相同元件。

功能導向整合

要克服這些限制，就需要全新的整合策略，它必須不同於許多半導體設計人員過去已經採用、目前也仍在遵循的策略。最有希望的新方法是：功能導向整合。

簡單的說，這種策略會把特定功能所需的全部電路整合至CMOS矽晶片，例如在單顆晶片上面製造完整的四頻帶GPRS收發器，包括所有的基頻類比和射頻功能。GSM模組包含GSM通訊所需的全部無線電、邏輯、類比數位轉換器、數位類比轉換器以及其它電路；同樣的，廠商也可發展單晶片解決方案以支援藍芽、無線網路和全球定位系統。

這種整合方式提供許多優點。首先，它克服了技術導向策略固有的界面複雜性和電源管理問題，每顆元件的邏輯和無線電功能都能緊密相鄰，使得數位處理的優點也能用於無線電功能，進而減少功耗和面積。訊號處理鏈的所有訊號界面都會整合至元件中，使得元件接腳數保持在合理水準，易受干擾的外部電路也會減至最少。

由於這些功能全都整合至單顆元件，產品的提供將變得模組化，各種規格的手機也可輕易實現，不需要額外成本，也不會造成功能的浪費──每一種產品設計都只會包含它們真正需要的功能。

最後則是把多顆功能整合元件結合在一起，成為完整的系統元件；基本上，只要出現夠大的市場，確保廠商投資得到合理利潤，這個整合步驟就會變得很平常。等到支援CMOS功能整合的必要技術出現，廠商就不再需要任何新的基礎技術。

《圖二　單晶片解決方案》

結論

數目龐大的複雜空中傳輸界面和晶圓製程技術，再加上先進的應用處理，使得手機的功能整合成為困難挑戰；另一方面，數位射頻之類的新晶圓製程和設計技術卻可將類比和無線電路以及資料處理功能整合至量產型的低功耗CMOS元件。這些技術讓功能導向整合策略得以付諸實行，由它解決技術導向策略的缺點。

透過功能導向整合，廠商很快就會推出各種手機，由它們提供空中傳輸界面和使用者功能的不同組合。隨著電子零件整合度不斷提高，廠商會以此為出發點不斷尋找銷售量龐大的各種市場，以便將最佳功能組合進一步的整合至單顆矽晶片。

（作者任職於TI德州儀器）