行動通訊裝置自誕生以來，就註定走向一條坎坷艱辛的路。這個說法並不是指其發展將會受限並落入衰退的窘境，反而是將會因過快的發展和面臨越趨複雜的通訊環境，而承受不成比例的設計壓力。首先是外型上的挑戰，由於裝置具備行動可攜的需求，因此輕薄短小誓成其設計宿命，設計師與系統商也不斷的挑戰其底線；再者為多模通訊環境，不只是2G、3G，甚至是接下來的4G，都必須在單一裝置裡能夠支援，加以Wi-Fi、WiMAX、藍牙與GPS等的無線網路應用需求，也迫使行動通訊裝置將更多的通訊協定放入設計內。

基於這些挑戰，系統商開始尋求一種能因應以上設計需求的解決方案，而多

模單晶片便是這問題的答案。以下便是高通、博通、NXP、CSR及MIPS針對多模單晶片的市場與技術發展的採訪報導。

多模單晶片將位居主流市場

根據工研院IEK的研究報告，未來手機市場將有兩大發展趨勢，第一為通訊技術標準的快速轉變，將從目前約佔六成的GSM/GPRS/EDGE等2G行動標準，快速轉往3G及3.5G的標準，至2011年時，將逐漸成為主流標準；另一個重要的發展趨勢則是多媒體與連結功能的整合日趨成熟，未來將有更多照相、音樂、藍牙、Wi-Fi、GPS、Mobile TV、NFC、UWB、WiMAX等應用加入手機平台，迫使手機晶片廠面臨3G與3.5G標準的轉換、手機功能的整合、以及低成本和高整合的挑戰。

IEK表示，隨著半導體技術的突破與手機BOM Cost的持續下降，手機功能除朝向多媒體與無線連結發展，及將市場流行的多種功能以SiP或SoC方式整合外，手機核心晶片的精簡化，並朝向高整合度晶片發展的趨勢也將更加明顯。

另一家市場研究機構ABI Research也指出，未來GPS將是手機的基本功能之一。目前大部分的CDMA手機都已經具備GPS功能，智慧型的GSM手機也開始內建GPS功能。因此，把GPS功能內建在消費型GSM手機上，將是手機廠與晶片廠必須克服的挑戰。ABI Research指出，GPS功能若想應用在低階機型中，就必須進一步減小GPS晶片的成本、耗電量和體積。因此，至2009年時將出現GPS、藍牙和Wi-Fi功能全部整合在單一晶片上的產品。目前許多通訊晶片廠都著手收購GPS晶片組廠商，便是加快開發這些晶片。

去年WiMAX Forum也公佈了一份雙模晶片的研究報告，報告中指出，未來雙模晶片將可能取代傳統的Wi-Fi晶片，成為無線寬頻接取市場上的主要晶片技術。

目前雙模晶片的主流製程為90奈米，以整合260MHz的ARM處理器和DSP處理器為主。WiMAX Forum表示，，就技術面上來看，雙模晶片將採用硬體邏輯，落實物理層的主要處理功能，已大幅降低功耗，提高系統的處理能力。

此外，報告中也指出，雙模晶片設計還會整合多媒體編解碼器如JPEG、MP3、MPEG4／H.263等，以支援各種的多媒體應用；同時還會整合USB收發器、相機影像處理等功能，也提供介面支援WLAN、IrDA、Bluetooth、USB OTG2.0等。

基頻與射頻整合是多模單晶片的發展關鍵

所謂的多模晶片，指的是單一晶片中具有兩種以上無線標準支援功能的晶片，但不限於基頻或者射頻晶片，仍需要透過其他的零組件，才能讓多模收發的功能得以實現。但多模單晶片則已整合了射頻與基頻處理的功能，僅需單一的晶片，便能讓裝置具備多模的能力，這也是目前手機晶片商與無線網路晶片商積極朝向的目標。

去年擠下TI成為無線半導體市場龍頭，同時也是手機多模單晶片領先者的高通（Qualcomm）就認為基頻與射頻整合才是多模單晶片的重點。高通CDMA產品管理資深副總裁Cristiano Amon表示，高通所定義的多模單晶片，是同時整合基頻和射頻晶片的解決方案。真正的多模單晶片是具備完整的多網處理的支援能力，就像是高通目前的UMTS單晶片一樣，該晶片已整合了GSM、GPRS以及多頻的3G標準。目前市場上幾乎每一支手機需要整合UMTS和GSM標準，此外，高通也整合了CDMA和GSM技術在許多的產品上。

《圖一　高通CDMA產品管理資深副總裁Cristiano Amon表示，高通所定義的多模單晶片，是同時整合基頻和射頻晶片的解決方案。》

Amon表示，若沒有多模單晶片，手機製造商便需要單獨設計基頻、射頻及電源管理的解決方案。而當晶片商整合了這些元件之後，便徹底的簡化了在PCB的設計，而且手機研發成本也被大幅減低，特別是減少了許多原先的零組件使用。

透過使用多模單晶片，製造商便可將省下的經費轉往其他的應用，如果手機製造商需要去生產CDMA 2000應用的手機，同時間也必須生產UMTS應用的手機，而這兩個系統是完全不同的設計，若透過多模單晶片，便可以同時支援兩者，而手機製造商便可單利用一個基礎的設計架構，稍加改變去因應不同的市場。多模單晶片大幅減低了製造商在面對全球市場時的設計成本。

博通（Broadcom）個人無線通訊事業部副總裁Scott Bibaud也表示，基頻和射頻整合進單一晶片中將是未來的趨勢。而其中一個關鍵的挑戰就是如何將RF整合到基頻中，如何在製程與效能上取得平衡，這是目前在技術上最為困難的地方。

如何將不同頻率的發射器放在手機上是一個很大的挑戰。

Bibaud表示，若一支手機上同時要有藍牙、FM廣播和Wi-Fi的功能，並且要求體積很輕薄，這時便很難在效能兼顧的前提下，去符合這些無線標準。而且在各種不同的操作模式中，還要確定頻率間彼此不會互相干擾。因此，無線發射器的整合是非常的困難，但博通已經克服了。

恩智浦（NXP）半導體個人行動通訊事業部業務發展與策略合作總監Michel Windal則表示，在所有成熟的無線技術上，基頻與射頻的整合是個現實的趨勢，它已經在GPRS的技術上實踐了，未來也將會在2008年時應用在EDGE技術上，而且預計在2010年或2011年的時候，會推廣至3G技術上。只有在一些新興的無線技術上，如HSPA、WiMAX或者LTE等，基頻和射頻才會以獨立的零組件運行。但這些技術也會跟隨著整合的趨勢，逐漸成為成熟並以單晶片執行的技術。

效能、雜訊比及電源管理是多模單晶片的設計要點

Windal則表示，多模單晶片主要的設計挑戰，首先就是如何去整合這些使用深次微米CMOS製程的精密類比電路，其次，則是如何在高速的基頻運作中，消除EMI的干擾，特別是在極敏感的類比電路中，這兩項要求是非常衝突的，通常越精細的電路雜訊也越多。

Windal指出，控制由深次微米技術所產生的靜電雜訊是最終要解決的障礙。在45或者32奈米製程上，漏電的問題非常大，這也導致靜電的問題成為較動態電流更需克服的議題。所以，精密的電源管理技術是必須具備的。他強調，NXP是從飛利浦所分割出來，因此具備許多先進的電源管理技術和類比設計經驗，而併購了Silicon Labs也強化了在單晶片設計的經驗。未來，晶片廠若不能整合這些多模技術，將很快會被市場淘汰，甚至在這個產業上消失。

《圖二　博通個人無線通訊事業部副總裁Scott Bibaud表示，基頻和射頻整合進單一晶片中將是未來的趨勢。》

高通CDMA產品管理資深副總裁Cristiano Amon認為，多模單晶片的挑戰包含如何去管理多模的頻率、多模的技術、以及單晶片裡不同層級的電源問題。此外，尺寸則是另一個挑戰。他表示，所有的客戶都不會希望因為採用多模單晶片解決方案之後，卻犧牲了體積，加上目前的手機市場趨勢，便是不斷的朝更薄更小的設計發展。此外，電源的消耗也是一大挑戰，系統商同樣也不會認同，採用單晶片方案卻犧牲了電池壽命和待機時間。靠著解決這些問題，高通的解決方案在市場上已具備相當的競爭力。

CSR台灣區總經理鄭元更表示，不同無線技術之間的並存，是開發多模單晶片所面對的主要問題，但這項挑戰的解決方案往往比較倚重軟體，而非硬體本身。不過，有時候其解決方法是將二種技術分離開來獨立運作，至少等到並存問題獲得解決。舉例來說，藍牙和Wi-Fi二者都是在相同的2.4GHz頻譜作業，雖然CSR晶片的干擾迴避技術能讓二者和平共存，但資料傳輸率的折損、甚至完全失去訊號等問題卻成為最嚴苛的挑戰。

但鄭元更強調，雖然效能與干擾間的衝突難以解決，但目前CSR已在藍牙和Wi-Fi二者的並存技術方面，取得較其他競爭廠商更佳的效能比。以54Mbps的無線基地台資料傳輸率而言，CSR的晶片能夠達到略高於12 Mbps的Wi-Fi資料吞吐效能，而競爭廠商則僅有6Mbps。

透過韌體、軟體與數位設計提升多模單晶片效能

雖然CSR是以單晶片無線硬體著稱，但該公司和手機客戶之間的成功關係並非只是建立在其IC之上，CSR的韌體和軟體也扮演非常重要的角色，同樣的理由也適用於如何在一個支援多重射頻的單晶片設計中。CSR有64％的研發人員從事軟體開發，而射頻共存技術向來是CSR的一個強項。

MIPS類比事業群IP無線系統事業的技術長暨執行副總裁Carlos Azeredo Leme則表示，現今SoC的整合水準越來越高，也可支援多種無線規格的應用，並且解決方案上也偏向數位導向的趨勢，以增加各規格的可調性，並提供更大的線路設計彈性。例如運用寬頻Sigma-Delta調變器 ，將大部分頻譜予以數位化再進行數位處理，就可在無線通訊或廣播系統像是電視或手機上選擇想要的頻道。而開發多模單晶片確實正面臨一些新挑戰，因為在奈米技術領域中，供電電壓與元件增益質的降低，使得類比與射頻線路要達到高效能較為困難。但若透過「以數位催生類比」的技術，使用數位補償技術，就可能改善類比的缺失。

市場開發率也是多模單晶片的設計考量

鄭元更表示，多模單晶片的另一主要挑戰是和開發率有關。雖然將多模技術結合到一顆單晶片的做法看似合理，但如果技術的採納或開發率不高的話，即可能變成反生產(counter-productive)。舉例來說，Wi-Fi已存在多年，成為PC與基地台的主要無線標準。不過，其他的行動裝置領域仍還沒有開始邁入廣泛採納。因此，從手機設計者觀點而言，將其他技術整合到一顆Wi-Fi晶片的做法並不符合效益，因為Wi-Fi連接性並不是一項特別「必須具備」的功能。

《圖三　恩智浦半導體個人行動通訊事業部業務發展與策略合作總監Michel Windal指出，多模單晶片主要的設計挑戰，就是如何整合這些使用深次微米CMOS製程的精密類比電路，其次，則是消除EMI的干擾。》

CSR發現要求Wi-Fi整合藍牙單晶片的客戶並不多，而客戶的需求必然促使廠商投入開發。有時候將二顆晶片結合到一個模組的方案也許是最好的方式，能夠為客戶提供遠優於某些已問市之單晶片產品的效能。尤其在功耗方面特別顯著，目前單晶片方案在讓藍牙與Wi-Fi並存的努力上並沒有達到理想的成效。

鄭元更指出，目前手機的藍牙普及率已達到約50%，且預期將在2010年達到60%。這個成果可能讓藍牙技術成為整合其他技術的一個連結中樞，特別是對於「目標連接率」相近的技術來說。GPS和FM發射器是CSR選擇嵌入在其最新BlueCore7 IC的二個主要技術，此二者都同樣屬於高需求的技術，能夠顯著受惠於藍牙的連接率，尤其是在不增加太多成本的考量之下。

具備簡化設計與降低物料成本的絕對優勢

多模單晶片固然在開發與設計上困難重重，但對於系統商來說卻是個靈丹妙藥，尤其在當前設計時程與製造成本承受嚴峻考驗的消費性電子市場上。恩智浦半導體Michel Windal表示，多模單晶片最主要的優勢就是減低成本、縮小產品體積及降低電耗。他指出，第一代的2G手機，約是在90年代的時候研所發出來，當時一支手機使用了約1000個零組件，手機的重量也有400公克左右。而當時的那些功能，現在只需要一塊跟郵票一樣大的PCB版就可以做到了，而且零件數小於20個，同時效能達到20至30倍以上，重量更是減輕至50克以下。

《圖四　 CSR台灣區總經理鄭元更表示，無線技術間的並存，是開發多模單晶片的主要問題，但這項解決方案往往比較倚重軟體，而非硬體本身。》

高通Cristiano Amon表示，透過多模單晶片，OEM客戶便可導入多模應用的市場。他們可以利用這些晶片組達成多模或者單模的應用，或者在單一的PCB版上，建立具有EV-DO標準的手機以符合北美市場需求，同時滿足UMTS標準的手機給歐洲市場應用，透過這個平台，客戶可以擁有很強大行銷策略來滿足手機製造需求。

而對終端消費者來說，多模單晶片則可以提供真正的國際漫遊體驗。以3G為例，如果你有一個UMTS的手機，而你將要到使用CDMA 2000的國家去旅行，那麼你就可以能進行UMTS到EV-DO的3G規格國際漫遊。另外一個優勢是消費者可在合理的價格上擁有智慧型手機的功能。

Amon強調，多模單晶片很明顯的解救了手機製造商成本和跨平台的問題，同時減低了國際漫遊需求的研發成本。

高整合設計也能加快產品上市時程

Amon表示，採用多模單晶片也會加快產品的上市時程。如果有更多的整合設計在晶片端被完成，手機製造商將能縮短設計的時程，因為PCB和手機平台的複雜性已經被減低，而單晶片也可以透過平台的再利用，進而減低設計時間，開發出新的平台。

Amon強調，我們並沒有看見製造商在採用多模單晶片時有特別的問題產生，我們只看見採用多模單晶片之後，設計變的更容易，系統需求更加豐富，同時上市時程也更短。我們只看見多模單晶片減少了許多的問題。

《圖五　MIPS類比事業群IP無線系統事業的技術長暨執行副總裁Carlos Azeredo Leme表示，開發多模單晶片正面臨一些新挑戰，但若透過「以數位催生類比」的技術，使用數位補償技術，就可能改善類比的缺失。》

鄭元更也認為，藉由提供結合多模無線技術的低成本單晶片方案，將可以協助工程師快速且輕易地結合必要功能，加速產品上市時程。同樣的，其先決條件是整合的品質，必須讓終端產品設計工程師能夠確保所有技術都能順利的運作，而且不會對功耗帶來負面衝擊。這意謂著工程師必須和一個知道如何將無線技術嵌入到高敏感行動電話生態系統的廠商合作。

鄭元更指出，單晶片解決方案並不是隨意採用，OEM和ODM廠商必須選對晶片廠才行，要選擇一家知道如何將無線技術嵌入到可攜式電池供電之行動裝置的晶片公司。同樣的，設計工程師應避免只是為了採用單晶片而選擇單晶片。

整合勢不可擋 多模單晶片前進高量產市場

由於3G標準的逐漸普及，使得支援GSM/3G的手機將大規模進入市場，加以越來越多樣化的無線應用將整合至手機中，因此，具備多模技術的手機和行動裝置將逐漸成為市場主流，並進一步邁入高量產市場。

Amon表示，目前高通的策略就是讓多模單晶片能夠進入高量產市場，而發展多模單晶片技術的目的也就是為了能在該市場取得成功，這便是發展多模單晶片的理由。

《圖六　CSR甫發表的第7代藍牙晶片BlueCore7，整合GPS和FM發射器。》

博通個人無線通訊事業部副總裁Scott Bibaud表示，目前GSM和GPRS已經是非常成熟的技術，且持續出貨至最高量產的市場上。博通預計在2009年至2011年時，EDGE將會成為最多量產的技術，而HSPA技術則會在2012年之後才會進入高量產市場。從一個的新手機設計觀點來看，這是一個全然不同的狀況。目前，新的手機設計通常是整合EDGE和HSDPA，或者是整合WCDMA，明年之後，則預期是以EDGE和HSDPA為主，包含少數的HSUPA設計，主要是在數據卡和PC上。

Michel Windal表示，自從手機世界變的越來越複雜，消費者也開始要求在使用不同的無線通訊標準時，能有無接縫的體驗，因此多模的裝置也變的越來越普遍。目前3GPP組織正在推動讓LTE、3G以及2G之間能有整合的空間，且美國的Verizon已經決定讓其CDMA 2000的網路與LTE共同運行，因此其合作的晶片商也將會發展此種CDMA 2000與LTE特殊的雙模晶片。一些新興的電信營運商則非常有興趣發展3G和WiMAX的整合服務，但當他們的使用者脫離了WiMAX的熱點之後，他們的行動電話也將無法使用，這是無法被接受的，因為使用者是預期可以持續的使用。基於這些發展，多模單晶片的市場將會快速的擴張。

無線晶片廠枕戈以待 搶攻多模應用市場

高通--整合3G多模實現國際漫遊體驗

《圖七　LTE與3G多模整合的單晶片將是高通下一階段的產品》

去年11月，高通推出了QSC系列的產品，該產品是第一顆3G的多模單晶片，該晶片具備2G和3G模式的UMTS plus GSM規格，同時也支援3G和3G多模的CDMA 2000 EV-DO及UMTS/HSPA標準，這些都是目前市場上唯一具備的功能。此外，高通也堅持發展多模單晶片，自早期整合GSM標準實現國際漫遊開始，不同的是，高通的多模單晶片不僅整合2G和3G，同時整合3G和3G多模標準。目前使用高通多模單晶片的產品還沒有正式的在市場上銷售，仍處於研發的階段，但不久後就會有採用該解決方案的產品進入市場。

Amon表示，高通的多模單晶片具備許多獨一無二的特色。他強調，對任何新技術來說，能夠產生益處。比新增一項功能或把網路帶進手機中更重要，就像數位手機同時支援數位和類比技術一樣。高通在發展多模的技術上已有很長的時間，同時也是這個領域的先驅。

博通--提供HSUPA基頻 整合多模RF

目前所有的博通基頻晶片組都支援GSM標準。以博通的HSUPA基頻晶片BCM21551為例，該晶片支援HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS 及GSM標準，能讓電信商發展更有效率的數據網路，如透過部署HSDPA技術來加速在都會區的網路頻寬，或者部署EDGE來針對郊區的需求。此外，BCM21551單晶片的HSUPA基頻處理器，允許使用者在手機上進行每秒7.2MB的下載，及每秒5.8MB的上傳，並整合了完整的RF功能。而這是今日許多典型的多模裝置需要利用外接設備才能達成的。這些外接裝置還會消耗更高的電源、佔據機版空間，當然也會增加成本。

Bibaud表示，博通已經整合了完整的RF功能，並透過65奈米的CMOS製程，將電耗大幅降低，此外整合了HSUPA的基頻功能，這是前所未有的技術。博通並整合了強大的多媒體功能，允許設計者執行其他的高階應用。

NXP—2009年推出整合EDGE的多模單晶片

自收購Silicon Labs的Aero收發器、AeroFONE手機單晶片與功率放大器產品之後，NXP也具備了多模的產品線。其Aerofone 4901/4902 單晶片便是自Silicon Labs轉移的GSM/GPRS多模產品。4901是將電源管理單元(PMU)、電池界面、充電電路、數位基頻、類比基頻和射頻收發器整合至單一CMOS元件的解決方案。而4901主要是為新興市場所開發的手機單晶片，這類市場需以功能精簡和高功能整合來降低系統成本。

Windal表示，NXP預計將在今年稍晚推出整合EDGE應用的單晶片「Aerofone 4910」，預計將在2009年進行量產。

CSR—以藍牙為中心連結其他無線標準

鄭元更表示，行動電話包含三個價值中心：基頻晶片、應用處理器和無線連結中心。藍牙是現在最成功的短程無線技術，預期2010年的手機搭載率將超過60%。CSR也將以藍牙技術為中心，把更多無線技術整合到藍牙子系統，為設計者提供一個強大的連結中心，協助他們為終端產品增加功能而不用擔心影響尺寸設計或物料清單成本。透過CSR在手機內實現的連結價值中心，將能提供一個整合新技術的理想目標。

MIPS—開發多模WiMAX/WLAN射頻收發器

MIPS收購了類比IP供應商Chipidea後，使MIPS成為全球第二大半導體設計IP公司和第一大類比IP公司，並獲得了RF晶片設計的IP供應能力。Azeredo Leme表示，基本上來說，任何一種應用領域都適合採用多模SoC。MIPS能提供多模行動電視調諧器與雙模GPS/Galileo射頻接收器解決方案，這些解決方案也已推出一段時間了。而MIPS現在正在進一步開發多模WiMAX/WLAN射頻收發器。

結論

在整合趨勢的帶動下，晶片設計朝向單晶片發展是無庸置疑的方向。同樣的趨勢也會顯現在無線通訊晶片上，而依照目前的發展情況來看，無線頻段的應用與區分只會更加複雜，這也考驗著晶片商的市場智慧與研發能力，誰能整合出最具市場潛力的技術，同時提供優異的產品效能將成決勝點。而對系統廠而言，多模單晶片解決了其設計時程與物料成本問題，讓他們可以把更多的注意力放在消費者身上，未來，誰能早一步洞悉消費者需求便是贏得市場的關鍵所在。