CTIMES- 量身整合的SoC應用設計 :SoC,TI,德州儀器,德儀,一般邏輯元件

每天都很羨慕那些在大螢幕電視市場的同行，無論他們正在發展的顯示技術是數位光源處理（DLP)）、電漿、發光二極體（LED)）、液晶顯示或其它新技術，其螢幕尺寸總是越來越大，產品與電源插座的距離也絕不會超過六英呎。可攜式產品市場雖也在追求更完美的顯示能力，卻必須克服兩項令人困擾的限制。首先，必須在可攜式產品日益精巧的前提之下進行設計；其次，產品只能使用一顆電池，而且電池體積也在不斷縮小。

得隴望蜀是人的天性，滿足體積和電池的要求後，客戶又希望可攜式產品提供更豐富的功能，將不同技術全部匯集到一部可攜式裝置。

行動電話是最明顯的例子，除了PDA和全球定位系統功能，現在又可以拍照和錄影。很快地，就會看到手機照相的品質大幅改善，錄影畫質的進步將更令人驚訝。功能匯聚的腳步不斷加快，新款手機還將提供無線網路和VoIP功能。同時，數位相機也不願意在這場技術匯聚的競賽中落後，它們會加強拍照和錄影畫質，同時增加相片編輯和無線網路等功能，如(圖一)。所有這些發展都代表一件事：可攜式產品必須在精巧的機身內執行更龐大的處理運算。

單晶片整合目標

不久前，大部份數位相機無法維持長時間的電池電力。離散式系統單晶片的功能整合特性徹底改變了這個現象，只要把某些處理功能整合至獨立晶片組後，產品效能立刻大幅提升，功耗則變得更低。

數位攝影機就是其中一個例子，不僅要執行音訊和視訊的編碼及解碼，還必須壓縮和解壓縮資料以保留儲存空間。2000年時，典型的數位攝錄影機需要八顆晶片執行這些功能：中央處理器、MPEG-2編碼、MPEG-2解碼、音訊編碼、音訊解碼、視訊編碼、視訊解碼和電視調諧器。到了2004年，系統單晶片整合已將晶片總數減少為四顆，同時增加了更先進和更有效率的MPEG-4與H.264壓縮機制(圖二)，並將中央處理器加入晶片組，大幅減少匯流排資料流量和元件佔用面積。從2000到2004年，消費者對於新產品的反應非常好，數位攝錄影機的銷售量也大幅攀升。

數位攝錄影機的例子有助於瞭解晶片整合在單一技術範圍內能做到哪些事情。但在另一方面，把多種技術匯聚到單一產品亦會帶來許多獨特的挑戰。

要將射頻訊號轉換成數位訊號，電晶體的單位增益頻率（Ft）必須是類比頻率範圍的十倍左右，這表示Ft至少應為24 GHz。直到不久前，數位製程還很難達到這麼高的效能，然而半導體製程的不斷進步已經改變這個情形，例如90奈米技術已能在合理成本下將Ft提高至100 GHz左右。

隨著將更多技術匯集到可攜式產品，離散式系統單晶片的應用將日益廣泛。例如我們可以參考離散式系統單晶片，把系統單晶片的概念應用到系統設計的多顆晶片，等到進一步整合的時機成熟後，再將這些元件整合成一顆晶片，然後把省下來的電力提供給更新的顯示器。

多小是太小？

關於可攜式產品的螢幕，唯一能確定的是彩色螢幕已成為業界標準，其它事情則仍在未定之際，目前也無法判斷哪些解析度、基板材料和顯示器類型（發光式、反射式或背光照明式）會成為市場主流。在試圖澄清這些疑慮之前，必須先回答一個更重要的基本問題：對於擁有先進繪圖功能的可攜式互動裝置，多小才算是太小？

許多產品在這方面已走到相當極端，例如有些行動電話已不能算是「掌上型」產品，稱之為「指尖型」手機或許還比較恰當。它們的按鍵很小，需要語音命令做為輔助；若用戶所處環境不適合使用語音命令，就要以筆尖或指尖來撥號。不幸的是，由於這些產品實在太小，要看清楚螢幕內容其實並不容易，簡單的文字和數字資訊或許還能分辨，高畫質彩色圖片就完全不行。就這點來看，這些超小型裝置對於使用者其實非常不方便。

PDA卻必須面對截然不同的困境，其螢幕大小很適合顯示高畫質圖片，但卻得犧牲整個鍵盤。第一代使用者或許能接受以觸控筆作為唯一的輸入裝置，但是大眾市場消費者能否接受則是另一個大問題；當然，使用者可以加裝摺疊式輔助鍵盤，但這就失去了「口袋型可攜式產品」的意義。

既然手掌和口袋的大小短期內不太可能改變，最適合大眾市場的高畫質螢幕尺寸大概就只能介於PDA和指尖型手機之間。

新的世代

關於產品體積的所有論點都有個前提：廠商會繼續生產可以放進口袋或夾在衣服上的全配備多功能可攜式裝置。然而隨著無線網路功能日益普遍，必須開始考慮將螢幕和裝置本身分開的可能性。新一代技術很可能包含某種頭戴式微型顯示器，並由穿戴式數位處理器為其提供無線連結功能。

目前的微型顯示器技術包括矽基液晶（Liquid-Crystal on Silicon；，LCoS）以及矽基有機發光二極體（Organic Light-Emitting-Diode on Silicon；，OLEDoS）。LCoS顯示器成本很低，但由於它不是發光技術，所以需要額外的照明光源，這會抵消部份的成本優勢，整體耗電量也會增加。OLEDoS則是一種電激發光技術，能自行發光，正面觀看時的亮度也很高。

所有NTE微型顯示器都需要形狀類似眼鏡、護目鏡、遮陽帽或頭帶之類的頭戴裝置（除非該顯示器是由手拿著放在眼前）。雖然頭戴裝置對於吸引消費者好像是個障礙，但不見得會比畫面都看不清的指尖型裝置螢幕更糟。

解決這些顯示器問題的最佳方案其實很明顯，只要把所有I/O功能從裝置本身移到人腦即可。這聽起來好像很瘋狂，實際上卻不如想像的那麼遙遠，人工電子耳就是很好的例子，這類助聽裝置會以磁性方式把數位資料透過皮膚傳送給電子耳蝸，由它將磁性訊號轉換回電子訊號，然後送到神經末梢。除了人工電子耳，同樣的科技進步也出現在視覺器官。雖然這類裝置尚未在市場上出現，但系統單晶片將來肯定是這類解決方案的主要元件。

消費者的忍耐極限

目前無法確定技術匯聚是否為發展趨勢，或者只是在回應市場的需求和期望，但是可以確定的是消費者想要更好的相機以及更好的視訊、VoIP或無線網路功能，而且他們已經沒有多餘的口袋來放另一部裝置，因此合理的想法是設計一部多功能產品，把消費者想要的功能全部匯集其中。

然而也有些相反訊息指出把所有技術匯集到一部裝置不見得是好事。例如擁有家庭劇院系統的消費者可能就擁有十幾個遙控器，各種設備背後的線路加起來超過五英哩，這些機器不但用光了所有插座，打開電源時還會使得屋內燈光變暗；照理說，擁有這類家庭劇院的消費者應該最容易接受匯集所有技術的超級多功能產品。

匯聚各種功能的裝置確實能解決連接線路的困擾，功能設定也很簡單，但有多少消費者真的想買一部擁有環繞音效的電視／個人電腦／無線網路／纜線數據機／DVD／CD／錄影機和控制這部超級多功能機器的遙控器？顯然有意願的人不會太多，這是因為消費者喜歡有所選擇，但是這種超級多功能產品留給消費者的選擇空間其實相當有限。

有趣的是，同樣的這群消費者，卻很樂於承擔他們的PDA照相手機故障後所可能帶來的諸多不便；事實上，許多消費者都是在手機沒有故障的情形下更換新手機，因此這場技術匯聚競賽的主要挑戰就在於找出消費者所能忍受的極限。 – 就像前文文章前面所提到關於產品體積應該縮小到什麼程度一樣，必須找出消費者對於把多種技術匯聚到單一產品的忍耐上限。

可攜式裝置的量身訂製

人類只用了幾十年的時間，就從數以千計使用者共享一部大型主機的世界跨越到人手一部電腦的時代，同時也變得非常依賴電腦協助處理個人事務。當使用者我們借用其他人的桌上型電腦時，對方在同意之餘多半會加上一句：「不要改變我的設定值。」但若我們借用別人的PDA，對方大概會很直率地拒絕。目前消費者我們正在進入一個新時代，會消費者把自己的電子產品當成是個人的延伸，無論這些產品是螢幕保護程式、獨一無二的手機鈴聲或是很特別的開機和關機音樂，消費者的設定值已成為展現自我的個人宣言。

消費者賦予電子產品的新意義會對晶片設計人員產生巨大影響，例如未來市場研究可能顯示當消費者考慮購買匯集多種技術的可攜式產品時，他們所要的只是把手機、相機和PDA整合在一起。廠商若能率先把不同技術量身整合到單一產品，他們就會為市場帶來驚天動地的變化。結果究竟是難以想像的龐大利潤，或是無法承擔的巨額虧損，端看他們提供哪些組合給客戶選擇。 – 這也正是在這個領域裡，系統單晶片技術所擁有，無窮的應用潛力。

隨著系統單晶片功能不斷增加，成本又持續下降，設備製造商發現他們已能利用匯集數十種技術於一身的單晶片開發新產品，再於銷售過程中根據消費者的喜好和預算啟動其中部份功能。到目前為止的討論都集中於行動電話和數位相機，但在如此龐大的市場規模下，系統單晶片發展必然會把消費應用、醫療和工業技術整合至同一顆晶片，其可能性真是無窮無盡。

未來幾年是可攜式產品業者的關鍵時刻，顯示技術會重新洗牌，技術匯聚會廣泛應用，對於產品的需求更將一飛沖天！

（本文作者為TI首席科學家暨半導體事業群數位信號處理業務發展經理）