尽管语音仍是消费者使用移动电话的主要功能，但纯语音手机的时代已经过去。目前的3G手机已具备彩色屏幕、游戏、音频、视讯、相机、蓝芽、GPS、无线网络、高速广域数据服务和其它先进功能的多媒体系统，功能比纯语音的2G电话复杂程度高达5至10倍，应用处理需求的成长幅度更是惊人。

即便如此，消费者仍期望这些新功能是由外形精巧且价格合理的手机提供，电池寿命至少不能输给消费者早已熟悉的精简型手机。研究显示消费者不愿接受通话时间少于两小时的手机，而且体积精巧的手机能具备更大的屏幕。这些的要求已对手机零件供货商形成莫大压力，迫使他们得积极将各种电子零件整合在一起。系统级封装 （System-in-Package；SiP）和系统单芯片（SoC）是能够满足这些要求的方法。系统单芯片能减少所需的电路板面积、节省系统成本并降低耗电量，广为无线通信制造商及半导体组件供货商所采用。SiP封装则能将采用不同制程技术的半导体组件整合至单一封装，移动电话目前已经开始采用这种封装技术。

以上两种方法各有优缺点。本文将说明手机组件整合的技术挑战，同时探讨在整合内存、模拟功能和射频电路至手机时，SiP封装和系统单芯片之间的取舍为何。

《图一 嵌入式DRAM不符成本效益的系统单芯片整合例子》

内存整合

移动电话处理器需要容量大的RAM内存支持处理器核心运行，让处理器的等待时间减到最低。这表示芯片必须包含足够的第一层和第二层高速缓存，让处理器核心的管线随时保持忙碌状态，避免执行过多的外部存取动作。

为了大致了解系统单芯片应用所需的内存容量，我们不妨以功能丰富的2.5G手机应用为例，这类应用最多会有16MB（128Mb）的NOR闪存以及同样容量的NAND闪存和DRAM内存。这么庞大的内存容量并不适合嵌入式解决方案，因为它们会占用很大的空间，对于电路板面积和成本也有负面影响。

手机应该将内存内建至芯片或使用外部内存，关键就在于嵌入式解决方案提供的价值是否超过芯片整合内存的成本。这表示任何嵌入式解决方案都应从架构的角度来发挥功能整合的优势，譬如需要极高内存带宽的绘图等应用就是很好的例子，满足这类需求的最佳方法是使用很宽的内存总线来提供所需的额外带宽。这类应用的总线宽度可能是256或512位，只不过这种总线宽度对外部内存并不切实际，唯有芯片内建内存才有实现可能；换言之，嵌入式内存解决方案除了降低成本外还能提供许多其它优点。

整合式芯片的制程复杂性若远超过独立芯片，系统单芯片的整合就不符成本效益。以(图一)所示的6LM逻辑芯片和3LM DRAM芯片为例，假设它们的面积皆为50平方毫米，光罩层数都是26层，那么它们以光罩层数表示的总成本就等于100平方毫米乘上26层光罩，也就是2600光罩平方毫米。但若将逻辑功能和DRAM芯片整合在一起，光罩层数就增加为32层，使得成本上升23％而达到3200光罩平方毫米。这是大多数系统设计都无法接受的成本增幅。

系统单芯片内存整合还会延误上市时间，因为若要嵌入某种制程技术，就必须在其CMOS版本发展完成后另外投入9到12个月的研发时间。这表示复杂的嵌入式内存解决方案要等到标准CMOS实作完成后大约一年才会出现。

SiP封装是解决嵌入式内存困境的一种低成本解决方案，例如堆栈晶粒SiP封装的体积就和系统单芯片解决方案相同。这种封装技术会在系统单芯片逻辑组件上方堆栈一颗或多颗内存晶粒，然后用低成本的打线接合（wirebond）组装技术，将这些晶粒连接在一起，再将它们封装到低成本的芯片级BGA封装。(图二)就是打线接合式堆栈晶粒SiP封装的显微照片。

《图二堆叠晶粒SiP封装的打线接合情形》

堆栈晶粒不会增加高效能CMOS通讯处理器的制程复杂性，又能利用最具经济效益的商品内存，故能兼具系统单芯片和SiP封装的优点。堆栈晶粒通常不需要客制芯片，这对加快新产品的上市时间极有帮助。堆栈晶粒还能往垂直方向而非水平方向扩充，因此它能整合到小型封装以满足电池供电的消费产品需求。

模拟和电源管理整合

模拟和电源管理功能目前多半采用模拟制程技术，和数字基频芯片所采用的深次微米CMOS技术有很大区别。深次微米CMOS技术若能在不增加制程复杂性的前题下实作模拟和电源管理功能，系统单芯片就能为模拟和电源管理功能的整合提供一条低成本路径。

数字CMOS的低电源电压是利用数字CMOS技术实作高速和高精准度模拟功能的最大挑战，其它限制还包括小型组件匹配不良、1/f噪声过大以及电阻、电容和变容器等芯片内建的多半被动零件无法提供良好的模拟特性。受到这些影响，设计人员通常无法将现有模拟功能直接复制到数字CMOS制程，他们必须将整个系统重新优化才能发挥CMOS的制程优点，同时发展新架构以利用低电压和低成本数字逻辑的好处。在多数情形下，这些架构早已为人熟知，但在低电压下的优缺点却各自不同。

《图三 优化设计范例》

(图三)是设计在优化的例子，其中12位Δ-Σ模拟数字转换器充份发挥90奈米CMOS制程技术的逻辑和高速开关能力，这类转换器的高分辨率和采样率能让系统以数字方式执行更多的无线电信道讯号处理作业；相较于依赖模拟技术的设计，数字处理更能增加弹性并降低成本。

越来越多电源管理功能采用分布式设计，低功耗应用尤其如此，因为它们要让闲置中的逻辑功能和内存进入待机或休眠模式以节省待机功耗。设计人员通常只要利用开关组件启动或关闭逻辑电路方块即可实现这类电源管理功能。此外，芯片内含的本地稳压功能也很重要，它们大都由芯片内建的低压降稳压器提供。设计人员通常要让电路在电压高于Vdd的位置操作，才能设计出电压很接近Vdd的低压降稳压器或启动某个开关，达成这项要求的方法是使用Drain Extended（DE） CMOS晶体管，它能让汲极电压高于正常MOSFET晶体管的BVdss电压。

过去几年，模拟和电源管理功能的深次微米CMOS制程实作已有极大进步，手机所需的许多模拟功能目前都能以低成本利用深次微米数字CMOS技术完成设计，让系统单芯片整合与数字基频芯片成为最佳搭档，为模拟与电源管理电路的结合提供一条绝佳路径。

《图四 现代GSM无线电常用功能的高阶方块图》

无线电整合

目前的手机无线电必须面对许多严苛的效能要求。必须在充满强大干扰源的环境里接收强度只有几微伏的讯号、产生高输出功率（约30dBm）来驱动天线，以及为手机所含的多种无线电功能提供最佳的隔离效果；此外，无线电设计还需要精确的高频滤波，讯号路径上的所有电路也要良好匹配。这些要求让无线电整合变成一项艰巨的挑战，无线电功能究竟应该选择SiP封装或系统单芯片也成为一项困难决定。

(图四)是现代GSM无线电常用功能的高阶方块图，其中的无线电接收器功能包含将数据讯号升频和降频转换到传送频带所需的小讯号射频电路，功率放大器模块则会将收发器输出讯号放大以产生适当功率的输出讯号来提供可靠传输能力。前端模块通常包含射频讯号开关功能（负责分开时间多任务的传送和接收讯号）以及由SAW组件担纲的射频讯号预选滤波器（还有其它多种模块功能分割方式）。采用全双工无线传输界面的CDMA等移动电话标准也采用类似的功能方块图，只不过它们会以双工器取代原来的开关功能。

图四两个很大的椭圆形代表无线电功能的可能分割方式。第一个标示为SoC的椭圆形，代表射频收发器与基频处理组件的整合方式，第二个椭圆形则说明SiP封装技术如何将收发器与功率放大器和前端功能整合在一起，创造出功能完整的模拟无线电模块。将模块技术用于无线电功能是目前极为常见的做法，产品手机使用功率放大器模块和前端模块也已好几年。模拟功能通常需要匹配电路做为它们之间的无线电讯号界面，这表示无线电设计必然会用到各种被动零件，此时较好的设计方法是尽可能将被动组件整合到功率放大器模块和前端模块。设计人员通常会将功率放大器和前端功能分为不同的模块，避免功率放大器产生的热量造成SAW滤波器的热稳定性恶化。现在也有许多设计将所有无线电功能整合为单一封装。

下文也将讨论SiP与系统单芯片用于射频电路实作的优缺点，同时说明无线电收发器最好是透过封装技术与前端模块和功率放大器模块整合在一起，或者应将收发器与基频处理组件整合至同一颗芯片。

SiP封装可以使用传统的模拟射频收发器，因此不需要新的收发器架构或特殊的半导体技术。这种无线电收发器功能早已成熟，而且除了焊垫配置和组件长宽比等模块整合有关的布局考虑外，SiP整合过程几乎不会有任何困难。但利用SiP封装整合收发器对于系统整体的改善却没有太大帮助，这是由于电路板面积虽可能缩小，耗电量却不会降低，而且系统总成本还可能增加。

利用系统单芯片技术整合无线电收发器时，最常见的做法是透过深次微米CMOS技术把这些功能整合成单颗芯片。另一种方法是采用BiCMOS（SiGe）晶圆制程，这种技术可直接实作传统无线电架构，只不过SiGe晶圆所需的额外光罩会造成系统逻辑功能和内存成本升高，SiGe制程缺少的先进微影技术支持也会导致逻辑功能占用更多芯片面积。除此之外，传统无线电架构还会导致系统逻辑与无线电功能无法紧密耦合，因此BiCMOS或SiGe制程的单石整合并不是理想方式。

根据上述分析，无线电收发器的系统单芯片整合必须透过CMOS技术达成。还好深次微米CMOS晶体管提供非常良好的射频效能，又能轻易满足整合式收发器的设计需求，例如同时提供低噪声系数和高转换频率（transition frequency）。但传统射频收发器设计不仅会用到许多模拟组件，还需要高效能被动零件，这些要求使得这类采用CMOS制程技术的设计需要执行更多制程步骤才能制造出所需的电阻、电容和电感。

深次微米逻辑制程提供极大的逻辑密度和很高的频率速度，设计人员当然想透过系统单芯片发挥这项制程技术的优势。这表示虽然他们可能要针对深次微米CMOS制程发展新的无线电架构，但此制程也会带来许多重大好处，其中最重要的就是随着CMOS晶圆制程技术进步而导致开关速度加快，这些组件也能提高它们的采样率。输入讯号超取样能减少噪声迭频现象（aliasing）和放宽输入电路设计要求，设计人员可以采用更复杂的滤波技术，并且在更靠近天线的位置执行模拟数字转换。除此之外，系统单芯片整合也能提高系统生产良率，这是因为将有更多的功能改由逻辑电路实作，不像模拟射频电路会受到参数良率损失的拖累。采用更精密的先进制程技术设计无线电功能，还可以减少电路板空间和硅芯片面积。

(图五)所示的GSM装置就是采用整合式收发器，这个射频收发器功能占晶粒总面积还不到一成。这个设计就能以极低的成本、耗电量和电路板面积提供完整的GSM兼容性。

《图五 采整合式收发器之GSM装置》

结论

采整合式收发器之GSM装置

对于复杂度与3G手机相同的系统，结合SiP封装和系统单芯片技术或许是最理想的实作方式。例如系统单芯片整合可能需要执行额外光罩步骤才能完成系统内存实作，因此成本效益就不如SiP晶粒堆栈技术。但另一方面，采用CMOS技术的系统单芯片整合，却能实作高效能的模拟数字转换器和数字模拟转换器以及强大的电源管理功能。

射频整合则以SiP与系统单芯片的混合搭配最理想，其中功率放大器、SAW滤波器、射频开关和相关被动组件可用SiP模块实作，采用深次微米CMOS制程的系统单芯片整合则能为射频收发器功能与系统基频功能带来许多优点。射频功能的系统单芯片整合不但能减少功耗、成本、电路板面积和测试成本，并可提高效能、手机可制造性和生产良率。

[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004＞

未来智能手机的电源管理技术 （作者任职于TI德州仪器）如果说IT（Information Technology；信息技术）界要颁发最速黯淡奖，那么笔者可能会提名InfiniBand，理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草，2000年正式 发表，之后主力业者纷纷退出。 这一全新的平台将大大降低半导体厂商在开发3G SoC解决方案时的工程难度并加快产品上市时间。TTPCom将向半导体厂商提供一套集成了基于ARM技术的子系统以及TTPCom的多制式3G基频的解决方案，帮助半导体厂商以更快的速度、更低的费用以及更小的风险。InfiniBand：还会有多少人想起我？ 3G 聚焦你可在「 诸如JPEG、MPEG、3G、GSM/EDGE、IEEE 802.11/a/b/g WLAN、蓝芽和UWB等标准，都是现代电子产业获得商业成功所必需的。本文讨论电子系统级（ESL）设计和验证方法学在系统单芯片（SoC）设计中的应用。 」一文中得到进一步的介绍。 在SoC设计中采用ESL设计和验证方法 在「 核DSP最重要的应用领域之一就是3G数字移动通信。其中包括基站和移动终端两方面的应用。基站所使用的DSP更注重高性能，对成本和功耗不是非常敏感。」一文为你做了相关的评析。

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