过去十年，移动电话设计工程师利用不断提高的组件技术，将越来越多功能整合至精巧、轻薄又低成本的手机；总体而言，他们会根据适合某些特定功能的半导体技术来制定其整合策略。高效能BiCMOS、硅锗和砷化镓已成为无线电的标准制程技术，模拟特性良好的高电压晶圆制程也为模拟和电源管理领域所采用，高密度逻辑和特殊内存技术则被用于数据处理功能。

1990年代，虽有部份手机提供模拟（AMPS）和数字调变支持，但绝大多数产品都是使用800～900MHz附近的单一频带，因此这种技术导向策略还可以满足无线设计工程师的需求。到了90年代末期，双频手机已变得很普通，多模手机也开始出现，这种手机可以支持一种以上的多任务存取技术。蓝芽、全球定位系统、无线局域网络和多模无线功能的整合已成为当前主要挑战，由于必须支持的空中传输界面（air interfaces）大幅增加，复杂性又跟着升高，利用这些技术发展的应用也对于高效能数据处理有了新的要求。

随着手机朝向多媒体通讯装置不断演进，OEM厂商是否能依赖半导体整合技术，发展功能规格独特的各种产品？技术导向策略能否带领产业迈进真正的系统单芯片手机新时代？本文将探讨这些问题，我们会讨论技术导向整合（technology-based integration）的限制，并介绍目前可供使用的另一种替代策略──功能导向整合（function-based integration）。

技术导向整合

今天的手机，如(图一)所示，都包含高效能无线电路，以便处理来自不同频带的无线电讯号，包括GSM使用的800MHz频带以及蓝芽和无线局域网络的2.4GHz ISM频带。手机的电源管理必须提供远超过电池电压的高电压支持，避免充电过程可能造成的损害。手机还需要模拟电路，负责提供高质量音频信道以及射频讯号的模拟／数字以及数字／模拟转换。极高效能的逻辑和高密度内存也不可或缺，这样才能处理基频讯号、执行通讯协议和支持用户应用，例如游戏、视讯、音乐和定位服务。

《图一 手机主要功能方块与使用制程》

＜注：藉由制程技术整合的重要手机功能，其中每种颜色代表不同的技术。由于不兼容的制程技术无法结合至单颗芯片，因此整合度很难继续增加。＞

就晶圆制程而言，最直接的方法或许是把制程技术相近的电路整合至相同组件。明显的，这种方式将会得到多颗组件，包括采用硅锗制程的射频界面组件，负责提供多频带和多模无线电功能；采用模拟CMOS制程的模拟／电源管理组件，负责提供整个系统的模拟和电源管理支持；以及一颗大型逻辑组件，负责满足整个系统的处理器、逻辑甚至是内存需求。

过去几年，手机设计人员和芯片制造商就是采取这策略，但却会受到某些限制，无法满足不断进步的业界要求；举例来说，组件之间需要数量庞大的界面来容纳各种讯号连接。另一方面，由于无线电、模拟、电源管理和逻辑功能分属不同组件，因此无法透过逻辑处理和无线电前端的整合来降低功耗或减少外部零件数目。

此种方法缺乏弹性，对OEM厂商是非常重大的缺点；举例来说，若因为无线电路采用类似的晶圆技术就把它们整合在一起，所有手机就会包含同样的固定功能，但厂商却可能只想生产功能有限的低阶手机，例如仅支持GSM和蓝芽而不提供无线网络功能，此时就必须略过组件提供的某些无线电路。更严重的是，随着某些新技术出现，OEM厂商或许必须增加无线电功能，才能确保自己的竞争力；但许多情形下，这种发展不但迫使厂商必须修改整合式无线电组件，甚至整个系统都必须重新设计。

这种策略的最大缺点在于它必然会走到整合的瓶颈，因为随着市场继续朝向真正的系统单芯片发展，不兼容的晶圆技术终将无法进一步整合，此时唯有对系统进行大幅修改，改变零件使用的晶圆技术，才能把无线电、逻辑、内存、模拟、电源管理和数据处理功能全部整合至相同组件。

功能导向整合

要克服这些限制，就需要全新的整合策略，它必须不同于许多半导体设计人员过去已经采用、目前也仍在遵循的策略。最有希望的新方法是：功能导向整合。

简单的说，这种策略会把特定功能所需的全部电路整合至CMOS硅芯片，例如在单颗芯片上面制造完整的四频带GPRS收发器，包括所有的基频模拟和射频功能。GSM模块包含GSM通讯所需的全部无线电、逻辑、模拟数字转换器、数字模拟转换器以及其它电路；同样的，厂商也可发展单芯片解决方案以支持蓝芽、无线网络和全球定位系统。

这种整合方式提供许多优点。首先，它克服了技术导向策略固有的界面复杂性和电源管理问题，每颗组件的逻辑和无线电功能都能紧密相邻，使得数字处理的优点也能用于无线电功能，进而减少功耗和面积。讯号处理链的所有讯号界面都会整合至组件中，使得组件接脚数保持在合理水平，易受干扰的外部电路也会减至最少。

由于这些功能全都整合至单颗组件，产品的提供将变得模块化，各种规格的手机也可轻易实现，不需要额外成本，也不会造成功能的浪费──每一种产品设计都只会包含它们真正需要的功能。

最后则是把多颗功能整合组件结合在一起，成为完整的系统组件；基本上，只要出现够大的市场，确保厂商投资得到合理利润，这个整合步骤就会变得很平常。等到支持CMOS功能整合的必要技术出现，厂商就不再需要任何新的基础技术。

《图二 单芯片解决方案》

结论

数目庞大的复杂空中传输界面和晶圆制程技术，再加上先进的应用处理，使得手机的功能整合成为困难挑战；另一方面，数字射频之类的新晶圆制程和设计技术却可将模拟和无线电路以及数据处理功能整合至量产型的低功耗CMOS组件。这些技术让功能导向整合策略得以付诸实行，由它解决技术导向策略的缺点。

透过功能导向整合，厂商很快就会推出各种手机，由它们提供空中传输界面和用户功能的不同组合。随着电子零件整合度不断提高，厂商会以此为出发点不断寻找销售量庞大的各种市场，以便将最佳功能组合进一步的整合至单颗硅芯片。

（作者任职于TI德州仪器）