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Bluetooth在半导体解决方式的进展与障碍
 

【作者: 吳秉思】2001年06月01日 星期五

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Bluetooth在产品规划上的一大诉求,就是在规格上订定得比较宽松,使CMOS着程亦能适用,而能降低晶片制造的成本,方能在2002年左右降低至5美元的水准,进而能以低价刺激市场。此一构想的大方向是正确的,但至今为止,Bluetooth在晶片组的开发速度,亦正如其标准的相适性出现同题一般,而远不如预期地快。


晶片组量产时间延后至2001年下半年

业界对Bluetooth进展的憧憬是比照相对于PC的标准,只要能引进较尖端的制程,就可以达到成本低减的目的,进而在短时间内促使市场普及。依Bluetooth五大发起成员之一的东芝之预测,2002年出货量可超过一亿个,2003~2005年分别可达3亿、6亿和11亿个的规模,应是业界史无前例在短期内发挥最大量产的产品。


若以真正基植在PC平台而发展的高速介面USB为例,其价格与技术障碍都远较Bluetooth为低,但对PC及其周边的渗透速度都无法一蹴可及的事实作判断,上述Bluetooth的市场预测的确有过度膨胀的现象。 Bluetooth的规格虽不严苛,但业界在2.4GHz RF开发经验不足,导致开发进度不如预期的顺利,最早业界评估将比原预期的实用化时期,从延迟半年再延后半年。


以晶片组为例,原估计在2000年下半年便可大量出货,实际上大部分业者的量产计划已延至2001年下半年。至于,最高境界的单晶片(RF、基频和Flash整合为一),最快要到2002年上半年或2002年下半年,方会迈入量产阶段。


实际的性能要求比原估计的大

业界当初在评估Bluetooth的技术开发,的确存在过分轻视的态度,如对MPU的处理能力要求。原本最小的讯号接收灵敏度定为-70dBm,后来发现并不够用,提高至-80dBm,遂而得更改部分的架构,如MPU处理能力加强,Flash容量跟着提高,于是设计和制程都得更新,惟RF的处理不若逻辑产品那么单纯,整个调整过程非常繁琐。这正是部份业者会在初期采用二晶片,甚至三晶片方式的原因,以减少上述不明确变因造成的开发障碍。


Bluetooth晶片组通常是由RF、基频和Flash记忆体三大晶片组构而成。这三颗晶片在功能上、设计和制程上的要求差异性极大,各业者均各自有独特的解决方式,以达到减少成本或提高性能等不同的目的,做为市场导向的区隔因素。投入Bluetooth开发的先趋业者大致上可以Agere Systems(原Lucent微电子事业部)、Cambridge Silicon Radio(CSR)、Philips、National Semiconductor (NS)、Silicon Wave和TI为为代表。 (表一)



《表一 代表性的Bluetooth芯片组开发业者动向》
《表一 代表性的Bluetooth芯片组开发业者动向》

RF的差异性相当地大

CSR和Silicon Wave是崛起于Bluetooth的最典型专业IC设计公司,但两者在技术的开发方式上却南辕北辙。 CSR的开发完全着重在CMOS上,并一举将RF、基频和flash整合在单一晶片上。现阶段已大量出货的产品是由STMicro 使用0.35um制程代工,0.18um版本将由台积电代工。


未来在Bluetooth标准明确化之后,Flash将改用MaskROM替代,可进一步降低成本和缩小体积,此一做法将渐成为业界共同的处理方式。 CSR在2001年3月初宣布此一BlueCore01的单晶片,累积销售25万颗,主要客户为Xircom、富士通、Alps、Alcatel、Psion、TDK和Mitsumi。


Silicon Wave成立于1997年,其Bluetooth晶片组「Odyssey」,为RF和基频二晶片的解决方式,基频的MPU核心使用日立的H8,并内藏Flash。 RF晶片是在SOI基板上使用BiCMOS制程,是十分罕见的作法,成本比较昂贵。此一方式可使电力消耗大为降低,各电路间的绝缘效果亦很好,可减少干扰。未来该公司仍将坚持此一路线,在RF上致力差异化,其晶片面积在2001年第2季缩小至10*10mm,第4季再进展至7*10mm的更小型化版本。


世代产品交替朝低质化解决方式迈进

NS的第一代晶片组是RF、控制器、基频三晶片方式。 RF是BiCMOS制程,后两者是CMOS。第二代则将后两者整合,并内藏SRAM和Flash,使用16位元的RISC核心MPU。 RF部分则采BiCMOS和CMO​​S两者同时开发的方式进行。


TI在数位相机和手机市场上已有相当的占有率,故其Bluetooth低价化的市场进入方式,正如MP3一样,直接利用上述产品既有的基类晶片,拓朴堆叠则以固定电路(Hardwire )解决,除了可削减Flash之外,亦可减少MPU处理的负荷。 RF部分则舍弃手机惯用的外插法,改用直接变换或Low-IF方式,可减少外附零件的数目,有助原成本的降低。


Philips的晶片组是由自行开发的基频和Ericsson的RF共同组成,第二代的晶片组,就完全由该公司开发。第三的晶片组则使用全新的晶片组,RF内藏CODEC,以BiCMOS制造。基频「Blueberry」,内藏SRAM,以CMOS生产,MPU核心使用ARM和Ericsson的技术。未来朝RF/基频单晶片开发,以及强调小型化和低电力消耗的RF晶片双轨进行。现在二晶片价格12美元,未来RF/基频单晶片12美元、RF单晶片4美元以下。Philips在2001年5月宣布,已累积销售第一代的Bluetooth的基频晶片达100万以上,是业界中之最。


各业者技术开发策略各具特色

由上述若干先驱业者的技术开发状况,可以发现Bluetooth晶片的解决方式并非单一化,开山祖师Ericsson所擘划的蓝图,未必是各业者必遵循的圭臬,反倒是各业者在考量自身技术能力和产品策略后,所规划的产品发展蓝图各具特色,尤以RF的差异性最大。


使用CMOS制程虽然在成​​本上具有竞争力,设计上却不易达到系统性能要求的规格,尽管有若干业者初期即锁定在CMOS的开发上,但不少业者仍先在BiCMOS上下功夫,虽然成本可能略高,却容易符合性能的要求,有助于提早进入市场。唯为了配合最终单晶片的趋势,采取BiCMOS和CMO​​S双轨同时进行,或先BiCMOS后CMOS的业者亦不少。


事实上,直接运用BiCMOS之后,较易使用去掉IF的直接转换或低IF方式,有助于分离元件的数目,在模组成本上,不尽然就一定比使用超外插的CMOS不利。甚至也有业者引用SOI基板,如Silicon Wave,也有业者选用仍处于技术萌芽期的SiGe,如Atmel/TEMIC,各业者除了考虑元件特性以及未来性,而选择适当的制程外,亦得顾及晶圆制造的问题。


大部分的IC设计公司会尽量往CMOS制程思考,如此较容易在专业晶圆代工业者处获得解决,而不必和整合无元件制造商(IDM)协商,牵就其制程和产能。诸如台积电和联电的专业晶圆代工业者,已能提供0.18~0.25um RF CMOS制程,以及0.35um BiCMOS。后者是在2001年后才开始提供,大部份先跑的专业IC设计业者,已先择定RF CMOS,而不会使用BiCMOS,倒是进度较晚的业者,多了一种选择。


至于IDM业者大多会运用既有的BiCMOS制程资源,另一方面则学习RF CMOS的技术,或和其他IDM业者合作。许多Bluetooth晶片组的开发业者虽已推出样品,但通常会等到技术较为成熟,所对应的标准有明确的互通性之后,才会真正迈入大规模的量产。


其创意设计方式屡见不鲜

部份新兴的Bluetooth晶片组开发业者,寄望以特殊的设计来取得相对于既有业者的竞争力。如Transmeta利用0.25um CMOS设计的单晶片,使用低IF设计,竞争对象直指亦使用CMOS单晶片,但超外插设计的CSR。 Trasilica的最关键性利器在于Flash容量,只要512K,比一般业者的4Mb小很多。


该公司自行开发了效率良好的拓朴堆叠软体,而抑制了记忆容量,除了可减少晶粒面积外,亦可降低模组厚度。设备制造商要求Bluetooth模组的厚度要降至2mm以下,Flash的厚度常是造成薄型化最大的障碍。 Transilica声称该晶片组价格可降到6~8美元,足可和CSR竞争。


现存三大版本不能相容

Bluetooth现存的主要症结系在标准化的过程中,无法确保不同的设备之相互接续。在2001年内制造商所推出的Bluetooth介面,在规格上实已出现规格不尽相同的窘境。如2001年初,SONY和富士通所推出的内藏于PC之Bluetooth模组系遵照Version 1.06 + CE(Critical Errata)。 2000年下半年东芝和NEC所发售的Blutooth用PCMCIA卡和接取点(Access Point),则是支援Version 1.06版。但是1.06版和1.06 + CE版,两者间并不相容。


2001年3月底所公布的Version1.1版则不能保证可以和1.6版回溯相容,造成三种规格并存却不得完全相容,这种现象神似于可覆写式DVD的规格纷立的混乱状况,可是DVD-RAM、DVD+RW/-RW等都是出自于竞争立场分明的各个制造商手里,且不相容并不令人意外。 Bluetooth是由业界共同组成的团体所制定,别无分号,却自乱阵脚。


标准叙述不够完备为肇祸元凶

欲解决三种规格相容的问题,唯一的方法是修改软体,可能的作法是对PCMCIA卡形式的产品,经由网路下载更新软体。 Bluetooth模组内藏的Notebook和手机,就必须回收处理,所需耗费的成本极大。事实上Bluetooth在规格订时的不够完备,方导致上述的问题。在IEEE 1394介面问世的时候,IC的业界标准TI的规格,常造成许多业者的误解,遂而导致后来相通性问题的产生,使1394的接受度大为降低。


1999年12月所公布的Bluetooth 1.0b版,是同年7月的1.a版之修正版,设备制造商于是根据1.0b版进行产品开发,不料1.0b版仍遗漏若干规格的叙述,使设备间相互接续时必要的认证程序发生误谬。另一方面Ericsson和Nokia的1.0b版产品亦不能相互接续。此两大业者各自坚持Piconet产出之际,下层连结管理层和上层L2 CAP层的处理方式,遂造成此一问题,必须延迟到1.1版再一并解决。


Ericsson 2001年出货量向下修正为原先的1/10

Bluetoothc互通性问题着实伤害了业界的进展,Ericssom手机部门业绩的衰退,也对Bluetooth在手机的出货量上受到抑制,该公司是Bluetooth的创始厂商,原拟以Bluetooth做为促销手机的手段,预定在2001年的整个年度中,销售2000万台附载Bluetooth的手机,以GSM的「T36」和「R520」为主打机种,当中「T36」预定销售1500万台,最后竟大幅向下修正为200万台,只是原来的十分之一而已,「T36」的销售终止,改由更新型的「T39」接手。


Nokia在Bluetooth的态度一向甚为保守,对于Bluetooth在手机上的商品化较为消极,亦不认为Bluetooth的引进可以活络手机市场。其他两大手机制造商Motorola和Siemens并非Bluetooth的先锋业者,不期望在2001年有明显的出货量,故手机制造商虽在2001年下半年有Bluetooth附载的手机上市,不落人后的品牌形象塑造远高于借商品化促销的实质意义。部份在Bluetooth产品开发甚为积极的业者,则饱受标准化的问题而未能达到原定的营运目标。富士通即因此而未能在2000年夏的折扣战和2000年冬的耶诞节中大力发挥。 (表二)(表三)



《表二 全球2.5G服务展开计划时程》
《表二 全球2.5G服务展开计划时程》

《表三 Bluetooth在数字式移动电话手机的市场预测》
《表三 Bluetooth在数字式移动电话手机的市场预测》

业界倾向不理会共通性作法,以抢市场先机

业界在Bluetooth的开发依赖标竿Ericsson甚深,甚至视为业界的标竿。 Ericsson在2001年3月量产1对1的1.1版模组,同年夏之后方会推出1对多的版本。 PC和手机的接续只要1对1即可,但是PC及其周边的运用就需要1对多。各个制造商必需唯Ericsson马首是瞻,使商品化的进度无法随心所欲。


部份业者遂决定采取先行推出产品,不再理会标准化或互通性的问题,以免错失市场时机,以日系业者为代表,松下、东芝和Sony决定本身所生产的手机、PC,和数位家电等,所搭配的Bluetooth可以相互接续,虽然丧失了和其他厂牌接续的能力,却可提高自有产品的附加价值,并符合业者原订之产品计划,减少外在干扰的因素,实际上自2001年春以来,各业者推出的产品确实只能和本身其他的产品接续。


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