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Bluetooth在半導體解決方式的進展與障礙
 

【作者: 吳秉思】   2001年06月01日 星期五

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Bluetooth在產品規劃上的一大訴求,就是在規格上訂定得比較寬鬆,使CMOS著程亦能適用,而能降低晶片製造的成本,方能在2002年左右降低至5美元的水準,進而能以低價刺激市場。此一構想的大方向是正確的,但至今為止,Bluetooth在晶片組的開發速度,亦正如其標準的相適性出現同題一般,而遠不如預期地快。


晶片組量產時間延後至2001年下半年

業界對Bluetooth進展的憧憬是比照相對於PC的標準,只要能引進較尖端的製程,就可以達到成本低減的目的,進而在短時間內促使市場普及。依Bluetooth五大發起成員之一的東芝之預測,2002年出貨量可超過一億個,2003~2005年分別可達3億、6億和11億個的規模,應是業界史無前例在短期內發揮最大量產的產品。


若以真正基植在PC平台而發展的高速介面USB為例,其價格與技術障礙都遠較Bluetooth為低,但對PC及其週邊的滲透速度都無法一蹴可及的事實作判斷,上述Bluetooth的市場預測的確有過度膨脹的現象。Bluetooth的規格雖不嚴苛,但業界在2.4GHz RF開發經驗不足,導致開發進度不如預期的順利,最早業界評估將比原預期的實用化時期,從延遲半年再延後半年。


以晶片組為例,原估計在2000年下半年便可大量出貨,實際上大部分業者的量產計劃已延至2001年下半年。至於,最高境界的單晶片(RF、基頻和Flash整合為一),最快要到2002年上半年或2002年下半年,方會邁入量產階段。


實際的性能要求比原估計的大

業界當初在評估Bluetooth的技術開發,的確存在過分輕視的態度,如對MPU的處理能力要求。原本最小的訊號接收靈敏度定為-70dBm,後來發現並不夠用,提高至-80dBm,遂而得更改部分的架構,如MPU處理能力加強,Flash容量跟著提高,於是設計和製程都得更新,惟RF的處理不若邏輯產品那麼單純,整個調整過程非常繁瑣。這正是部份業者會在初期採用二晶片,甚至三晶片方式的原因,以減少上述不明確變因造成的開發障礙。


Bluetooth晶片組通常是由RF、基頻和Flash記憶體三大晶片組構而成。這三顆晶片在功能上、設計和製程上的要求差異性極大,各業者均各自有獨特的解決方式,以達到減少成本或提高性能等不同的目的,做為市場導向的區隔因素。投入Bluetooth開發的先趨業者大致上可以Agere Systems(原Lucent微電子事業部)、Cambridge Silicon Radio(CSR)、Philips、National Semiconductor (NS)、Silicon Wave和TI為為代表。(表一)



《表一 代表性的Bluetooth晶片組開發業者動向》
《表一 代表性的Bluetooth晶片組開發業者動向》

RF的差異性相當地大

CSR和Silicon Wave是崛起於Bluetooth的最典型專業IC設計公司,但兩者在技術的開發方式上卻南轅北轍。CSR的開發完全著重在CMOS上,並一舉將RF、基頻和flash整合在單一晶片上。現階段已大量出貨的產品是由STMicro 使用0.35um製程代工,0.18um版本將由台積電代工。


未來在Bluetooth標準明確化之後,Flash將改用MaskROM替代,可進一步降低成本和縮小體積,此一做法將漸成為業界共同的處理方式。CSR在2001年3月初宣佈此一BlueCore01的單晶片,累積銷售25萬顆,主要客戶為Xircom、富士通、Alps、Alcatel、Psion、TDK和Mitsumi。


Silicon Wave成立於1997年,其Bluetooth晶片組「Odyssey」,為RF和基頻二晶片的解決方式,基頻的MPU核心使用日立的H8,並內藏Flash。RF晶片是在SOI基板上使用BiCMOS製程,是十分罕見的作法,成本比較昂貴。此一方式可使電力消耗大為降低,各電路間的絕緣效果亦很好,可減少干擾。未來該公司仍將堅持此一路線,在RF上致力差異化,其晶片面積在2001年第2季縮小至10*10mm,第4季再進展至7*10mm的更小型化版本。


世代產品交替朝低質化解決方式邁進

NS的第一代晶片組是RF、控制器、基頻三晶片方式。RF是BiCMOS製程,後兩者是CMOS。第二代則將後兩者整合,並內藏SRAM和Flash,使用16位元的RISC核心MPU。RF部分則採BiCMOS和CMOS兩者同時開發的方式進行。


TI在數位相機和手機市場上已有相當的佔有率,故其Bluetooth低價化的市場進入方式,正如MP3一樣,直接利用上述產品既有的基類晶片,拓樸堆疊則以固定電路(Hardwire)解決,除了可削減Flash之外,亦可減少MPU處理的負荷。RF部分則捨棄手機慣用的外插法,改用直接變換或Low-IF方式,可減少外附零件的數目,有助原成本的降低。


Philips的晶片組是由自行開發的基頻和Ericsson的RF共同組成,第二代的晶片組,就完全由該公司開發。第三的晶片組則使用全新的晶片組,RF內藏CODEC,以BiCMOS製造。基頻「Blueberry」,內藏SRAM,以CMOS生產,MPU核心使用ARM和Ericsson的技術。未來朝RF/基頻單晶片開發,以及強調小型化和低電力消耗的RF晶片雙軌進行。現在二晶片價格12美元,未來RF/基頻單晶片12美元、RF單晶片4美元以下。Philips在2001年5月宣佈,已累積銷售第一代的Bluetooth的基頻晶片達100萬以上,是業界中之最。


各業者技術開發策略各具特色

由上述若干先驅業者的技術開發狀況,可以發現Bluetooth晶片的解決方式並非單一化,開山祖師Ericsson所擘劃的藍圖,未必是各業者必遵循的圭臬,反倒是各業者在考量自身技術能力和產品策略後,所規劃的產品發展藍圖各具特色,尤以RF的差異性最大。


使用CMOS製程雖然在成本上具有競爭力,設計上卻不易達到系統性能要求的規格,儘管有若干業者初期即鎖定在CMOS的開發上,但不少業者仍先在BiCMOS上下功夫,雖然成本可能略高,卻容易符合性能的要求,有助於提早進入市場。唯為了配合最終單晶片的趨勢,採取BiCMOS和CMOS雙軌同時進行,或先BiCMOS後CMOS的業者亦不少。


事實上,直接運用BiCMOS之後,較易使用去掉IF的直接轉換或低IF方式,有助於分離元件的數目,在模組成本上,不盡然就一定比使用超外插的CMOS不利。甚至也有業者引用SOI基板,如Silicon Wave,也有業者選用仍處於技術萌芽期的SiGe,如Atmel/TEMIC,各業者除了考慮元件特性以及未來性,而選擇適當的製程外,亦得顧及晶圓製造的問題。


大部分的IC設計公司會儘量往CMOS製程思考,如此較容易在專業晶圓代工業者處獲得解決,而不必和整合無元件製造商(IDM)協商,牽就其製程和產能。諸如台積電和聯電的專業晶圓代工業者,已能提供0.18~0.25um RF CMOS製程,以及0.35um BiCMOS。後者是在2001年後才開始提供,大部份先跑的專業IC設計業者,已先擇定RF CMOS,而不會使用BiCMOS,倒是進度較晚的業者,多了一種選擇。


至於IDM業者大多會運用既有的BiCMOS製程資源,另一方面則學習RF CMOS的技術,或和其他IDM業者合作。許多Bluetooth晶片組的開發業者雖已推出樣品,但通常會等到技術較為成熟,所對應的標準有明確的互通性之後,才會真正邁入大規模的量產。


其創意設計方式屢見不鮮

部份新興的Bluetooth晶片組開發業者,寄望以特殊的設計來取得相對於既有業者的競爭力。如Transmeta利用0.25um CMOS設計的單晶片,使用低IF設計,競爭對象直指亦使用CMOS單晶片,但超外插設計的CSR。Trasilica的最關鍵性利器在於Flash容量,只要512K,比一般業者的4Mb小很多。


該公司自行開發了效率良好的拓樸堆疊軟體,而抑制了記憶容量,除了可減少晶粒面積外,亦可降低模組厚度。設備製造商要求Bluetooth模組的厚度要降至2mm以下,Flash的厚度常是造成薄型化最大的障礙。Transilica聲稱該晶片組價格可降到6~8美元,足可和CSR競爭。


現存三大版本不能相容

Bluetooth現存的主要癥結係在標準化的過程中,無法確保不同的設備之相互接續。在2001年內製造商所推出的Bluetooth介面,在規格上實已出現規格不盡相同的窘境。如2001年初,SONY和富士通所推出的內藏於PC之Bluetooth模組係遵照Version 1.06 + CE(Critical Errata)。2000年下半年東芝和NEC所發售的Blutooth用PCMCIA卡和接取點(Access Point),則是支援Version 1.06版。但是1.06版和1.06 + CE版,兩者間並不相容。


2001年3月底所公佈的Version1.1版則不能保證可以和1.6版回溯相容,造成三種規格並存卻不得完全相容,這種現象神似於可覆寫式DVD的規格紛立的混亂狀況,可是DVD-RAM、DVD+RW/-RW等都是出自於競爭立場分明的各個製造商手裡,且不相容並不令人意外。Bluetooth是由業界共同組成的團體所制定,別無分號,卻自亂陣腳。


標準敘述不夠完備為肇禍元兇

欲解決三種規格相容的問題,唯一的方法是修改軟體,可能的作法是對PCMCIA卡形式的產品,經由網路下載更新軟體。Bluetooth模組內藏的Notebook和手機,就必須回收處理,所需耗費的成本極大。事實上Bluetooth在規格訂時的不夠完備,方導致上述的問題。在IEEE 1394介面問世的時候,IC的業界標準TI的規格,常造成許多業者的誤解,遂而導致後來相通性問題的產生,使1394的接受度大為降低。


1999年12月所公佈的Bluetooth 1.0b版,是同年7月的1.a版之修正版,設備製造商於是根據1.0b版進行產品開發,不料1.0b版仍遺漏若干規格的敘述,使設備間相互接續時必要的認證程序發生誤謬。另一方面Ericsson和Nokia的1.0b版產品亦不能相互接續。此兩大業者各自堅持Piconet產出之際,下層連結管理層和上層L2 CAP層的處理方式,遂造成此一問題,必須延遲到1.1版再一併解決。


Ericsson 2001年出貨量向下修正為原先的1/10

Bluetoothc互通性問題著實傷害了業界的進展,Ericssom手機部門業績的衰退,也對Bluetooth在手機的出貨量上受到抑制,該公司是Bluetooth的創始廠商,原擬以Bluetooth做為促銷手機的手段,預定在2001年的整個年度中,銷售2000萬台附載Bluetooth的手機,以GSM的「T36」和「R520」為主打機種,當中「T36」預定銷售1500萬台,最後竟大幅向下修正為200萬台,只是原來的十分之一而已,「T36」的銷售終止,改由更新型的「T39」接手。


Nokia在Bluetooth的態度一向甚為保守,對於Bluetooth在手機上的商品化較為消極,亦不認為Bluetooth的引進可以活絡手機市場。其他兩大手機製造商Motorola和Siemens並非Bluetooth的先鋒業者,不期望在2001年有明顯的出貨量,故手機製造商雖在2001年下半年有Bluetooth附載的手機上市,不落人後的品牌形象塑造遠高於藉商品化促銷的實質意義。部份在Bluetooth產品開發甚為積極的業者,則飽受標準化的問題而未能達到原定的營運目標。富士通即因此而未能在2000年夏的折扣戰和2000年冬的耶誕節中大力發揮。(表二)(表三)



《表二 全球2.5G服務展開計劃時程》
《表二 全球2.5G服務展開計劃時程》

《表三 Bluetooth在數位式行動電話手機的市場預測》
《表三 Bluetooth在數位式行動電話手機的市場預測》

業界傾向不理會共通性作法,以搶市場先機

業界在Bluetooth的開發依賴標竿Ericsson甚深,甚至視為業界的標竿。Ericsson在2001年3月量產1對1的1.1版模組,同年夏之後方會推出1對多的版本。PC和手機的接續只要1對1即可,但是PC及其週邊的運用就需要1對多。各個製造商必需唯Ericsson馬首是瞻,使商品化的進度無法隨心所欲。


部份業者遂決定採取先行推出產品,不再理會標準化或互通性的問題,以免錯失市場時機,以日系業者為代表,松下、東芝和Sony決定本身所生產的手機、PC,和數位家電等,所搭配的Bluetooth可以相互接續,雖然喪失了和其他廠牌接續的能力,卻可提高自有產品的附加價值,並符合業者原訂之產品計劃,減少外在干擾的因素,實際上自2001年春以來,各業者推出的產品確實只能和本身其他的產品接續。


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