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无线芯片开发趋势分析

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作者:本刊记者 李健时间:2006-10-18来源:电子产品世界收藏

新技术的发展都有它内在的规律,技术的繁荣缘于人们对自由的追求。自由,与生存一样是人与生俱来的需要。当人们发现电磁波可以帮助摆脱电缆的束缚自由传递信息,追逐自由的原始欲望让通信变得越来越活跃,电缆只能让出空中统治权成为孤独的地下工作者。从最早期的电报、电台演变到现在的3G、UWB、WLAN、GPS和数字电视,技术的发展让信息传输的应用日趋广泛,带给人们越来越多的全新体验。无线技术无疑成为整个通信领域发展的重点,而通信芯片开发的重点自然集中在无线通信领域。

MTT-S IMS归来话开发

射频是无线信号的源头,也是无线开发的基础。无线射频与微波传输市场伴随着无线技术的广泛应用而迅速成长,仅2006上半年的市场规模已经接近200亿美元。前段时间,记者有幸参加了在旧金山举行的第29届国际微波大会(IEEE MTT-S IMS),作为年度射频与微波领域最高规格的学术交流会,记者近距离接触到了无线通信开发的新成果和新趋势。



作为年度行业盛会,本次大会成为了各大厂商竞逐新产品的舞台,众多新颖独特、功能强大的新产品在展示各大厂商的先进科技实力的同时昭示了无线领域的蓬勃发展。从这些先进的产品中,我们可以粗略的感受到通信器件开发的整体趋势,即:集成度更高、微型化、更稳定、更高速、能耗更低以及操作更简便。如何解决好3G和无线功能的融合已经成为射频厂商所面临的新问题,兼容3G和无线宽带的双模射频收发产品必将成为市场的新生力量。随着芯片集成度的增加和移动设备功能越来越强大,在芯片体积越来越小的趋势下,射频功能模块将逐渐和其他功能模块集成到一起,成为新的发射端功能单元。

作为无线信息的源头,发端是所有无线产品必备的组件,而在高集成度和低能耗以及产品微型化的要求下,手机射频(甚至多射频)功能与控制电路集成在一个封装芯片上是本次大会一个突出的技术革新。下一步的发展可能会将数字控制与时钟电路继续和射频发端集成到一起,从而缩小尺寸、控制成本。在本次大会上,甚至有企业提出可以将手机中的天线转换电路与控制模块进行深度集成。随着制作工艺的提升,射频芯片封装体积已经全面从130nm向90nm过渡,而单封装芯片所实现的功能则在不断增加。未来移动设备在功能增加的同时尺寸有望在现有基础上再缩小20%~30%。

未来的无线产品开发将越来越注重智能化。随着用户对产品功能的要求越来越多,智能化设计已经成为通信产品开发必不可少的组成部分。基于传感器、AD转换器和CMOS功放驱动等设备的智能化设计在大会上比比皆是,低成本、低功耗、大容量、短时延等特点让智能化设计成为大会上最亮丽的一道风景。更为突出的是,基于单一设备的多用途单一解决方案产品可以在最大程度上发挥产品的功用,对节约开发成本、提高产品通用性具有很高的现实意义。

移动多媒体论坛探讨手机未来

2006年8月10日,移动多媒体技术联盟手机技术发展论坛在北京举办,国内外知名运营商、芯片厂商、终端厂商等产业链相关企事业单位参与了论坛。会上,来自各行业的专家学者和从业者纷纷对未来手机开发的需求和趋势提出了自己的看法。

“手机已经成为了信息社会人们高依赖度的装备,而手机的发展脱离不了应用,未来的手机应该支持从简单语音到宽带多媒体广泛的业务范围。” 信产部电信研究院杨泽民院长在谈到手机的发展趋势时如此概括。多网漫游能力、传感器体系、超距离域网、手机电视和对蓝牙等技术的支持、娱乐业务和手机在硬件、软件、开放性,以及将来人机之间的都是手机开发必须考虑的因素。

移动终端开发的第一个趋势是终端无线技术多模化。移动终端需要集成多种无线技术来支持各种移动数据业务,甚至包括集成手机电视这样的技术,如何保证手机的各种业务在不同制式平滑切换是未来手机开发面临的主要问题。第二个趋势是终端存储容量越来越大。为了满足各种多媒体业务的需求,包括办公、各种应用的需求,终端存储量在包括内存在内的各方面需要有较大的提升。第三个趋势是应用多样化,这要求多媒体处理能力、计算和存储能力都进行较大的改善。终端将成为娱乐中心,包括内置无线音乐、手机电视、联网游戏以及聊天和博客功能,但目前缺乏统一的媒体播放器和业务适配器,这需要业务适配能力进一步提高。同时,开发过程中还需要统一终端本地连接技术及相关接口,有利于保护移动终端与PC、照相机等等电子设备进行更好的信息共享。



在本次移动多媒体手机论坛中,中星微张韵东副总裁探讨了手机电视芯片的解决方案。从芯片的角度,手机电视应用比把铃声、摄像头、MP3、MP4集成到手机中更复杂。首先,手机电视是在手机中引入新的系统,不只是简单集成多媒体应用;其次,要实现在手机上长时间观看电视需要更低的功耗;再次,需要支持现有的多种标准并存,手机芯片解决方案需要具备多制式的支持功能。

目前的通用方案是用两个芯片组成手机电视模块,通过手机电视专有芯片接收信号,把模拟信号调制成数字信号,然后通过传输协议层到了多媒体的应用处理芯片,最后利用业务处理芯片来进行信源解码。这种方法芯片体积大成本高,最重要的是功耗过大,必须向两个甚至一个芯片方案发展。芯片发展的两个要素是低功耗和支持多制式,要做到低功耗,不仅仅需要在芯片的省电方面做文章,还需要关注不同层次、系统的电源管理和芯片、器件的电源管理方式。芯片内置灵活、可编程的处理器和DSP以及可重构的处理器技术是芯片如何支持多制式的一个关键,需要保证在芯片中间支持不同的信道、信源解码,能够实现在毫秒级做切换。从目前的技术看,信道解码跟信源解码可以集成在一个芯片里面,半导体技术的发展可以实现低功耗,同时把YF部分留在数字芯片的外面,变成了两个芯片的解决方案。

几大厂商各抒己见

产品永远是为了顺应潮流而生的,因此对通信芯片开发最有发言权的始终是处于行业领先地位的厂商。为此,我们采访了行业内几家有代表性的企业,在厂商的眼中未来的无线开发趋势发展将会呈现怎样的风景。

作为业界主要的无线芯片供应商,ADI射频和无线业务部开发总监Doug Grant认为无线芯片有两个主要发展趋势。一是降低低端“超低成本”手机的芯片组成本,目的是开发尽可能低成本的具有语音和短消息功能以及黑白显示屏的基本手机,但是某些手机制造商发现这些芯片组不能提供转向高级功能手机和系列产品的途径。第二个发展趋势是开发提高灵活性和增强功能的芯片组,能够以提供尽可能多的好处提高手机产品的吸引力,但是存在的问题是所有的功能都需要非常高的功耗,从而会缩短手机的电池寿命。因此,高级功能的芯片组的发展趋势是降低功耗。无线器件的发展趋势与其他的半导体行业没有太大区别:降低功耗、增加(和调整)功能、降低成本,以及为降低材料成本和减少元件数量提高集成度。有一点不同的地方是普遍的行业发展趋势是提高速度——因为频带已经用于大多数的无线系统,所以它与一般的处理器开发要求不同,以便为每一代产品都提高速度(尽管许多处理器制造商都已经意识到多处理器系统比高速信号处理器系统更有前途)。

具体到手机芯片方面,低成本GSM/GPRS手机单芯片和单封装解决方案已经出现。所有的“单芯片”解决方案仍然需要外部闪存和功率放大器,其中有一些解决方案采用外部收发器IC以达到最佳性能,有些还需要外部电源管理IC。3G作为未来手机发展的焦点,市场上已经出现符合所有3G标准的芯片组。大多数UMTS芯片组都针对高端市场,而TD-SCDMA芯片组可用于所有档次的手机。3G的难题是找到合适的功能设备以便充分利用3G提高数据速率的优势,同时降低成本以便使3G技术可以用于各档次的手机。而WiMAX的难题是选择适合该技术的最佳市场细分,以及开发出性能和功耗合理折衷的合适芯片组。



TI主要提供当今无线技术的核心器件,并构建各种解决方案以满足未来需求。从传统的以语音为核心的移动电话到最先进的、功能丰富的 3G 设备,TI 推出了广泛的半导体及软件解决方案,满足手持终端制造商、移动运营商以及应用软件开发商的要求。

TI无线产品销售及市场经理张磊用“集成度更高、功耗和成本更低”概括了未来通信芯片领域研发的最新趋势。TI的DRP技术开发的初衷就是为了满足这些要求:更低解决方案成本和精简物料清单、更高系统性能、更长电池寿命、更小器件尺寸可实现外形更精巧的移动设备、高度灵活性能够在市场条件允许的情况下集成多种无线电广播元件以及可立刻投入制造的新型交钥匙 (turn-key) 型解决方案能够显著简化无线设计人员的设计与测试工作。对于手持终端制造商,DRP 技术能够显著缩小板级空间,并进一步延长电池使用寿命。与传统的 RF 设计相比,DRP 技术可将功耗、裸片面积以及系统板级空间等节省 50%。

有助于降低成本的集成器件具有一体化封装、一体化存储器子系统和一体化电源管理器件等特点。因此集成解决方案与可配合外部调制解调器的独立应用处理器方案相比具有更大的优势,比如TI的OMAPV2230 基带可同时为 GSM/GPRS/EDGE 以及 WCDMA 提供支持,而就目前市场上的许多电话而言,上述基带标准仍然是彼此独立的。

作为手机芯片领先的提供商,张磊认为手机市场将在两大领域保持快速发展,一个是成本不足 30 美元的超低成本移动电话市场,其中重要的一个发展方向就是能大幅降低功耗与成本的同时,还可显著节约电路板面积和硅芯片面积。另一个增长点是便携式音乐/多媒体移动电话市场,各种消费类及企业应用如移动电视、3D 游戏、电子邮件、音视频附件、Web 浏览与下载以及视频会议等将成为移动电话市场新的发展动力。

高通公司作为3G标准的主要专利持有者,目前也开始大规模涉足通信芯片开发领域。对于未来通信芯片研发重点的3G手机芯片开发,对标准了然于心的高通公司的经验更具有代表性。

高通认为通信芯片领域研发的趋势主要集中在两点。第一,下一代芯片将有更强的多媒体功能、更清晰的画面、更高的分辨率。芯片的功能将支持更清晰的VGA显示画面(VGA将会是现在QVGA分辨率的4倍),还将会支持600万像素的照相机。第二,芯片高度集成。高通公司一直在努力创造新的移动功能,并将多项功能融合到一种设备上,从而在全世界将下一代无线技术不断推向新的高度。我们提供给客户的手机芯片是完整的芯片、全方位的解决方案,包括调制解调器、多媒体功能、射频功能、接收功能、传输功能、能耗管理等所有功能全部被集成在一个芯片上。

随着通信芯片支持越来越高的多媒体功能,这个发展过程也给手机芯片提出了一些新的问题和挑战。例如,如何实现低耗电量是非常重要的一个问题。高通公司在应对这一挑战的时候有三项措施:第一、把软件变成硬件,把更多的多媒体功能直接植入芯片可以降低了对能源的消耗;第二、电源管理的重要性;第三、降低电耗的技术,例如制造工艺从130纳米到90纳米,再到65纳米。2006年4月5日,高通公司提前推出了针对CDMA2000 1xEV-DO Revision A的65纳米MSM6800芯片组样片,处理技术可以支持高度集成、低功耗、更小巧但功能丰富的设备。



在手机处理器方面,高通公司的“Scorpion”移动微处理器集成了Mobile Station Modem(MSM)解决方案,功耗与性能比十分出众,使移动手机处理能力可以与PC相媲美。这种微处理器还具备精密复杂的微体系结构和先进的电源管理以及线路设计技术,用于新增的多媒体性能,而这正是下一代高级移动设备的一项重要要求。

结语

通信器件的研发(R&D)将随着技术的进步和市场需求的变化而不断发展,但未来的研发已经远远不止是简单地开发通信器件,器件开发商需要与手机制造商联合以便确定能够提供适当功能的必要性能,而手机制造商需要得到帮助才能使元器件正确地配合工作。这就意味着软件和硬件参考设计将变得越来越重要。与此同时,开发商还需要在数字处理器体系结构和设计、模拟IC设计和RF设计方面具有很强的技能。

据统计,深圳已经成为全球手机之都,我国也成为了世界通信产品生产基地,只是我们的基础研发水平还远远落后于世界。如何利用现有的生产规模优势来帮助提高我们自己的基础器件研发水平是需要我们进行深入思考的问题,毕竟代工只是权宜之计,只有握住科技的脉搏才能更好地为信息产业的茁壮成长开出良方。



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