新通訊 20086 月號 88
文.侯俊宇
近年來能源議題全球矚目,除了個人電腦、企業用伺服器的用電,直接影響能源價格與短缺的波動之外,可攜式裝置在功耗上的表現,也牽動終端產品的使用壽命。再加上燃料電池的崛起,更加刺激相關業界對替代能源的重視,也證實半導體業者對此議題的關注程度。
近期國際油價節節高升,有專家表示,2007年上半年油價有可能升破每桶120美元,進而引發國際性的能源短缺。再加上綠色環保議題當道,半導體業者無不同心協力,致力於節能技術的研發。  

奇夢達鑽研先進製程 有效節約用電  

儘管深陷獲利衰退泥淖,記憶體廠商奇夢達(Qimonda)依舊致力於先進製程之研發,並於日前透露,其先進技術不但可縮小尺寸、減低功耗,更有機會一舉扭轉虧損情勢,創造全新商機。  

奇夢達總裁暨執行長羅建華(Kin Wah Loh)在日前宣布該公司之全新技術藍圖時表示,這項名為埋入式閘極字元線連結(Buried Wordline)的技術,除將在46奈米以下製程,於縮小尺寸上有所進展之外,由於尚具有低功耗之特性,因此將可再次拓展奇夢達多元化產品組合,進而帶來更多營收。  

奇夢達北美區行銷副總裁Tom Trill解釋,58奈米已為溝槽式(Trench)技術發展的最後階段,顯示溝槽式技術的發展已達上限,未來在58奈米以下的製程將以堆疊式(Stack)技術為唯一方向。而由於Buried Wordline將字元線埋在晶圓表面之下,使線路排列更為緊密,因而縮減尺寸,並有效節省生產成本(圖1),在58奈米以下將搶占不少市場。

 

資料來源:奇夢達
圖1 奇夢達埋入式閘極字元線連結技術與堆疊式技術之比較圖。

 

奇夢達也與記憶體供應商爾必達(Elpida)攜手開發新一代的記憶體晶片,由奇夢達提供Buried Wordline、爾必達提供堆疊技術,以加速在DRAM 4F2 Cell尺寸產品藍圖的發展。  

兩家公司計畫將在2010年推出此共同開發、達到40奈米世代的創新4F2 Cell概念,未來並還會進一步推展至30奈米世代。  

奇夢達預估,基於伺服器、消費性電子產品和通訊等應用的持續穩定成長,加上個人電腦市場轉移至更高密度的模組產品,將使DRAM的需求量向上推升。Trill分析,未來在非PC應用的出貨量比重將超越50%。  

看好DRAM市場即將觸底反彈,Trill認為,預先在低功耗技術上做好準備,將是迎接未來巨量成長的最佳契機。  

圖2 Actel執行長暨總裁John East認為,可攜式裝置的節能與否,影響使用壽命甚鉅,因此需要FPGA的大力協助。
他並強調,從硬體的功能來區分,包括伺服器與行動裝置均對電源掌控十分關注,更認為其將是與競爭對手拉開差距的最大關鍵。  

專注於節能解決方案的晶片業者Actel執行長暨總裁John East(圖2)指出,除了企業網路市場之外,有關可攜式裝置的功耗技術,同樣是近期市場關注的目標。 East透露,從近期手機等行動裝置的出貨量屢創新高已可看出,未來行動應用的趨勢將持續增溫。正因如此,若無法解決針對可攜式裝置的功耗問題,將無助於能源議題上的討論。  

East舉該公司的現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)產品為例指出,該產品較其他競爭者達到八百至三千倍的功耗節約(圖3),因此能延長可攜式產品的電池壽命、增加使用時間,進而減少充電頻率。

 

資料來源:Actel
圖3 Actel與其他競爭產品之比較

 

據悉,Actel的5微瓦(μW)IGLOO PLUS系列FPGA靜態功耗,最低可達競爭對手產品的一千七百分之一,成為該公司引以為傲的產品之一。此外,在Actel基於快閃的低成本FPGA產品中,也有針對功耗、速度和I/O而最佳化的其他產品,以滿足對功耗和成本敏感應用的基本設計要求。這類元件包括針對I/O最佳化的IGLOO PLUS系列,在任一給定的封裝尺寸下提供業界較佳的每I/O功耗、面積、邏輯和功能比率。此外,ProASIC 3L FPGA系列也是其中之一,能為功耗敏感的高性能系統提供功耗和速度的平衡。  

在今年3月時,Actel宣布其IGLOO和ProASIC3系列FPGA增添兩款新成員,以滿足採用可程式化解決方案的設計對功耗和成本預算不斷緊縮的要求。East指出,Actel的IGLOO系列FPGA的靜態功耗僅為5微瓦,低於最接近低功耗FPGA的0.5%,與目前用於可攜式應用的可編程邏輯裝置(PLD)產品相較,可延長電池壽命達十倍以上。  

而IGLOO AGL015和ProASIC3 A3P015 FPGA由於具備低成本和低功耗,因而能在消費電子、醫療設備、通訊和工業應用中取代低密度FPGA和複雜可編程邏輯裝置(CPLD),如可攜式媒體播放器、智慧型手機、儲存介面、系統控制器、可攜式醫療儀器和無線感測器等。  

East說,為進一步降低系統成本、功耗和占位尺寸,新的IGLOO和ProASIC3 FPGA提供橋接兩個不同I/O電平的功能與1Kb晶片記憶體,因而毋須使用分離式元件。在ProASIC3和IGLOO架構中,Actel Libero整合開發環境(IDE)使用Versatile核心單元,作為組合或時序邏輯,並希望藉此實現比固定架構CPLD方案更高效的線路設計、靈活性及元件利用率。  

資料來源:美國國家半導體
圖4 美國國家半導體全球夥伴行銷經理Rick Zarr指出,除了晶片設計以外,若能從系統架構一併針對節能議題加以著墨,將可達事半功倍之效。
在可攜式裝置中,Actel同樣針對儲存裝置、液晶顯示器(LCD)、人機介面(HID)有所著墨,希望能夠藉此帶來更多商機。  

美國國家半導體(NS)則強調,節能的責任並不完全在晶片設計階段,事實上,系統架構的規畫也同樣影響效能與功耗甚鉅。美國國家半導體全球夥伴行銷經理Rick Zarr(圖4)指出,若能尋得適當的架構,就算欠缺特地為降低功耗而設計的處理器,一樣可以達到低功耗的結果。Zarr進一步解釋,所謂的系統架構,可以包含不同層面,如晶片設計、子系統或是驅動裝置皆含括在內,如該公司於2008年4月推出的可攜式系統高電流閃光燈發光二極體(LED)驅動器,就是為可驅動一或兩個LED,並具備可調節過壓保護功能的LED驅動器。  

專攻LED省電 NS不落人後  

Zarr透露,這款型號為LM3553的驅動器,為美國國家半導體PowerWise晶片系列新推出的產品之一,適用於行動電話、個人數位助理、智慧型電話、可攜式掃描器及醫療用閃光燈等可攜式電子產品。  

基本上,LM3553閃光燈發光二極體驅動器是一款固定頻率的升壓直流/直流轉換器,其特點是內建兩個可提供穩定電流的電流接收器,而且只需一顆鋰電池便可輸出1.2安培的負載電流。此外,這款驅動器可以利用內建的可調節過壓保護電路,驅動兩個串聯一起的高電流發光二極體,以便進一步提高亮度/功率比。  

Zarr強調,從多功能可攜式電子產品到採用交流電的大型設備,各式電子產品都持續面對體積及功耗嚴格限制的問題。而該公司也針對這些應用,提供各種設計方案,以解決電源管理系統的設計問題,舉例來說,美國國家半導體提供多種不同的晶片產品,如開關穩壓器、白光發光二極體驅動器和乙太網路供電(PoE)控制器等,皆可為客戶協助解決功耗難題。除了從既有的技術與規格裡找出降低功耗的方法之外,也有業者另闢蹊徑,推廣燃料電池(Fuel Cell)的應用,希望盡快商業化。  

替代能源當道 PolyFuel力促商業化  

根據維基百科的定義,燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電力的裝置,最早見到的是氫氧燃料電池,由於價格低廉無危害,且產生的水可供人使用,所以一向頗受重視。而近期在業者的推波助瀾之下,也出現以甲醇、乙醇、天然氣等做為燃料電池的燃料,其中直接甲醇燃料電池(DMFC)由於具有較多優勢,因而在業界也引起注意,尤以將DFMC應用在手機,筆記型電腦和其他可攜式裝置最具潛在商機。若以燃燒氫氣的燃料電池為例,在反應過程中,氫氣與氧氣分別由兩側進入燃料電池的陽極及陰極,氫氣在陽極經過電化學反應後分解為兩個氫離子和兩個電子,電子再經由陽極、外線路及負載流向陰極,此時,與氧及由薄膜傳導的氫離子反應成水,即形成電池的運轉迴路。  

圖5 PolyFuel總裁兼執行長Jim Balcom表示,運用較薄的薄膜產品,將可增加燃料電池之壽命,並提升電池效能。
薄膜(Membranes)之所以在燃料電池中扮演如此重要的角色,是因為一般燃料電池內需要三個核心元件,分別是陽極、陰極以及兩個電極間的薄膜。經過熱壓之後,這三個核心元件將形成電極膜組,而在其外側再加上導氣流場板之後,即可組成單電池。  

 

如PolyFuel就是一家專注於燃料電池薄膜開發的業者,該公司在日前宣布獲得兩項有關碳氫聚合物(Hydrocarbon-based Polymer)燃料電池薄膜的專利,並可望藉此獲得更多商機。該公司總裁兼執行長Jim Balcom(圖5)指出,薄膜一向是可攜式燃料電池的關鍵技術,其決定燃料電池的大小、成本、功率和效能。而隨著薄膜技術的進步,各式消費性電子如筆記型電腦、PDA和智慧手機中的主電源,將可望由微型燃料電池提供,並逐步邁向商業化。據悉,包括恩益禧(NEC)、三洋(Sanyo)、松下(Panasonic)和三星(Samsung)等部分產品皆已採用PolyFuel薄膜產品(圖6)。

 

資料來源:PolyFuel
圖6 目前已採用燃料電池之筆記型電腦產品。

 

此外,Balcom也指出,儘管杜邦盤踞市場已久,然杜邦始終未提出針對可攜式裝置的薄膜產品,在汽車應用上也同樣未多加深耕,核心技術停留已久、未見創新,都是PolyFuel得以一搏的關鍵。Balcom認為,隨著自家公司在技術上的持續演進,將可搶下更多市占率,進而帶動燃料電池之發展。

Balcom指出,與競爭對手杜邦(DuPont Fuel Cells)相較,儘管今日大部分直接甲醇燃料電池使用的薄膜多為杜邦開發,然杜邦之產品Nafion由於使用全氟系樹脂膜材,在甲醇溶液中產生較大的膨潤,進而影響對甲醇的阻隔,容易降低燃料電池的壽命與效能。針對此問題,PolyFuel研發出以碳化氫技術為基礎的超薄直接甲醇燃料電池膜,並在燃料使用率、水管理、熱度、操作範圍、使用性及耐久性等方面皆較具優勢,並在2007年即推出20微米厚度的薄膜產品,透過減少薄膜厚度及電阻係數,可增加電池性能。  
可攜式裝置吹起低耗電風潮 Actel看好FPGA  
根據了解,奇夢達計畫在2009年下半年開始量產46奈米Buried Wordline DRAM技術。與58奈米溝槽式技術相比,46奈米的Buried Wordline DRAM技術將提供每晶圓超過兩倍以上的位元,而目前推出此技術的65奈米製程,則計畫在2008年下半年開始生產1Gbit的DDR2產品。據悉,國內的華邦電子已成為奇夢達採用此技術平台的第一個合作夥伴。  
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