jcjin的心情筆記

更新日期:2011/05/06 03:01
蔡鵑如／綜合報導

新通訊 2008 年 8 月號 90 期文．郭俊傑為了提升手機等可攜式裝置在消費市場上的競爭力，多揚聲器配置正漸漸成為新興趨勢。但在可攜式系統中配置多顆揚聲器的同時，系統功耗也會隨之上升。擁有效率優勢的D類音訊放大器遂成為工程師的首選。現今的行動電話或可攜式裝置的功能愈來愈多樣化，行動電話已成為多媒體播放系統、數位相機和個人數位助理(PDA)的集合體；可攜式多媒體播放器(PMP)則集合了導航系統、媒體播放器、全球衛星定位系統(GPS)和數位影片多種功能。這些系統都具有MP3和MP4多媒體播放、電視訊號接收、執行遊戲和網頁瀏覽功能。但值得注意的是，大部分的消費者最關注的仍是聲音品質，因為聲音品質是其產品成敗的一個重要因素，某些製造商甚至會在一個系統中放置多個揚聲器，以改進聲音品質和輸出音量。   

過去的可攜式裝置為了延長電池壽命，大多採用單揚聲器設計。但在多揚聲器設計中，工程師必須使用兩個音訊功率放大器來驅動多個揚聲器，功率消耗是之前的兩倍以上，並且功率放大器所產生的熱量也成為設計人員必須仔細考量的問題。由於AB類放大器的功率消耗較高(換句話說，就是效率較低)，典型的AB類放大器的效率為40～50%，而效率是降低功率放大器溫度的參數之一。D類音訊放大器這個新技術便可以提高效率達80%或甚至更高。   

D類放大器的基本原理是先向功率放大器輸入提供一個小類比訊號，接著功率放大器內部的調變器便將該類比訊號轉化為數位訊號，如脈衝寬度調變(PWM)或脈衝偏移調變(PCM)(取決於裝置採用何種調變技術)。但其轉化後的數位訊號仍然很微弱。因此在類比訊號轉化為數位訊號後，橋式放大器會放大數位訊號的振幅，然後採用一個被動LC濾波器(Passive LC Filters)將該高振幅數位訊號轉化回類比輸出。   

圖1所示為一款典型的PWM D類放大器構造，內裡包含了PWM轉換器(調變器)，灰色區域代表功率放大裝置(晶片)部分，圖中的H-Bridge模組為數位訊號放大器，其功能幾乎等同於一個電平移位器(Level Shifter)。

 

圖1　典型D類音訊放大器的運作

  

圖2　典型被動LC低通濾波器

 

由於可攜式裝置中對電磁干擾(EMI)的要求較高，因此以往在D類產品中只使用固定頻率技術。圖3中的固定頻率D類放大器輸出在固定的300kHz開關頻率下進行切換，圖中的輸出頻譜包含有基本和相關的諧波。為了解決這些EMI問題，用戶希望獲得更好的解決方案，而展頻技術(Spread Spectrum)是降低EMI的方法之一。在展頻模式下，開關頻率以300kHz為中心頻率，並在其上下30%內隨機變化，這種方法降低了寬頻頻譜的成分，從而有效降低了由揚聲器及其相關電纜和布線放射出來的EMI輻射。與開關頻率技術相比，固定頻率D類放大器所產生的頻譜能量是前者的幾倍。此外，開關週期間的變化不會對音訊、效率或電源抑制比(PSRR)造成影響。

 

圖3　固定頻率FFT

  

圖4　LM48410 EMI報告

 

PCB布線時亦應遵循的以下幾個原則，例如將兩個揚聲器的布線並排布置，其配置類似差動線對(Differential Pair)；在內部PCB層上的揚聲器輸出布線，用接地層將其屏蔽在上層和下層之間。這種方法類似於射頻屏蔽，且元件到揚聲器的布線應盡量縮短，並使用雙絞線以降低EMI。   

除EMI外，輸出功率也是可攜式裝置設計中須要考慮的主要參數之一。布線的額定電流是改進效率的另一個重要因素。隨著輸出功率的增加，放大器、負載和電源之間的互連電阻(PCB布線和導線)將會造成電壓降。LM48410和負載之間因布線所造成的電壓損失，將導致輸出功率下降和效率降低。此外，電源和LM48410之間的較高布線電阻也會產生類似穩壓不足的效果，使得電源線上的漣波增加，從而降低了放大器的峰值輸出功率。另一方面，較高的輸出功率或減少了的負載阻抗，又或是兩者都會導致輸出電流增加，最後使得殘餘的布線電阻上升。為了維持最大的輸出電壓擺幅和相應的峰值輸出功率，連接輸出接腳和負載的PCB布線以及連接電源接腳和電源的布線應盡量寬闊，以降低布線電阻。   

某些應用或當音訊源為單端時可能需要採用輸入電容。輸入電容可以阻隔音訊訊號中的直流部分，從而消除音訊源中直流部分與LM48410偏置電壓之間的衝突。配合輸入電阻RIN後，輸入電容可作為高通濾波器使用。使用f=1/2πRINCIN公式得出高通濾波器的-3dB點。  

此外，輸入電容也可用於清除音訊訊號中的低頻部分。小型的揚聲器無法重生低頻訊號，甚至可能被低頻訊號損壞，使用高通濾波器過濾音訊訊號有助保護揚聲器。   

當LM48410被配置成單端訊號源時，在接地上的電源雜訊會被視為一個輸入訊號。將高通濾波器的過濾點設置到高於電源雜訊頻率，例如GSM電話的217Hz，便可濾除輸出中的雜訊。這裡建議採用容差小於或等於10%的電容器，以阻抗匹配(Impedance Matching)和改善共模抑制比(CMRR)和電源拒斥比(PSRR)。   

隨著輸出功率的增加，放大器、負載和電源之間的互連電阻(PCB布線和導線)將會造成電壓降。LM48410和負載之間因布線所造成的電壓損失，將導致輸出功率下降和效率降低。   

使用電源層和接地層可獲得最好的THD+N性能。除了可降低布線電阻外，使用電源層所產生的寄生電容有助過濾電源線。變頻器負載的電感特性可能會在一端或兩端上產生過衝，這需要寄生二極體將這過衝嵌位到電路板接地(GND)和器件內部工作電壓(VDD)。 

(本文作者任職於美國國家半導體) 

圖2所示的電路為典型的被動LC低通濾波器電路。兩個電感器並列在功率放大器和揚聲器之間。當功率放大器開始工作時，將會有強電流通過這兩個電感器。由於有強電流通過，電感器的尺寸必須比較大。但是對於可攜式裝置來說，印刷電路板(PCB)的面積受到限制，因此不允許採用兩個大體積的電感器。除了這兩個較大的電感器外，外部的三個電容器也占去PCB不少面積。

新通訊 2008 年 8 月號 90 期文．黃繼寬隨著數位多媒體功能成為3G手機的標準配備，類比與混訊元件在系統中扮演的角色也日趨關鍵。舉凡MP3音樂播放、行動視訊廣播接收等功能，類比訊號鏈的設計才是系統表現能否令消費者滿意的關鍵。在手機系統中，除了基頻處理器、多媒體應用處理器、以及記憶體之外，幾乎所有元件都算是類比與混合訊號元件。近年來許多手機的創新功能，例如觸控、聲控、乃至加速度感應等，無不與類比電路的設計應用有關。因此類比元件的規格變化，對於手機市場的未來發展亦具備決定性的影響力。   

多重輸出創造音訊次系統需求   

從和弦鈴聲、MP3鈴聲、到MP3播放功能幾乎成為所有3G手機的標準功能，手機系統的音樂表現能力正面臨嚴苛的考驗。在手機應用環境中，使用者可以透過耳機聆聽音樂，也可能透過手機內建的喇叭直接播放MP3音樂。對一般使用者而言稀鬆平常的選擇，卻是系統設計者的一大考驗。以耳機輸出為例，即使D類音訊放大器的成本已與傳統AB類放大器價格相當接近，在考量到D類放大器的電磁干擾(EMI)及所能節省的電力有限等因素之後，AB類放大器仍是工程師的首選；但若以喇叭來輸出音訊，D類音訊放大器的高效率將轉化成顯著的電池壽命延長(相較於AB類放大器)，因而成為手機喇叭輸出上最流行的選擇。   

在MP3播放尚未成為手機的行銷訴求之前，為了節省系統成本與印刷電路板空間，手機設計團隊或許還可以透過手機電源管理晶片內建的放大器來執行全部或部分音訊放大功能。事實上，此一作法在今日的低階手機中仍非常普遍。但在MP3播放功能變成手機的賣點之後，消費者開始對手機的音質有更高的期待，設計團隊便宜行事的空間因而受到壓縮。為了協助手機設計團隊降低印刷電路板布局的複雜度、降低系統成本，音訊次系統(Audio Subsystem)的概念遂應運而生。   

美國國家半導體(National Semiconductor, NS)亞太區聲頻產品資深產品應用工程師郭俊傑表示，隨著音訊功能成為3G手機的主要行銷訴求，手機設計團隊一方面必須提升系統的輸出音質表現，另一方面又必須支援多重輸出。這些規格需求導致系統所使用的音訊元件數量增加，同時也讓手機的印刷電路板布局更為複雜。NS認為，將原本由獨立晶片所構成的晶片組整合成音訊次系統將是這些問題的最佳解答，例如NS所推出的LM49250便是一款整合了兩顆D類放大器與兩顆AB類放大器，可支援立體聲喇叭與耳機輸出的音訊次模組。對手機設計團隊而言，只要在系統設計中導入這顆晶片，就可以省去許多電路板布局上的麻煩，進而加速產品的上市時程。  

在整體D類音訊放大器應用領域占有40%市場的德州儀器(Texas Instruments, TI)同樣看見市場對多重輸出功能的需求，預定將推出具備類似功能的D類音訊放大器TPA2050D4。此元件目前仍有許多細節尚未對外透露，但TPA2050D4採用在輸出級部分做出切割的做法，使同一顆D類放大器可以支援喇叭輸出，也可以支援耳機輸出。TI認為，在手機的使用情境中，使用者不會一邊戴著耳機聽音樂，同時又用喇叭來播放音樂，因此只要在輸出級部分將耳機輸出與喇叭輸出切割開，即可以更經濟的方式支援耳機與喇叭多重輸出。但不可否認的是，AB類放大器在底噪部分仍然較具優勢，這也是許多手機系統設計者選擇耳機輸出放大器時的考量，畢竟相較於喇叭，耳機的噪訊更容易為使用者的耳朵發覺。   

智慧型增益為D類放大器創造更多價值   

圖1　德州儀器類比音頻/視頻訊號產品行銷經理梁逢烈認為，DRC會成為TI得以迴避D類音訊放大器價格戰的獨門特色。

除了多重輸出能力顯然將成為3G手機音訊放大器的標準功能之外，元件供應商亦試圖在手機音訊放大器產品中增加更多新功能，以避開標準型D類音訊放大器的價格戰場。TI類比音頻/視頻訊號產品行銷經理梁逢烈(圖1)表示，D類音訊放大器市場在過去幾年搭著手機、個人多媒體播放器等可攜式產品的風潮而快速成長，但在市場規模擴張的同時，競爭也變得更加激烈。在此一趨勢下，元件供應商必須在自家的產品中添加更多附加價值，否則就只能打價格戰。 
 

為了提升產品的附加價值，TI最近發表一款標榜具備動態範圍壓縮(Dynamic Range Compression, DRC)功能的D類音頻放大器TPA2016D2。透過可編程的自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)，此款元件可以在播放到有超過喇叭額定輸出功率之虞的音樂片段時，瞬間將增益值降低以保護喇叭，亦允許設計者自行定義一個臨界閾值，當輸出超過閾值時，此元件即可自動依先前設定的比例來壓縮聲音的輸出功率。這兩個功能搭配運用之後，可以讓消費者的聽覺不至於因為動態範圍壓縮而感到突兀，同時也讓手機設計團隊可以更大膽地提升手機音訊的平均輸出功率，以便讓消費者聽見更多原本聽不到的聲音細節。   

梁逢烈信心滿滿地認為，在3G手機普遍內建MP3音樂播放功能的趨勢發展下，DRC將成為未來D類音訊放大器的重要功能，有幾款先前所推出的手機音訊放大器也很有可能會被新元件所取代。從TI開出的參考報價來看，也可以嗅出TI確實有將DRC拱成D類音訊放大器主流的企圖。   

抗雜訊與陣列需求推動微機電麥克風起飛   

圖2　樓氏電子產品應用經理吳漢傑(左)表示，微機電麥克風憑藉其優異的抗干擾特性，在天線林立的3G手機中已經成為麥克風元件的首選，但業界在選擇解決方案時仍須從更全面的角度來評估元件是否適合自己的系統設計需求。右為樓氏電子亞太區業務協理何美靜。

除了音樂播放帶來音訊輸出端的變革之外，3G手機的多功整合特性也對音訊輸入端帶來許多新挑戰。樓氏電子(Knowles)產品應用經理吳漢傑(圖2左)表示，以目前典型的3G手機設計來看，一支手機中至少內建四根天線(三頻GSM、WCDMA、藍牙)。為了避免麥克風受到射頻訊號干擾，設計工程師除了可以在麥克風外面加上一層金屬屏蔽，以提升元件的抗干擾能力。事實上，站在射頻接收的角度，加上金屬屏蔽之後的麥克風若是距離天線過近，本身也會造成射頻接收的干擾，因此系統設計工程師以往會刻意讓麥克風與天線保持安全距離。但在3G手機應用中，由於射頻天線數量大增，因此麥克風位置的選定變成設計者的一大挑戰。而先天抗干擾能力較佳的微機電麥克風，遂成為工程師在進行應用設計時的首選。   

 

除了抗干擾能力之外，微機電麥克風的小尺寸優勢也允許設計者發揮更多創意應用。例如在手機的喇叭旁邊放置麥克風來監聽喇叭所播放的音訊波形，即可讓手機數位訊號處理器在執行回聲消除演算法時有更精確的參考訊號，進而提升通話品質。另外一個應用情境則是麥克風陣列。對於個人導航設備這類最好可用聲控方式操作的系統而言，要提升系統對語音指令辨識精準度的方式之一就是透過麥克風陣列，讓系統能抵抗更強的背景噪音(如汽車發動時的引擎聲與震動噪音)。  

事實上，目前已有許多智慧型手機與個人數位助理(PDA)手機內建全球衛星定位系統(GPS)導航功能，也開始有如台灣國際航電(Garmin)、宇達電通(Mio)等GPS導航設備廠商挾其定位技術專業跨界投入手機市場，因此，在市場競爭趨向白熱化之際，原本只被運用在筆記型電腦、個人衛星導航設備上的麥克風陣列技術，或許也將很快出現在主打定位功能的手機機種上。但吳漢傑也指出，麥克風陣列技術要被運用在手機上，除了手機的系統尺寸所帶來的設計挑戰之外，麥克風元件本身的公差也是一個不可忽視的問題。目前業界最普遍的元件公差約為正負3dB，有些公司可以提供正負2dB的元件方案，樓氏電子本身則有幾款麥克風的公差為正負1dB，若要組成麥克風陣列，元件的公差應盡可能縮小，否則軟體演算法將淪為英雄無用武之地。   

吳漢傑也提醒，目前市場上對微機電麥克風仍有許多迷思，例如元件尺寸越小越好等等，卻忽略了元件本身的可靠度也是一大關鍵。曾經有客戶評估試用一款他廠牌標榜當時業界尺寸最小的麥克風元件，但在進行摔落測試時卻發現該元件不耐摔，幾乎完全無法通過高度30公分以上的摔落測試。除此之外，微機電麥克風以往的最大賣點之一就是可以用表面黏著技術(Surface Mount Technology, SMT)導入系統量產，不像過去電容式麥克風只能採用手焊製程，因此客戶在選用元件時，也應該把自家生產設備或協力代工廠的SMT機台處理能力納入考量。   

三軸加速度感測器為手機帶來更多樂趣   

除了時下最流行的多點觸控以及可望乘個人導航功能而起的聲控之外，原本被應用在汽車安全配備中的加速度感測器也試圖搶進手機市場，為手機帶來更多新花樣。   

事實上，手機採用加速度感應器的歷史最早可追溯到2005年夏普(Sharp)為日本沃達豐(Vodafone)所設計的V603SH客製化手機，其所內建的二軸加速度感應器允許使用者透過將手機直擺、橫擺、或傾斜的方式來操作選單或游標，同時也內建兩款讓使用者透過揮舞手機來進行操作的Java遊戲，可說是目前風靡全球的任天堂(Nintendo)Wii遊戲機的概念始祖。至於最近的例子，則是蘋果(Apple)所推出的iPhone(圖3)。在第一代iPhone中，三軸加速度感應器可透過偵測手機擺放角度的方式來旋轉相片的方向，讓使用者可以更直覺地瀏覽存放在iPhone中的相片；在iPhone 3G中，蘋果對外公開此一功能的應用程式介面(API)，並立刻引起遊戲開發社群的興趣，許多遊戲開發商已經利用此一API開發出創新的遊戲，讓使用者可以透過搖動、傾斜的方式來玩iPhone手機遊戲。

 

資料來源：蘋果 圖3　手機內建三軸加速度感應器的案例目前仍僅見於有意整合掌上型遊戲機功能的手機系統中，因此是否能成為趨勢，還有待電玩產業的投入與力挺。

 混合式行動電視捲土重來   
 

資料來源：索尼愛立信 圖4　行動電視在經過一年的沉澱與洗牌之後，將以更成熟的技術重新挑戰市場接受度。

 類比世界無限精彩   

不管是觸控/聲控操作模式，還是更好的視聽效果，都必須仰賴類比元件設計應用上的創新才有可能達成。對系統產品而言，這些能直接提升使用者體驗的新功能，同時也是產品差異化所在，類比元件所扮演的角色也因而更為吃重。 

但不可否認的是，內建加速度感測器是否能成為手機設計的新趨勢，還必須仰賴手機遊戲的發展。若是以遊戲功能作為訴求的機種數量無法成長，再加上遊戲開發者的投入不足的話，手機內建加速度感應器所能提供的價值將相對有限。此外，目前市場上針對手機應用開發三軸加速度感測器的三家主要供應商亞德諾(Analog Devices, ADI)、飛思卡爾(Freescale)、與意法半導體(STMicroelectronics, ST)，能否持續降低元件的封裝厚度以及晶片成本，將是加速度感測器能否普及到多媒體手機的關鍵。  

Altera公司可望成為第一家發佈40奈米FPGA系列的現場可程式閘陣列(FPGA)供應商。儘管其競爭對手賽靈思(Xilinx)公司據說先前也已經開發出一款45奈米產品系列，但至今尚未宣佈進一步的產品細節。  除了Stratix IV FPGA之外，Altera公司還將發佈40奈米的HardCopy IV結構化ASIC，以及因應這兩款元件類型的配套軟體工具。Altera的這兩款元件系列是採用台積電(TSMC)公司的40奈米代工製程製造，因而可用以實現新一代的單晶片、多核心元件與相關的先進元件。  Altera公司長久以來一直在討論有關40奈米FPGA技術。不過，根據Xilinx公司的一個消息來源推測，Altera公司之所以大舉推進40奈米元件的開發，很可能是因為其65奈米產品在市場上表現不佳，因而改變發展方向。  相形之下，Xilinx公司並不太願意公開討論其下一個節點計劃，並堅信65奈米FPGA將在未來的一段時間內成為主流技術。而業界一般咸認為，其他的FPGA開發廠商在製程技術方面已遠遠落後於這兩家公司。  

工研院(ITRI)日前結合力晶、南亞、矽品、茂德、漢民、旺宏、巴斯夫(BASF)、布魯爾科技等9家半導體業者，共同成立了「先進堆疊系統與應用研發聯盟(Advanced Stacked-System Technology and Application Consortium，Ad-STAC)」，期望建構一個跨產業的立體堆疊晶片研發平台。  “從現在起的4~5年內，聯盟將陸續投入約20億新台幣的資金來挹注相關研發，”工研院電光所所長兼Ad-STAC聯盟會長詹益仁表示。工研院目前為Ad-STAC聯盟投注了約50名研發人力，未來還將視需求逐漸增加。  在Ad-STAC成立前，工研院已針對3D晶片進行了5年的研究工作，而且已取得了10項專利。據工研院電光所構裝技術組組長駱韋仲表示，其專利佈局主要針對整體構裝方面，“這是最有價值的部份。”  “我們正在試製一個20顆晶片堆疊的產品，”駱韋仲透露。不過，這個堆疊晶片僅是實驗用途，用於驗證其構裝、可靠性、散熱等方面的開發能力。至於該聯盟與參與廠商何時能推出具體產品，詹益仁透露，大約在明年下半年，即可見到初步成果。  3D構裝晶片並不是新概念，全球主要的晶圓及半導體廠商都早有相關開發計畫，但缺乏開發工具一直最難跨越的挑戰之一。“要將晶片堆疊起來並不難，但要讓它們都能順利工作，還需要很多努力，”駱韋仲指出，從工具角度來看，“非常缺乏發展3D晶片的工具。”他表示，現階段許多開發工作都是用2D工具完成的，因此，在許多部份仍需要手動設計。  

根據市場研究機構的預測，微機電系統振盪器(MEMS oscillators)正以120%的年成長率，逐漸替代石英振盪器；還有分析機構預測，微機電系統振盪器將以四倍的年成長率成長。  德國市場分析機構Wicht Technologie Consulting (WTC)對MEMS產業的預測，即超越了先前另一家法國市場研究公司Yole Development對MEMS年成長率為30%的預測。  據WTC介紹，在消費性電子和汽車電子產品微型化生產，以及透過CMOS單晶片實現的多振盪器MEMS系統單晶片的驅動下，目前規模約250萬美元的MEMS振盪器市場，可望在2012年成長到140萬美元。2012年之後，MEMS振盪器將在手機時序晶片(timing chip)方面達到10億美元的市場價值。  美國業者Discera和SiTime，在2007年就生產了價值達300萬美元的MEMS振盪器。另一家美國業者Silicon Clocks亦正準備生產採用MEMS振盪器的鍺矽晶片；該公司計劃將其作為SoC時序電路(timing circuits)產品。  「Discera和SiTim的首款產品，可歸類為系統級封裝(system-in-package)產品。」WTC市場研究主管Jeremie Bouchaud指出：「而Silicon Clocks從一開始就將公司定位為提供SoC MEMS時序解決方案；其首款商用產品將在1年內推出。 SiTime則將緊隨其後。」  

許多類比訊號電路需要進行交流耦合，以便消除不必要的直流電壓或偏置電壓。交流耦合的最簡單辦法就是採用一個與訊號路徑串聯的電容器，因而形成一個單極點高通濾波器(HPF)。在本文中，我們將探討一種通用的方法，這種方法無需在訊號路徑中放置電容器就可實現高通濾波器功能。而且，我們還將進一步擴展該方法，以便製作二階或更高階的高通濾波器。  在許多應用中，實現交流耦合只需要一個串聯電容器。但在另一些應用中，這種簡單的方法可能引起音訊電路中的問題，例如HPF的極點常常需要位於10Hz以內的範圍。從降低噪音考慮，電容器必須具有低阻抗，因此，我們需要採用大電容器。然而，這樣的電容器通常也容易影響音訊訊號。  其它應用，如在自動外部除顫器(AED)的熱感測器電路中，在類比/數位轉換器(ADC)之前，必須消除輸入的直流電壓以及電路引起的偏置電壓。  許多精密的應用在訊號鏈路中採用了儀表放大器(INA)。在這些電路中採用輸入電容器通常是不切實際的。由於在兩個輸入間存在著良好的平衡，INA具有極高的共模抑制。圖1所示為把INA217配置為具有40dB增益而實現的典型INA電路。因其特性的緣故，這種電路具有非常低的噪音和失真。然而，偏置電壓特性卻不夠好。   
圖1：儀表放大器。

根據Tech Insights/嵌入式系統設計報告(Embedded Systems Design reports)所進行的《2008年嵌入式市場研究報告》指出，嵌入式系統開發人員在2008年正為了竄升的開發專案所苦；設計人員對完成專案倍感壓力，此外報告中也指出，50%以上的開發專案沒有如期完成。  這份年度調查報告顯示，相較於自2005年以來的產品改進專案，2008年新開發專案的比例已達到歷年來的高峰；在所有開發專案中，新開發專案佔46%，其餘54%則為產品升級和改進專案。其中，改進專案中有81%採用了新軟體功能；而升級專案中有55%為採用新的處理器，39%採用了新系統邏輯。在接受調查的設計開發人員中，有62%的人參與了軟體或韌體的編寫及除錯，這也反應出新軟體特性在此所佔的比重。  有74%的開發專案涉及即時核心或性能表現，而關於網路技術的開發亦佔了61%。其中有47%的專案涉及到耐用性，同時有1/3的專案包括了電池設計、無線通訊或兩者兼具。在無線開發專案中，51%的設計偏好Wi-Fi，其次分別為藍牙27%，蜂巢式21%和ZigBee技術21%。  開發工程師們覺得工作越來越忙，所負擔的責任也越來越大，而實際上一個設計團隊平均規模已由2007年的13.6人增加到了2008年的15.2人。平均每一設計團隊中軟體工程師人數所佔比重在2007和2008這兩年裡都超越了硬體工程師和韌體工程師人數；2008年平均每個設計團隊中有8.1位軟體工程師，幾乎為硬體工程師人數(4.3人)的2倍，以及韌體工程師人數(2.8人)的3倍。  接受調查的開發設計人員中有近2/3(65%)的人表示同時參與了兩個或多個專案的開發，其中有13%的開發人員表示同時參與3個以上的開發專案；而其餘1/3接受調查的設計人員表示一次只開發一個專案，其中只有2%的人員不屬於嵌入系統開發。報告也指出，有51%的開發人員表示最關心開發專案能否按期完成，其次關心的是除錯(佔38%)，程式碼複雜度(佔26%)和維持預算成本(佔24%)。  

新通訊 2008 年 7 月號 89 期文．黃繼寬從去年以來，記憶體產業就進入動態隨機存取記憶體(DRAM)與快閃記憶體(Flash Memory)行情持續破底的景氣冰河期。但根據WSTS統計，2007年全球半導體市場規模達到2,742億美元，其中記憶體便貢獻了503億美元，因此記憶體仍是半導體產業中非常重要的一個次領域。而在龐大的記憶體市場中，NAND快閃記憶體已大幅超越DRAM，穩居記憶體市場規模的王座。

美光科技NAND市場發展總監Kelvin Kilbuck認為，快速演進的製程技術將使得NAND記憶體的成本繼續下降，並使市場規模持續成長。

 

預計到2009年，這兩個應用就可望與MP3播放器一起扮演撐起NAND市場的三大支柱，特別是手機應用這個領域的成長速度，更是美光與各家市場研究機構最看好的成長火車頭。也因為終端應用多元化發展的趨勢終於確立，使得美光在整個記憶體市場的景氣展望仍不甚明朗的當下，仍願意斥資21.5億美元興建晶圓廠加碼擴充產能。  

除了擴充產能之外，美光在產品種類的開發上也投入了許多資源，例如在智慧型手機、MP3播放機、數位攝影機等可攜式應用市場上，美光便鎖定嵌入式多媒體卡(Embedded Multimedia Card, e-MMC)產品全力投入。嵌入式多媒體卡運用多晶片堆疊封裝技術(Multiple Chips Packaging, MCP)，目前可以在1.47毫米(mm)厚的單一封裝內堆疊8枚NAND快閃記憶體晶粒與一枚控制晶片，在不久的將來，美光計畫進一步將其厚度縮減到1.2毫米，以符合系統設計近來流行的超薄需求。Kilbuck表示，由於e-MMC在單一封裝中整合了快閃記憶體與控制器，因此嵌入式系統設計者在採用這種產品之後就可以不必考慮處理器與NAND快閃記憶體互動的細節。例如記憶體區塊管理與糾錯功能，這些都可以由封裝內的MMC控制器來負責。這將使設計團隊可以更輕鬆地將大容量記憶體整合到系統設計中。  

除了易於設計外，Kilbuck還強調，e-MMC不像SD卡(Secure Digital Card)與MS卡(Memory-stick Card)有棘手的授權問題，再加上這個標準除了美光之外，還獲得像是三星(Samsung)等其他快閃記憶體供應商的支持，因此e-MMC肯定將成為這類以堆疊封裝方式出貨的快閃記憶體未來的主流標準之一。 

美光(Micron)NAND市場發展總監Kelvin Kilbuck指出，隨著固態硬碟(Solid State Drives)以及行動通訊裝置內建記憶體容量持續提升，NAND記憶體的市場需求只會越來越高。事實上，除了以快閃記憶體為基礎的MP3播放器之外，手機內建與固態硬碟的容量也正在快速提升，例如甫一推出便引發話題的iPhone所內建的快閃記憶體容量便已高達8GB，而固態硬碟的最大儲存容量則從去年的128GB跳升到256GB。  

新通訊 2008 年 7 月號 89 期文．黃繼寬隨著半導體製程持續向深次微米推進，高昂的製程研發成本與光罩費用已經成為採用先進製程的最大門檻。事實上，自從半導體製程進入90奈米世代之後，能跟上製程技術發展腳步的半導體元件廠商就已呈現銳減的態勢。而這樣的大環境對也為向來最先進製程技術的可編程邏輯元件產業，帶來新的機會與挑戰。

圖1　Altera總裁暨執行長John Daane指出，可編程邏輯元件未來幾年的成長速度仍將遠高於整個半導體業平均值。

 

PLD產業進入門檻持續提高  

也因為整個PLD市場的成長速度幾乎是整個半導體產業成長速度的兩倍以上，使得許多創投公司非常熱衷於投資PLD產業的新創公司。Daane也注意到這個趨勢，但他對這些新創公司的未來並不看好。Daane指出，光是過去幾年，創投投入PLD產業的投資金額就高達10億美元。也由於創投的大力支持，近年來市場上 出現了許多新面孔。然而，PLD市場的風貌並沒有因為這些新創公司的加入而出現太大的轉變。事實上，光Altera與賽靈思(Xilinx)就已經分食了超過八成的PLD市場，而市場前三大供應商囊括九成PLD市場的現象也已經存在相當多年了(圖2)。

 

資料來源：In-Stats 圖2　2007年PLD市場概況。連同新創公司在內，目前PLD產業約有10家供應商，但除了前三大之外，其他供應商只能在特定利基型市場上找到發揮空間。

 

而且目前市場上最主要的幾家PLD供應商，也並沒有墨守在自己原本的勢力範圍內。事實上每家主要廠商都或多或少在發展新技術來滿足新的應用需求，例如Altera原本是一家以靜態隨機存取記憶體(SRAM)技術為基礎的PLD公司，但Altera現在也有採用快閃記憶體(Flash)加上查找表(Lookup Table)，並具備超低靜態功耗特性的複雜可編程邏輯元件(CPLD)，來滿足手持市場的應用需求。  

Daane總結說：「我不敢說未來不會有新創公司在PLD市場上取得一席之地，因為隨著PLD的應用範圍日趨廣泛，或許日後會出現一些新的利基市場。但從過去的例子來看，許多從創投那裡獲得大筆資金的新創公司，到最後都因為無法找到夠大的利基繼續生存下去而退出市場或是遭到購併。雖然創投普遍看好PLD市場的發展前景而願意給予新創公司充沛的銀彈奧援，但仍難以對PLD這個已經高度集中化的產業造成本質上的轉變。」  

以開發工具厚植優勢   

事實上，隨著製程技術進步而來的元件密度提升一方面形成小廠的門檻，另一方面也給PLD用戶帶來許多新的問題，例如系統設計整合的複雜度與設計的編譯時間大幅拉長等等，都讓矽智財(IP)整合與電子設計自動化(EDA)工具這些以往被認為是EDA廠商該提供的支援變成PLD廠商必須面對的新課題。   

Daane透露，其實Altera有接近一半的研發工程師平常負責的工作是研發改進EDA工具與Quartus設計軟體。如此大手筆的研發投入，讓Altera的EDA工具鏈在最近這幾年顯著改善，特別是在暫存器傳輸語言(Register Transfer Language, RTL)編譯效能方面，除了透過改善演算法效率之外，像是允許工程團隊將整個現場可編程閘陣列(FPGA)設計分割成不同區塊來進行協同設計，同時在進行RTL編譯時允許僅針對改動區塊進行編譯動作，以節省編譯時間的漸進式編譯等功能。   

軟體支援將成為PLD的競爭關鍵   

除此之外，Altera的開發環境還包含了像是時序分析、效能瓶頸分析等以往專門設計給ASIC設計團隊使用的EDA工具才會支援的功能。而完善的工具支援也顯示出Altera以可編程方案加上結構化ASIC解決方案來分食ASIC市場的意圖。同時也為Altera的解決方案創造差異化。  

「從表面上來看，Altera與競爭對手不管在高階、中階、還是CPLD產品線方面都呈現捉對廝殺的局面，但由於Altera在EDA工具方面投資了相當多的人力與資源去進行改善，因此Altera所提供的整體解決方案跟其他競爭對手的方案使用起來有很大的差異。而這也是Altera過去幾年能夠持續創造出高於業界平均成長幅度的成績的原因之一，同時也是Altera未來幾年的主要經營目標。」Daane說。 

「新創公司要在PLD市場上生存並不容易，因為他們必須要找到夠大的利基來支持他們的公司運作並持續研發出新的產品。但至少到目前為止，我沒看到這些在創投支援下帶著新技術加入PLD市場的新創公司有很成功的例子。」Daane說。 
  由於使用先進製程技術來設計生產半導體元件的成本日趨高昂，在過去這幾年來，不管是特定應用半導體元件(ASIC)還是特定應用標準產品(ASSP)，能夠支撐半導體供應商用最先進製程來開發產品市場已經越來越少了。Altera總裁暨執行長John Daane(圖1)表示，為了因應這個趨勢，半導體解決方案供應商一定得推出可編程的解決方案。因為唯有如此才能把單一產品的市場規模做到最大，進而讓元件供應商得以回收開發成本。事實上，近年來可編程邏輯元件(PLD)產業的成長速度比起整個半導體產業要快上非常多。根據數家研究機構的數據顯示，整個可編程邏輯裝置產業近年來的成長速度約在10～15%左右，但整個半導體業同時期的成長速度應該只有5～7%之間。