超低价手机用芯片特性探析

超低价手机用芯片特性探析前言：低价、低价、再低价，手机除了奢华性发展外，超低价发展也是另一股不可忽视的趋势，为了在超低价市场上拥有更强劲的成本优势，各芯片业者无不使出浑身解数，致力于超低价手机用芯片的各项特性……由于手机是昀普及的手持式装置，且近年来手持式运用的功效机制不断地发展与创新，使业界长时间都只关注高阶手机市场，甚至关切手机与个人数字助理能融合到何种程度，两相融合因而有了智能型手机(Smartphone)的词称，而过往的一般性手机为了与Smartphone在词称上有所分别，因而被冠上了FeaturePhone的称呼，或者也称为「RegularPhone」。(附注1)不过，或许是全球社会的M型化发展，也或许是手机整体战线的扩展延伸，也或许是比照低价计算机、超低价计算机、金砖四国计算机、新兴国家型计算机等市场理念，使的业界开始重视低价与超低价的手机市场，超价/超低价手机不强调花炫的功效，而着重在手机本体功效，即语音通话、简讯收发，行有余力才添加额外的功效机制，并力求总体成本的精省。此种以基本功效为主，不断缩减成本、价格的手机，今日多称为UltraLow-Cost(ULC)的手机，即称ULCH(UltraLow-CostHandset)，有时则会称为ULCPhone、ULCCellularPhone。超低价手机是多低价？过去1997年低价计算机(Low-CostPC)刚兴起时，是以机身(不含显示器)的价格1,000美元为基准，低于1,000美元者即可称为低价计算机，而2004年因新兴国家市场理念而兴起的超低价计算机，则是以250美元、180美元以下为准。同理，超低价手机的具体价格基准为何？关于此若依据研究调查机构：iSuppli的看法，低价手机的销售单价将逐年往下调整，2005年是以低于50美元为目标，2006年则降至42美元，如此逐年递减，预计到2010年要降至32美元。要到如此的低价，到底该从何着手？对此除了在板卡层次(BoardLevel)进行各项功效与料件的精省外，更重要的是芯片层次(ChipLevel)的配合，即是手机芯片业者必须针对低价/超低价的需求来设计与推行新的芯片。事实上各手机芯片业者也早就洞察低价手机芯片的市场性，进而纷纷投入对应的芯片研制与销售。举例而言，美国德州仪器(TexasInstruments；TI)就推出了eCosto与LoCosto系列的低价手机用芯片，之后更推出了LoCostoULC系列的超低价手机用芯片，又如德国英飞凌(Infineon)于2005年7月推出的E-GOLDradio(ULC)，之后又有S-GOLDvoice(ULC2)。或如荷兰恩智浦(NXP)半导体推出的NexperiaPNX4903(附注2)、美国高通(Qualcomm)通讯的QS6010等芯片，都是针对低价/超低价手机而推行，此外日本瑞萨(Renesas)电子、台湾联发科技(MediaTek)等也都有低价/超低价手机的芯片方案。更有甚者，为了更致力于低价/超低价手机用芯片的市场，上述业者也积极购并其它业者，如NXP在2007年2月以2.2亿欧元(约2.85亿美元)的现金买下美国SiLabs的行动通讯部门，或如2007年9月MediaTek以3.5亿美元买下美国亚德诺(AnalogDevices,Inc.；ADI)的通讯部门，都显示业者的加码动作。当然！即便不论市场的正面扩展延伸，而是往市场的负面红海杀戮来看，手机用芯片也绝对有低价/超低价化的必要，有愈来愈多的传统通讯大厂抛售其手机部门，从过去知名的德国西门子(Siemens)售给台湾明基(BenQ)，到昀近日本三洋(Sanyo)以500亿日圆(约4.35亿美元)将手机部门卖给日本京瓷(Kyocera)，手机部门亏损以致易手，未来若想转亏为盈，自然要努力降低成本。既然了解到降低成本的极大关键会是在芯片上，因此本文以下将针对超低价手机用芯片的各项特质进行更深入的讨论，以了解其与Smartphone、FeaturePhone的不同点。外部零件数、用料成本超低价手机用芯片之所以能够低价，原因在于运用半导体制程的缩密技术，将更多的功效电路及硬件资源整合为一，减少芯片外的零件用量，进而减少整体料件成本(BOMCost)。举例而言，超低价手机用芯片已在芯片内部整合了SRAM内存，如此就省去外接独立封装的SRAM内存，这不仅是减少另购SRAM内存的成本，也减少了额外的介接设计心力与验证心力，更进一步的是减少手机电路板的使用面积，面积的减少也表示材料成本的降低。所以超低价手机用芯片的推行业者经常会强调其方案的量化精省表现，说法上包括：外部零件可以少于50个、外部零件的总数仅39个、整体料件成本能低于20美元等，以「用数」及「价格」为其号召。CMOS制程、65nm制程今日半导体产业中昀普遍、昀标准、成本也昀低廉的制程莫过于Si(硅)材、CMOS结构的制程，一般也称为标准CMOS制程，不过标准CMOS制程多半用在数字逻辑性质的电路及芯片上，在混讯、模拟性质的电路、芯片方面则不一定使用CMOS制程，为了达到某种特性表现(如功率、效能等)可能使用不同材质、不同结构(如BJT结构、BiCMOS结构)的其它制程，然CMOS之外的制程多半需要较高的成本。举例而言，无线射频(RadioFrequency；RF)芯片为力求收发效能的表现，会实行SiGe(锗化硅)材质、BiCMOS结构的制程，SiGeBiCMOS作法虽然有较佳的收发效能，但成本却较SiCMOS高，此外无线收发时的功耗用电也较高。相对的，使用SiCMOS作法来制造无线射频芯片，其收发效能较差(相对于SiGeBiCMOS而言)，但用电却较省，同时成本也较低廉。既然超低价手机用芯片的第一取向是「成本」，那么就必然以SiCMOS方式来制做无线射频电路，事实也是如此，TI甚至将此种作法称为数字无线射频处理器(DigitalRFProcessor；DRP)，做为自有芯片方案的一个特点来强调。另外，若排除新制程技术的研发投入与初期良率的改善提升等成本，则CMOS技术的电路尺寸愈是精缩，则所产制的芯片成本将愈是低廉，所以芯片业者也多半积极将昀新的电路缩密制程用于超低价手机用芯片上，过去用90nm(奈米)，而今用65nm，未来只要制程技术成熟也将会导入45nm。单芯片化单芯片(Single-Chip)化也是超低价手机用芯片的一项必然趋势，中高阶的手机用芯片为了追求功效的多样，多半要以芯片组(2颗以上的成套芯片搭配)方式来实现，然低价/超低价手机以成本为首要考虑，将芯片组电路进行进一步的整合，成为单一颗芯片。单芯片化后的好处包括精省芯片的封装成本(从2颗芯片的各1次封装，变成单颗单次封装)、在手机电路板的布局设计时可以精省印刷电路板的面积及料材成本。当然，要成就单芯片必然要将较次要、花俏的功效电路牺牲、去除。值得一提的，在2、3年前，也就是超低价手机用芯片的概念刚提出，且芯片业者初尝试时，业者认为：若针对超低价的市场需求而再行设计、投产新芯片，其风险较高，倘若超低价市场没有成形，量产规模未达预期，而又已经投入芯片设计及光罩等成本，有可能无法回收。因此芯片业者初期并不倾向单芯片化发展，而是以既有的芯片组，从独立、分离、离散型态的封装，转成整合型封装，即是将2颗以上的裸晶一同封装，此也称为SiP(SysteminPackage)封装法，如此可以省去再行设计的心力，但同样可以达到单芯片化的目标。或者也有业者不使用SiP作法，依然实行芯片组作法，并以模块子卡的方式提供给手机设计业者，让手机设计业者仍有再行设计的空间及弹性(在与模块子卡连接的其它电路板上)。无论是SiP作法或是模块子卡的作法，之后都没有受到青睐，模块子卡的作法等于要用上2片以上的电路板，如此并不符成本，低价/超低价手机必须的机内必须只以1片电路板来实现一切的系统功效才合算(附注3)。而SiP作法能兼顾库存也能省去再行设计，然而在超低价手机用芯片的市场规模开启后，投入再设计的风险已大为降低，新设计一起头即采单芯片化，如此就不再需要SiP作法。更重要的是，超低价手机用芯片不仅要单芯片化，其单芯片的封装尺寸也要尽可能娇小，此同样也是为了精省印刷电路板的面积成本。多在GSM、GPRS层次现阶段超低价手机用芯片多仅支持GSM或GPRS的通讯标准，部分则有支持EDGE(如TI的eCosto平台)，至于3G的UMTS、WCDMA等则未有支持，3G仍以中高阶手机为主。比较例外的是Qualcomm，Qualcomm是3G技术的主导业者，Qualcomm也不放弃低价手机的市场机会，因而推出了QSC1100、QSC6010等芯片，不过QSC1100、QSC6010皆是支持CDMA20001X的通讯标准，也并非是UMTS、WCMDA。然而可以想象的，随着技术提升与时间推移，未来必然也会有支持3G标准的超低价手机用芯片。绑锁性功效机制前述的部分多半在电路整合及制程技术等方面，而低价/超低价手机用芯片还必须注重一项功效设计，那就是安全、辨识。为何低价/超低价手机用芯片要重视安全辨识机制？原因是：今日行动通讯的服务营运业者为了促销其服务，多半会推行所谓的免费手机、1元手机，提供免费手机、1元手机对营运业者而言是预先支付成本，之后再从年约或逐月的服务费中赚回，甚至只是打平，而期望从手机上的额外服务运用来赚回，例如下载铃声、歌曲、游戏等。既然营运模式、商业(BusinessModel)是如此，如果末端消费者取得手机后，将原附的SIM卡取出，换上其它营运业者的SIM卡来使用，如此除非营运商签约之初就取得年费而回收其手机成本，否则业者就会亏损，即便不亏损，对消费者后续能使用其附加服务的希望也会落空。此外消费者下载铃声、游戏等额外付费服务，也必须有更完善、稳当的安全辨识、身份辨识，才不会造成日后的账单纠纷。所以超低价手机用芯片必须比中高阶手机更注重安全、辨识等功效机制，此方面TI提出了M-Shield技术，或其它业者也有类似的自有技术机制。有了绑锁机制后，营运业者可以将手机设计成：一旦换替SIM卡手机就无法启动，或在使用付费下载服务前再次确认使用者身份。附注1：有些市场研究报告还会将FeaturePhone再行细分，区分成FeatureRich与BasicFeature，其中FeatureRich较BasicFeature高阶，如此整个手机规格层次，由高至低为：Smartphone、FeatureRich、BasicFeature、UltraLow-Cost。附注2：PNX4901/3/5原属于SiLabs公司的AeroFONE系列下的芯片产品（原称：Si4901、Si4903、Si4905等），NXP买下SiLabs的行动通讯部门后，AeroFONE系列才归属至NXP，目前仍称AeroFONE系统，然日后有可能归入NXP原有自属的Nexperia系列。附注3：这也间接意味着低价/超低价手机必然是无盖手机，不会实行掀盖、滑盖设计，或即便有掀盖、滑盖设计，其上盖部分也不会有电路，也不会有子显示屏，一旦上盖部分有显示器或电路，就表示一支手机要用上2片以上的电路板，如此成本将增加。图说：使用TI的DRP技术、单芯片解决方案的前后设计比较图。（）图说：NXP的超低价手机用芯片：AeroFONE4903的功能方块图。（）图说：Infineon的第一代超低价手机用芯片组：E-GOLDradio(单芯片基频＋射频)与E-POWERlite(电源管理芯片)，使用此芯片组可让原本要150~200个左右的外部零件减至100个以下。（）图说：Qualcomm的超低价手机用单芯片方案：QSC60xx(包含QSC6010)的功能方块图，QSC具有「QualcommSingle-Chip」之意。（）