新一代智慧型手机晶片设计挑战

行动通讯市场正迈入快速变迁的时代，新服务的问世衍生出各种新应用与新功能，而手机的硬体与软体架构也因此歷经大幅度改变，以因应业者与使用者对市场、成本、功能等方面的不同需求；本文将以新一代的手机软硬体架构做为范例，为读者指出目前手机晶片设计的挑战所在与解决方案。

行动通讯市场正迈入快速变迁的时代，新服务的问世衍生出对新应用与新功能持续攀升之需求。手机使用者要求产品必须提供真正的行动力，因此对于手机的尺寸或耗电率要求日趋严苛。这正是新一代手机与硅元件制造商所面临的挑战，光是利用单一处理器来执行所有手机软体已无法应付实际的需求，因应制程不断推陈出新，针对软体进行测试与检验已成为设计工作的重要阶段，手机的上市时程更成为影响成败之关键因素。

多功能与新应用对手机设计之挑战

就短期而言，可运用多组应用处理器发展出的过渡性解决方案，却必须承担大幅增加的耗电率、更短的电池续航力以及增加的零组件成本（BOM）。运用一组高效能核心处理通讯协定与各种应用的单处理器模式，亦面临耗电率的挑战以及软体复杂度等方面的问题。

将各种新应用或新通讯功能加入这类系统已成为测试与检验工作的恶梦，不仅让研发时程延长数个月的时间，更让各种衍生机种的研发工作须耗费大量时间与成本。转移至效能更高的新核心意谓须大幅改写与重新测试程式码，让研发工作的时间大幅增加。

软体是影响手机研发时程的一项重要因素。缩短各元件的研发与测试时间，可大幅地降低缩短产品上市时程以及获利时间，但手机厂商亦须满足电信业者对于新功能与新使用者介面的各种要求。软体研发与测试是手机厂商的一项重大课题，它的重要性媲美程式码是否能重复使用，而客制化与可修改的弹性之重要性则和系统的其它部份一样等而次之。变更一颗高效能处理器中的任何一行程式码，都须全面重新测试与检验整体系统。

针对系统各个部份使用多组处理器核心，不仅能克服软体研发方面的挑战，并能让耗电率远低于使用独立应用处理器的手机。一套软体与硬体架构设计完善的系统，将所有处理与週边元件整合至单一晶片，能降低手机设计的复杂度，故能降低零组件数量、制造成本、硬体测试成本，同时加快手机本身的上市时程。

选择一套业界标准的处理器架构搭配可合成、可扩充的核心方案，让整个架构能在现今与未来皆能提供最佳的效能，满足各类设计的需求，并维持软体的相容性。再加上软体研发方面的优势，这套模式将为手机研发业者与电信服务业者提供各种重要的优势。

新一代行动电话硬体架构实例

以(图一)的行动电话架构为例，该架构结合一组专属的通讯引擎以及一组独立应用处理器，透过共用记忆体与各种週边元件串连成单晶片。这套架构能扩充应用效能以及载送技术（bearer technologies）。因此，当载送技术从GPRS升级成EDGE与UMTS，并升级至新型的高速下链封包存取（High Speed Data Packet Access； HSDPA）通讯协定时，通讯处理器可配合进行升级，且不会影响应用处理器。同样的，应用处理器亦可进行修改，以支援MP3、影片播放以及影音通讯等应用持续成长的多媒体处理需求。这种模式能重复使用现有的元件且不须重新设计整套架构，实现个人频宽的愿景。
2.5G GPRS/EDGE系统中内含一套成熟的通讯引擎，以及内建DSP16K数位讯号处理器以及ARM处理器。DSP引擎负责处理通讯链结中的即时元素，而ARM元件则处理高阶通讯协定层。
　

(图一)　Agere“ Vision”行动电话架构

这种架构与单晶片模式有显着的差异，在单晶片架构中，所有应用都是由同一颗处理器负责，处理器也须处理通讯链结方面的作业。这种模式让处理器以及其记忆体子系统承受极大的负荷，所有应用软体须经过全面的测试，并达到极高的可靠度，才不会影响手机的通讯品质。例如，在应用层发生缓冲区满溢可能不会影响特定应用，但却会对通讯层面造成断讯的问题。

应用处理器

在图一的行动电话架构中，由一颗独立处理器负责执行各种应用，其中包括高阶作业系统。这种可扩充的架构让各种衍生系统能进行最佳化调整，以达到高效能，让ARM应用核心能为各种手机提供更广泛的多媒体支援。该架构亦支援每秒传送30个画格VGA解码机制以及MPEG4/H263影片的编码能力、 VGA彩色萤幕、Q-VGA副萤幕、500万像素的数位相机功能、2D/3D绘图以及3D立体声喇叭等功能。这套功能强大的组合，为各种应用提供一套理想的平台，包括MMS多媒体简讯、WAP网页浏览、Java游戏以及影像电话等。

各处理器之间透过共用记忆体作为传输介面，并透过处理器控制单元（PCU）提供存取仲裁机制；这套机制能管理3组处理器在记忆体存取以及资料传输方面的作业，让通讯引擎与应用处理器使用一套共用记忆体，能省下可观的零组件成本，成本远比低于需要为通讯与应用处理器单独配置记忆体的架构。

耗电管理

将所有处理器整合至晶片内部可大幅提升耗电管理的效率；不须透过晶片外部链结管道与应用处理器交流资料，就能省下可观的电力，I/O区块是耗电量最高的元件，因此避免使用晶片外部通讯链结，加上使用晶片内部的记忆体，就能大幅地降低降低耗电率。时脉产生单元能在元件中提供重要的功率管理机制，可透过通讯核心中的功率管理软体来控制耗电率，并利用在应用核心上执行的程式，提供不同等级的功率控制。透过整合性的设计、功率管理、加上制程技术，至少可节省一半的耗电率，因此能大幅降低行动电话的待机与通话时间。

独立处理器在没有使用时可降低耗电率，这种模式亦代表运用省电型处理器（power-efficient processor）来执行大多数时间所使用的功能，而不需运用高效能处理器来执行其它电话功能。为了让运用单一处理器同时处理通话功能与各种新型多媒体应用时能达到相同的效能，必须运用时脉超过250MHz的高性能处理器。这方面亦须转移至其中一种高漏电流的硅元件制程，在待机模式下会耗用更多的电流，进而大幅降低缩短电池的续航力。一旦有漏电的状况发生，即使处理器没有运作也会耗用电力；在行动电话方面，待机模式的比率约佔去所有时间80％。当然多重核心的模式较为简化，ARM与DSP16K核心具备完全可合成的能力。

支援持续演进的应用

新一代的行动电话架构亦允许其它週边元件嵌入至模组化设计中，且不会影响应用引擎或通讯引擎，让业者较容易开发各种衍生型机种。目前开发出的装置内含USB OTG等週边元件，以及UART、GPIO、SSI等标准资料介面，由于本身具有可延伸性，新一代的架构允许整合效能更高的核心作为应用处理器，藉此整合需要支援更先进多媒体应用的装置，同时保留基本的通讯引擎。

此外，新架构的一项关键特色，就是当效能水准足够时，能扩充通讯引擎，藉此提供更高效能的通讯功能，例如双模WCDMA、GSM/GPRS/EDGE以及即将发表的HSDPA通讯协定。单晶片、多重核心的处理器属于数位基频元件，可搭配混合讯号元件处理，例如系统功率管理功能、与无线电子系统之间的介面、LCD与扬声器的控制以及其它混合讯号区块。为这类元件选择像是最佳化混合讯号等合适的制程，是压低系统耗电率的重要关键；而透过封装技术整合所有元件，也能藉此节省机板空间以及元件的处理成本。

相辅相成的软体架构

从软体的角度来看，从专属的通讯引擎中区隔出各种通讯元素，确保业者能直接重复使用众多成熟且能立即生产的即时程式码。这种设计与单处理器模式有极大的差异，单处理器模式的通讯堆叠必须整合其它应用，因此大幅增加软体研发时间以及手机检验的时间。

(图二)　Vision行动电话软体与工具架构

以(图二)架构为例，该架构程式码支援四频（800/900/1800/1900）GSM 系统，以及所有四种语言编/解码器──半速、全速、增强型全速率功能（enhanced full-rate；EFR）以及可调式多重速度（AMR）。让一套手机设计能应用在全球各地，并让像是Wideband-AMR这类研发中的新编/解码器能支援在未来新世代的W-CDMA 3G手机。

DSP能处理底层的Level 1通讯协定堆叠，处理设定的细部步骤、以及针对通话资料进行切割与编码处理。ARM能处理Level 2与Level 3通讯协定、无线电资源管理、行动与来电管理，加上一组小型的软体层，做为与应用处理器之间的沟通介面。

音效处理

虽然通讯是最重要的功能，但DSP亦可用来支援其它功能，其中最重要的就是音效。图二的架构能使DSP16K支援各种音效功能，例如44Kbit/s双声道高传真音效解码，这项功能在智慧型手机上已经愈来愈为普遍。

将多重处理器整合至晶片的一项关键优势就是省电。通讯处理器子系统以及应用处理器之间的通讯结构，亦有助于节省耗电。这个通讯架构是运用一套共用的记忆体，并由通讯处理器负责控制，若是使用分离元件就无法达到省电的目标。

先进的简讯

这种设计让处理器之间能採用新的通讯模式。以往应用处理器都是透过AT指令与通讯子系统进行通讯。这些技术是现今电话最成熟、最可靠、且最有效的通讯管道。但随着系统要求的效能持续攀升，加上耗电率的因素，使得这些指令愈来愈无法满足产品的需求。其中一项最重要的缺点就是系统仅能以序列模式处理AT指令，且必须处理完一组指令后才能接着处理下一组指令。这种模式让应用处理器浪费许多执行週期。另一方面，指令本身也存在一些问题。例如，要从资料模式切换至指令模式须使用+++指令，然而若资料流中出现+++这个字串，系统就会切换至指令模式，导致资料流的传输被迫中断。

AT指令本身没有封包或IP位址的概念，因此须加入点对点通讯协定（PPP）以支援网际网路的连线，但却因此增加延迟的时间。像是EDGE与UMTS等这类需要新AT指令的新功能，不仅处理繁琐且需要从头开发出一套新介面，无法重复使用现有的技术，并且会延长研发与客制化的时间。例如Class 10 EDGE提供200Kbit/s 的下载速度以及100Kbut/s的上传速度，是GPRS资料传输率的3倍。

目前有一种处理器之间介面问题的新解决方案──Advanced Messaging Interface （AMI）介面；这套技术运用共用记忆体介面，在GSM通讯协定层的顶层建置一套讯息通讯协定。指令可透过事件驱动机制以平行的模式同步处理，并在处理完指令时通知控制器。

这种设计不仅速度快、省电，亦能让系统中不同部份能切换至睡眠模式，直到事件完成或是发生新事件为止。这对于封包型链结环境尤其有效，因为系统能在封包传输的间隔之间切换至睡眠模式，不必像PPP链结一样维持正常运作模式。

应用架构

在应用处理器方面，新一代的应用架构，能作为功能唿叫或是函式库，以支援各种高阶作业系统，包括Symbian、Windows Mobile、PalmOS以及嵌入型Linux。这套架构亦可用来建置各种环境，包括OpenWave、Esmertec以及Savaje在内的业界领导供应商皆已採纳这套架构。这套核心亦能处理像是GPS卫星定位、3D绘图、MPEG-4影片、蓝芽网路以及AAC （Advanced Audio Coding）格式的压缩技术与MP3音效等功能。

Java则是透过许多协力厂商提供的Java引擎，在应用架构中建立支援能力。像Esmertec提供的引擎就已预先整合至架构中，运用各种功能唿叫，并透过AMI来存取不同处理器中的各种功能。这种设计能支援最新的Java Technology for the Wireless Industry （JTWI）技术，从已应用在现今手机中的MIDP2与Connected Limited Device Configuration（CLDC）1.1规格中进一步升级。JTWI内含支援无线简讯的JSR120、支援Java游戏的JSR135以及一套多媒体API。
目前已有业者可运用其在发展软体与硅元件的经验，协助现有的手机厂商运用这类软体、作业系统以及Java环境，开发成针对应用处理器进行最佳化设计的预先整合解决方案，不须再将协力厂商的应用产品整合至系统。这种模式让手机研发业者能专注于开发本身的应用与提高产品的价值，毋须花费时间在整合协力厂商的环境。

客制化

客制化已成为手机研发业者与客户的一项重要需求，手机研发业者需要一套能客制化的平台，针对世界各地不同的区域以及每个区域中不同的电信业者，开发出量身订制的方案，并能针对不同的客户群设计适合的使用者介面。目前这方面的工作虽然耗时费力，但绝对是可能的工作。

新一代的行动电话架构提供一套「品牌中心」，影像资料可以被储存至一套通用软体研发模型。这种设计让业者能自行设计操作介面的架构，以及唿叫出商标影像等相关资源。除了变更手机的色彩与字元外，这种模式亦能帮助业者轻易地变更功能表的结构，以配合电信业者的服务以及优先顺序，这种客制化功能亦可被零售商所运用，在手机中加入最新的萤幕保护程式或广告图像，大幅降低存货控制的风险、以及电信业者与零售商面临存货过剩的机率。而以上皆可透过先进的研发工具达成，支援设计、生产以及测试等方面的工作；这些工具可应用在整套设计与支援硬体上，支援商业层级的模拟与客制化。
此外，透过参与Field Type Approval（FTA）、Global Certification Forum（GCF）论坛的测试以及PCS Type Certification Review Board（PTCRB）委员会等机构，并与全球各地的电信业者合作进行实地互通性测试，亦能累积相关知识，了解互通性测试、不同基地臺供应商之间的差异以及如何满足手机所有层面的需求等要素。

结语

模组化的设计为行动电话业者提供了极可观的助益，业者已改良通讯引擎上的软体以满足技术规格的要求，并维持不同系列机种的一致性、降低研发的风险以及缩短手机的上市时程；这些手机都会行销至世界各地市场。这些目标都可透过多重核心架构来实现。这种架构透过单一晶片提供低耗电、以及降低零组件成本等利益，并将应用处理器与即时通讯子系统加以区隔，藉此带来软体研发以及检验等方面的优势。

具备丰富经验的晶片业者，能让手机厂商移植现有最佳化且通过测试的软体，藉此缩短产品的上市时程，并可运用协力厂商推出的各种可立即投产、与预先整合的环境，让手机厂商藉由开发应用软体，为其手机融入更多的附加价值。而各种工具让业者甚至零售商均能轻易对手机进行客制化，进一步突显产品在市场上的特色。（本文原载于零组件杂志第155期；作者为Agere Systems行动终端IC行销总监）