量身整合 – 便携设备的新面貌！
系统单芯片技术将彻底改变可携式应用设计。随着可携式产品功能不断增加，就连显示器和界面设计也要依赖系统单芯片的整合能力。
量身整合 – 便携设备的新面貌！
TI首席科学家
数字信号处理业务发展经理
半导体事业群
每天都很羡慕那些在大屏幕电视市场的同行，无论他们正在发展的显示技术是数字光源处理 （DLP)）、电浆、发光二极管 （LED)）、液晶显示或其它新技术，其屏幕尺寸总是越来越大，产品与电源插座的距离也绝不会超过六英呎。可携式产品市场虽也在追求更完美的显示能力，却必须克服两项令人困扰的限制。首先，必须在可携式产品日益精巧的前提之下进行设计；其次，产品只能使用一颗电池，而且电池体积也在不断缩小。
得陇望蜀是人的天性，满足体积和电池的要求后，客户又希望可携式产品提供更丰富的功能，将不同技术全部汇集到一部便携设备。
移动电话是最明显的例子，除了PDA和全球定位系统功能，现在又可以拍照和录像。很快地，就会看到手机照相的质量大幅改善，录像画质的进步将更令人惊讶。功能汇聚的脚步不断加快，新款手机还将提供无线网络和VoIP功能。同时，数字相机也不愿意在这场技术汇聚的竞赛中落后，它们会加强拍照和录像画质，同时增加相片编辑和无线网络等功能，如(图一)。所有这些发展都代表一件事：可携式产品必须在精巧的机身内执行更庞大的处理运算。
单芯片整合目标
不久前，大部份数字相机无法维持长时间的电池电力。离散式系统单芯片的功能整合特性彻底改变了这个现象，只要把某些处理功能整合至独立芯片组后，产品效能立刻大幅提升，功耗则变得更低。数字摄影机就是其中一个例子，不仅要执行音频和视讯的编码及译码，还必须压缩和解压缩数据以保留储存空间。2000年时，典型的数字摄录像机需要八颗芯片执行这些功能：中央处理器、MPEG-2编码、MPEG-2译码、音频编码、音频译码、视讯编码、视讯译码和电视调谐器。
到了2004年，系统单芯片整合已将芯片总数减少为四颗，同时增加了更先进和更有效率的MPEG-4与H.264压缩机制(图二)，并将中央处理器加入芯片组，大幅减少总线数据流量和组件占用面积。从2000到2004年，消费者对于新产品的反应非常好，数字摄录像机的销售量也大幅攀升。
要将射频讯号转换成数字讯号，晶体管的单位增益频率 （Ft） 必须是模拟频率范围的十倍左右，这表示Ft至少应为24 GHz。直到不久前，数字制程还很难达到这么高的效能，然而半导体制程的不断进步已经改变这个情形，例如90奈米技术已能在合理成本下将Ft提高至100 GHz左右。
随着将更多技术汇集到可携式产品，离散式系统单芯片的应用将日益广泛。例如我们可以参考离散式系统单芯片，把系统单芯片的概念应用到系统设计的多颗芯片，等到进一步整合的时机成熟后，再将这些组件整合成一颗芯片，然后把省下来的电力提供给更新的显示器。
多小是太小？
关于可携式产品的屏幕，唯一能确定的是彩色屏幕已成为业界标准，其它事情则仍在未定之际，目前也无法判断哪些分辨率、基板材料和显示器类型（发光式、反射式或背光照明式） 会成为市场主流。在试图澄清这些疑虑之前，必须先回答一个更重要的基本问题：对于拥有先进绘图功能的可携式互动装置，多小才算是太小？
许多产品在这方面已走到相当极端，例如有些移动电话已不能算是「掌上型」产品，称之为「指尖型」手机或许还比较恰当。它们的按键很小，需要语音命令做为辅助；若用户所处环境不适合使用语音命令，就要以笔尖或指尖来拨号。不幸的是，由于这些产品实在太小，要看清楚屏幕内容其实并不容易，简单的文字和数字信息或许还能分辨，高画质彩色图片就完全不行。就这点来看，这些超小型装置对于用户其实非常不方便。
PDA却必须面对截然不同的困境，其屏幕大小很适合显示高画质图片，但却得牺牲整个键盘。第一代用户或许能接受以触控笔作为唯一的输入设备，但是大众市场消费者能否接受则是另一个大问题；当然，用户可以加装折迭式辅助键盘，但这就失去了「口袋型可携式产品」的意义。
既然手掌和口袋的大小短期内不太可能改变，最适合大众市场的高画质屏幕尺寸大概就只能介于PDA和指尖型手机之间。
新的世代
关于产品体积的所有论点都有个前提：厂商会继续生产可以放进口袋或夹在衣服上的全配备多功能便携设备。然而随着无线网络功能日益普遍，必须开始考虑将屏幕和装置本身分开的可能性。新一代技术很可能包含某种头戴式微型显示器，并由穿戴式数字处理器为其提供无线链接功能。
目前的微型显示器技术包括硅基液晶（Liquid-Crystal on Silicon；，LCoS）以及硅基有机发光二极管（Organic Light-Emitting-Diode on Silicon；，OLEDoS）。LCoS显示器成本很低，但由于它不是发光技术，所以需要额外的照明光源，这会抵消部份的成本优势，整体耗电量也会增加。OLEDoS则是一种电激发光技术，能自行发光，正面观看时的亮度也很高。
所有NTE微型显示器都需要形状类似眼镜、护目镜、遮阳帽或头带之类的头戴装置（除非该显示器是由手拿着放在眼前）。虽然头戴装置对于吸引消费者好像是个障碍，但不见得会比画面都看不清的指尖型装置屏幕更糟。
解决这些显示器问题的最佳方案其实很明显，只要把所有I/O功能从装置本身移到人脑即可。这听起来好像很疯狂，实际上却不如想象的那么遥远，人工电子耳就是很好的例子，这类助听装置会以磁性方式把数字数据透过皮肤传送给电子耳蜗，由它将磁性讯号转换回电子讯号，然后送到神经末梢。除了人工电子耳，同样的科技进步也出现在视觉器官。虽然这类装置尚未在市场上出现，但系统单芯片将来肯定是这类解决方案的主要组件。
消费者的忍耐极限
目前无法确定技术汇聚是否为发展趋势，或者只是在响应市场的需求和期望，但是可以确定的是消费者想要更好的相机以及更好的视讯、VoIP或无线网络功能，而且他们已经没有多余的口袋来放另一部装置，因此合理的想法是设计一部多功能产品，把消费者想要的功能全部汇集其中。
然而也有些相反讯息指出把所有技术汇集到一部装置不见得是好事。例如拥有家庭剧院系统的消费者可能就拥有十几个遥控器，各种设备背后的线路加起来超过五英哩，这些机器不但用光了所有插座，打开电源时还会使得屋内灯光变暗；照理说，拥有这类家庭剧院的消费者应该最容易接受汇集所有技术的超级多功能产品。
汇聚各种功能的装置确实能解决连接线路的困扰，功能设定也很简单，但有多少消费者真的想买一部拥有环绕音效的电视／个人计算机／无线网络／电缆调制解调器／DVD／CD／录像机和控制这部超级多功能机器的遥控器？显然有意愿的人不会太多，这是因为消费者喜欢有所选择，但是这种超级多功能产品留给消费者的选择空间其实相当有限。
有趣的是，同样的这群消费者，却很乐于承担他们的PDA照相手机故障后所可能带来的诸多不便；事实上，许多消费者都是在手机没有故障的情形下更换新手机，因此这场技术汇聚竞赛的主要挑战就在于找出消费者所能忍受的极限。 – 就像前文文章前面所提到关于产品体积应该缩小到什么程度一样，必须找出消费者对于把多种技术汇聚到单一产品的忍耐上限。
便携设备的量身订制
人类只用了几十年的时间，就从数以千计用户共享一部大型主机的世界跨越到人手一部计算机的时代，同时也变得非常依赖计算机协助处理个人事务。当用户我们借用其他人的桌面计算机时，对方在同意之余多半会加上一句：「不要改变我的设定值。」但若我们借用别人的PDA，对方大概会很直率地拒绝。目前消费者我们正在进入一个新时代，会消费者把自己的电子产品当成是个人的延伸，无论这些产品是屏幕保护程序、独一无二的手机铃声或是很特别的开机和关机音乐，消费者的设定值已成为展现自我的个人宣言。
消费者赋予电子产品的新意义会对芯片设计人员产生巨大影响，例如未来市场研究可能显示当消费者考虑购买汇集多种技术的可携式产品时，他们所要的只是把手机、相机和PDA整合在一起。厂商若能率先把不同技术量身整合到单一产品，他们就会为市场带来惊天动地的变化。结果究竟是难以想象的庞大利润，或是无法承担的巨额亏损，端看他们提供哪些组合给客户选择。 – 这也正是在这个领域里，系统单芯片技术所拥有，无穷的应用潜力。
随着系统单芯片功能不断增加，成本又持续下降，设备制造商发现他们已能利用汇集数十种技术于一身的单芯片开发新产品，再于销售过程中根据消费者的喜好和预算启动其中部份功能。到目前为止的讨论都集中于移动电话和数字相机，但在如此庞大的市场规模下，系统单芯片发展必然会把消费应用、医疗和工业技术整合至同一颗芯片，其可能性真是无穷无尽。
未来几年是可携式产品业者的关键时刻，显示技术会重新洗牌，技术汇聚会广泛应用，对于产品的需求更将一飞冲天！
（本文作者为TI首席科学家暨半导体事业群数字信号处理业务发展经理）
[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004＞ |
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