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SuVolta:迎接SoC技術時代來臨

上網時間: 2013年05月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功耗  電晶體  SoC  CPU  GPU 

作者:Pushkar Ranade,SuVolta公司製程整合資深總監

電晶體仍然是智慧型手機和平板電腦等後PC時代產品的核心。然而,對於這些行動消費產品來說,電晶體是否成功的衡量指標與過去已經有很大的區別。頻率(時脈速度)是PC時代的重要指標,中央處理單元(CPU)則是幾十年來推動半導體技術進步的主要晶片。外形尺寸在過去幾乎沒什麼影響力,也沒有太多動力針對晶片(SoC)或封裝(SiP)整合系統級功能。

而今,針對某一特定功能的外形尺寸、成本和功耗已經是行動市場中的重要驅動因素,從而也提高了晶片上整合功能性硬體(如電源管理、運算、音視訊、繪圖、GPS和收音機)的重要性。這種從主要以性能為中心的晶片轉向以功耗受限的晶片,以及對降低成本和提高系統級整合度的高度關注正動搖著傳統的半導體產業。無晶圓廠供應商和代工企業使用SoC技術已經有十多年時間了,直到後PC時代行動產品的飛速普及才使得這種技術終於發揮全部潛力。在最近5年來,SoC技術已經從智慧手機的核心發展為實現平板電腦和超輕薄筆電(ultrabook)等全功能行動電腦的核心。

後PC時代

隨著智慧型手機和平板電腦的發明,電腦運算模式已經產生了根本變化,完整的用戶體驗成為獨立於基礎技術原始性能的重要基準。蘋果的iPhone和iPad正是這種模式轉型的最佳例子。這兩種設備都提供了令人高度滿意的用戶體驗──並非因為它們能夠以最先進的晶片提供最快的運算速度,而是由於能以合理的運算速度與價位實現豐富的功能。


表1:基於SoC(Nvidia)和CPU(英特爾)的微軟Surface平板電腦比較。採用SoC的平板電腦更利於行動使用,而採用CPU的平板電腦在作為行動設備使用時的可攜性較差。(來源:微軟Surface網站)。

這些設備的功能共同增強了用戶體驗──卓越的繪圖渲染、無線連接、快速開機、保持連線的待機狀態、更長電池壽命和觸控式螢幕應用。它們也許無法提供最快的原始電腦性能,但可讓一般用戶感覺速度很快,並提供了優質的用戶體驗。iPad代表種類廣泛的後PC產品先驅。像華碩的Transformer、微軟的Surface、Google的Nexus、蘋果的MacBook Air和英特爾(Intel)的Ultrabook等諸多創新產品也重新定義了行動時代的電腦運算模式。

諸如iPad等後PC早期產品的成功關鍵是,這些產品是全新設計的,完全不受傳統PC時代的軟體或硬體影響。傳統矽晶硬體技術的創新可能必須使用大量邏輯電晶體的更高性能獨立式處理器(CPU)以及更複雜的軟體層來使用巨大的記憶體容量。而iPad等新產品使用功耗極度受限的硬體和非常精益的軟體來完成特殊任務(如用視訊解碼器驅動顯示器)。為了實現行動領域要求的高功效系統,盡可能轉移最多的負載到硬體並同時使用精簡的軟體就顯得非常重要。直接將傳統PC硬體和軟體硬塞進新的外形結構中無法實現高功效,也不會帶來卓越的用戶體驗。

平板電腦和智慧手機的興起並不會完全取代傳統PC。在可預見的未來,PC仍將在每個桌面找到發揮空間,伺服器陣列也會在資料中心持續用於運算密集型應用。當然,徵諸以往的歷史發展,我們可以預期傳統PC中的CPU半導體技術最終可能被智慧型手機的突破性SoC技術取代,或至少發生徹底改變。過去幾年來,SoC技術的快速發展對這一假設提供了有力的佐證。

回顧歷史演進

從1980年代末至1990年代初出現獨立代工廠以來,半導體產業被劃分為三大實體──整合設備製造商(IDM,如英特爾、2009年前的AMD和三星),無晶圓廠公司(fabless,如蘋果、高通、博通、Nvidia),以及為fabless生產晶片的晶圓代工廠(如台積電、聯電、三星與GlobalFoundries)。

從歷史上看,英特爾和AMD專注於生產基於CPU的晶片(如Core和Athlon),而Nvidia致力於為PC和伺服器市場生產獨立的繪圖晶片(GPU)。在這個領域中的所有其它公司都採用某種形式的晶片系統整合(SoC)來滿足各自市場的不同需求。

SoC的一般定義是將各種功能硬體模組整合在晶片上,以滿足特定的產品應用要求。最簡單的SoC可能整合一些混合訊號和數位電路的基本連接晶片。較複雜的SoC可能在晶片上整合了應用處理器單元(APU)和GPU。功能更強的SoC進一步整合各種其它硬體模組(如GPU、音視訊解碼器和數據機)。隨著這種不斷在晶片上整合各種功能的能力增加,使得SoC技術得以快速發展,從支援簡單的功能手機、智慧型手機直到平板電腦。

伴隨著行動電話和網際網路的出現,高通(Qualcomm)最早開始為成長中的連網市場設計晶片,而Nvidia最早作為GPU製造商出現在市瑒上。隨著時間的推移,這些公司都對不斷演進的技術趨勢作出了積極回應,並在其晶片中實現越來越高的功能整合度,也為其帶來了成功。高通透過增加應用處理器(由ARM授權取得Krait)、GPU(收購AMD Imageon取得Adreno)和電源管理單元,從獨立的連接晶片發展出豐富的產品線。高通的旗艦產品 Snapdragon系列現在包含所有這些模組,是一款功能非常強大的行動SoC產品。

同樣地,Nvidia從獨立的GPU製造商開始發展,其間不斷增加應用核心(透過ARM授權)和連接模組(透過收購Icera)。Nvidia現在提供高度整合的行動SoC(Tegra系列)已被用於多種平板電腦中。就在幾年前,未曾涉足行動晶片設計業務的蘋果公司開始使用應用處理器(透過ARM授權)和GPU(透過Imagination Technologies授權)設計自己的SoC晶片(A系列)。三星也收購了各種SoC建構模組,甚至更早就將這一趨勢擴展到伺服器晶片。

業界的整併趨勢象徵SoC影響力的不斷增強。蘋果收購PA-Semi,使其能自行設計自家的應用處理器。高通最近收購了Atheros以強化其無線連接套件,並收購Summit Technology,意在增強其電源管理能力。Nvidia收購Icera是為了增強其連接產品,英特爾也收購英飛凌無線部門期望獲得進軍基頻連接市場的入場券。這些收購都指向一個整併中的市場,其中只有少數幾家強大的公司能擁有所有的功能模組,從而可在不斷成長中的行動市場作好激烈競爭的準備。

智慧型手機為SoC技術展現無窮潛力,並為SoC得以抗衡CPU提供了首款最重要的平台。晶片整合為智慧型手機帶來的價值遠遠超過獨立的桌上型電腦。使用專用功能模組比使用通用處理核心具有更多的優勢──這些模組可工作在更低的頻率,同時提供更高的系統級性能,而消耗的系統級功耗卻更低。

另外,透過將更多的功能轉移到硬體上實現,SoC可支援精簡軟體,因而實現更低的系統級功耗。使用專用核心可使智慧手機只執行用於特定任務的特定模組,而通用核心必須一直工作,與執行的任務無關。因此與獨立CPU相較,SoC更適合行動設備應用。

早期的SoC技術可讓代工生態系統公司擁有比英特爾等老牌公司更大的優勢,而這種技術也廣泛受益於智慧型手機出貨量的快速成長。在第一個五年(直到2012年),英特爾根本無法進入智慧型手機市場。iPad的推出和隨後平板電腦市場的成長更進一步鞏固了這一趨勢。

進步神速是SoC爆發性潛能的一種最佳指標,這不僅反映在功能性和出貨量,也表現在所支援的強韌設計與軟體生態系統普及上。近五年來,SoC技術從支援功能手機的基本運算/連網功能迅速發展成為所有智慧型手機和早期ultrabook的核心,可支援範圍廣泛的功能,包括音視訊、遊戲、通訊和生產等。

衝突的發生

早期的跡象顯示,SoC與CPU存在明顯的衝突。微軟的Surface平板電腦突顯出OEM廠商在在決定處理器架構時擁有更多的選擇。這款平板電腦將做成兩種版本──其一使用基於ARM的SoC處理器(Nvidia Tegra 3),另一版本使用基於英特爾x86 CPU(Ivy Bridge)。表1對這兩種版本的相關規格作了比較,圖1顯示兩種晶片及其架構圖。從中可明顯看出,基於SoC的設計更能有效適應超行動裝置用戶對於外形尺寸的要求──重量輕和電池壽命長比原始性能高顯得更有價值。


圖1:由核心/繪圖主導的典型CPU設計(英特爾Ivy Bridge)與高度整合的SoC(Nvidia Tegra)的比較。這種整合的SoC設計在平板電腦和ultrabook架構中具有明顯的優勢(來源:英特爾/Nvidia網站)。

基於CPU的設計需要依賴更多晶片實現必要的硬體整合,不僅會消耗更多功率,而且導致最終產品更重30%也更厚40%。有趣的是,基於Nvidia SoC的設計採用落後的40nm微影製程,而基於英特爾CPU的設計使用的是領先兩代的22nm微影製程。當SoC公司轉向使用高k值/金屬閘電晶體的28nm技術時,上述比較將更值得玩味。Surface平板電腦將成為重要的比較標準,因為它在功能方面和成本方面都能提供目前/領先CPU與突破性/邊緣性SoC之間的直接比較。

SoC獨特的成本結構具有突破半導體產業業務模式的潛力。Nvidia Tegra SoC的平均售價(ASP)在20美元左右,而處於技術前端的英特爾IvyBridge CPU晶片ASP則在150美元範圍。CPU晶片還需要其它晶片的支持才能提供單一SoC就能提供的功能。在OEM廠商進行價格競爭時,CPU產品將難以保持既有的高利潤率。隨著SoC更臻於完善並持續蠶食ultrabook和筆記型電腦市場時,成本差異將造成更大的影響。低成本、低階技術SoC不斷上升的影響力以及蠶食高成本、高階技術CPU利潤率的潛力是Andy Grove提出零細分市場現象的最佳例子。

Nvidia Tegra 3 SoC和英特爾的Ivy Bridge CPU都是業界最佳產品──分別具備不同的外形尺寸、成本和價值取向。雖然可預期低利潤率的SoC能夠服務於高階筆記型電腦市場,但高利潤率CPU似乎不可能反過來服務於低階行動市場。

長期以來位居市場龍頭地位的CPU巨擘──英特爾對於這種日益成長的零細分市場威脅的反應不應被低估。英特爾可望解決這種威脅,並採取措施彌補失去的時間,贏取更多的行動市場佔有率。今年稍早,英特爾發佈了Medfield──劍指智慧型手機市場的首款SoC處理器。英特爾還發佈了首款手機參考設計,可協助OEM在英特爾技術基礎上快速整合智慧型手機產品。

32nm Medfield處理器可望被更先進的22nm處理器(Merrifield)所取代,後者將採用雙核心的Atom CPU以實現更低的功耗。即使是英特爾的旗艦CPU產品也可看到更高的晶片整合度。英特爾在從32nm Sandy Bridge過渡到更先進的22nm Ivy Bridge晶片時,GPU模組的成長就更顯著(增加了4億個電晶體),如圖1所示。

英特爾持續在CPU製程技術方面領先業界,其技術正處於摩爾定律的最前端。然而,架構方面的根本性改變(如Tri-Gate)也許會減緩晶片上功能的整合速度。儘管2011年從英飛凌公司收購了基頻技術,但英特爾何時能在Atom核心上以Tri-Gate電晶體整合SoC技術還不清楚。英特爾的SoC產品供應一般都比主流CPU落後1至2年。但這個差距可望逐漸縮小,因為英特爾正努力滿足對於晶片整合的日益成長需求,並致力於解決來自低階產品供應的更多威脅──這些低階產品在高階領域正迅速變得更有競爭力且更具成本效益。

持續邁向融合

目前的十年內是半導體產業演進過程中的策略調整時期──接下來的五年可能見到多種技術和市場力量的匯聚,而對產業發展軌跡產生深遠的影響。這些軌跡包括:

軌跡一:SoC功能整合的優勢可望加以延續,使SoC變得更複雜且強大。同時隨著從40nm微影製程到更先進幾何尺寸的轉移,SoC還將變得功耗更低、尺寸更小。高通、Nvidia和蘋果在經過各自旗艦SoC(Snapdragon、Tegra和AX)的持續改進後都展現穩定的性能提升。由於每家公司都試圖在各自的晶片中整合更多的功能以贏得新的行動產品設計,這些公司之間的競爭將日趨白熱化。SoC的優勢將迫使傳統IDM成本結構和業務模式作出根本性的變革。

軌跡二:平板電腦和智慧型手機的GPU使用模式優勢顯示,GPU已經成為Tegra、Snapdragon和A5X等SoC中使用率最高的模組。由於GPU是最大的模組,而且要消耗晶片上最大的功耗,因此以最佳化GPU性能和功耗為目的設計矽電晶體具有重要意義。設計公司和代工廠可能使GPU成為電晶體設計與製造的中心元件──歷史上包括GPU在內的所有模組都必須適應最初為CPU設計電晶體。圖2顯示在兩年時間內陸續發佈的三代蘋果A系列處理器,從中可見證SoC的快速發展和GPU越來越重要的作用。在A5X處理器上的GPU幾乎佔一半的晶片面積。


圖2:在僅僅兩年內,蘋果SoC上的GPU尺寸顯著增加,幾乎佔最新晶片的一半面積。在Snapdragon和Tegra處理器中也存在同樣的趨勢(來源:Chipworks)。

軌跡三:來自電晶體微縮的收益遞減。隨著收益遞減規律最終跟上摩爾定律,業界在微縮電晶體幾何尺寸方面幾乎沒有經濟上的動力可言。處於摩爾定律前端的公司也許能夠在高利潤的市場(伺服器和資料中心)中有力競爭,但終究會發現很難在低利潤的消費市場中為產品訂出具競爭力的價格。而設計公司可能會發現垂直微縮將更加經濟(如利用2.5D和3D整合技術增加更多功能並降低每層功耗)。

軌跡四:加速產品生命週期。平板電腦和智慧手機產品每年都在升級換代──這比以前的PC更新週期快得多。半導體產業需要調整其技術開發週期才能跟得上行動產品的生命週期。不可能每年都縮小電晶體尺寸,而將更高階功能快速整合於現有尺寸架構中將更為可行。

軌跡五:降低行動消費產品的平均售價。隨著Google和三星等公司以iPad一半的價格提供平板電腦,行動市場的價格戰已悄然展開。隨著fabless供應商開始從下而上競爭高階筆記型電腦和uktrabook市場,他們將以極具競爭力的產品價格為英特爾等公司帶來巨大的競爭壓力。

軌跡六:行動SoC出貨量的成長。據Gartner公司預測,到2015年智慧手機和平板電腦的總出貨量將超過5億台。以這種速率來看,在今後幾年內行動SoC的出貨量將很快就會超過CPU。

在今後五年內所有這些軌跡的交互影響,可能將SoC技術置於半導體產業的中心。諸如蘋果、高通、Nvidia和三星等晶片公司已經為這種情形作好了充分準備,並將繼續增強各自產品的功能。包括ARM和Imagination等IP供應商也會廣泛受益。代工廠將善加利用這個趨勢,並受益於電晶體設計重心從以CPU為主到以GPU為中心的轉變。英特爾將繼續在行動市場競爭中面臨日益強大的壓力,英特爾的產品組合也將反應出持續整合更多晶片功能的發展趨勢。更重要的是,英特爾將被迫在ultrabook和PC市場中與SoC技術展開競爭,除了技術以外,英特爾也將被迫在業務模式上作出必要的改變。

如果這些趨勢繼續進展,SoC晶片將能取代高階筆記型電腦中的獨立CPU晶片。在今後幾年內,隨著吸引更多業界青睞並發揮SoC的所有爆發式潛能,獨立CPU和SoC之間的界限也將變得模糊。

(參考原文:System-on-Chip technology comes of age)





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