移動設(shè)備節(jié)能要求日增，PMIC功能/制程大改進(jìn) - 全文

　　行動裝置系統(tǒng)耗電量可望顯著下降。處理器、電源管理晶片（PMIC）與感測器業(yè)者正分頭布局行動裝置應(yīng)用處理器和螢?zāi)皇‰姺桨福ㄐ乱淮?a target="_blank">CPU/GPU 協(xié)同運(yùn)算和big.LITTLE大小核設(shè)計(jì)架構(gòu)、面板自動刷新、高整合度PMIC，以及主動調(diào)節(jié)背光源（PRISM）等節(jié)能技術(shù)，皆是相關(guān)業(yè)者今年的產(chǎn)品發(fā)展重點(diǎn)。

　　晶片大廠競相出招　手機(jī)AP/顯示器功耗大減

　　拓墣產(chǎn)業(yè)研究所半導(dǎo)體中心研究員許漢州（圖1）表示，手機(jī)螢?zāi)缓蛻?yīng)用處理器功耗各占約30？60%系統(tǒng)耗電量，因此要延長續(xù)航力勢必從這兩方面著手。在處理器部分，高通（Qualcomm）、叁星（Samsung）、聯(lián)發(fā)科及安謀國際（ARM）正致力革新晶片設(shè)計(jì)，除共同推動中央處理器（CPU）、繪圖處理器（GPU）協(xié)同運(yùn)算的異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)（HSA）標(biāo)準(zhǔn)，減輕CPU負(fù)擔(dān)與耗電外，亦相繼推出高效能CPU核心搭配低功耗核心的big.LITTLE方案，更進(jìn)一步減少處理器漏電流與動態(tài)功耗。

　　隨著處理器規(guī)格轉(zhuǎn)變，PMIC業(yè)者亦緊鑼密鼓研發(fā)新一代電源管理技術(shù)，除因應(yīng)big.LITTLE大小核心切換需求，推升PMIC的電壓、電流動態(tài)調(diào)整速度外，也將發(fā)展大電流輸出方案，以滿足HSA處理器同時(shí)驅(qū)動CPU、GPU等異質(zhì)核心的供電需求。

　　至于螢?zāi)还?jié)能方面，許漢州指出，輝達(dá)（NVIDIA）已在最新行動處理器平臺中導(dǎo)入第二代PRISM技術(shù)；該方案透過多核心GPU加高階影像演算法，將畫面切割成不同區(qū)塊并偵測明暗變化，由處理器動態(tài)調(diào)整LED背光源亮度，進(jìn)而省下40%顯示器功耗。

　　許漢州透露，一線處理器大廠亦計(jì)畫在下一代產(chǎn)品中，導(dǎo)入eDP 1.3版的PSR功能，讓GPU在螢?zāi)划嬅骒o止時(shí)休眠，直接由顯示面板的時(shí)序控制器（TCON）執(zhí)行資料更新，以節(jié)省面板傳輸介面的耗電量。

　　除改良硬體設(shè)計(jì)外，要確實(shí)降低系統(tǒng)功耗還須軟體的配合。益華電腦（Cadence）亞太區(qū)技術(shù)協(xié)理張永專（圖2）指出，由于處理器邁向多核心、大小核混搭架構(gòu)，因而產(chǎn)生更細(xì)、更復(fù)雜的電源管理區(qū)塊，驅(qū)動處理器、電源晶片和電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）工具商提出新的低功耗電源管理技術(shù)，包括動態(tài)電壓頻率調(diào)整 （DVFS）、CCOpt（Clock Concurrent Optimization）和MBCI（Multi-bit Cell Inferencing）等。

　　張永專分析，處理器中尤以時(shí)脈樹（Clock Tree）的運(yùn)作功耗最高，係邁向節(jié)能的首要關(guān)鍵；對此，益華已開發(fā)一套系統(tǒng)層級功耗管理工具，包括處理器核心配置、電源模擬與驗(yàn)證機(jī)制等，可協(xié)助晶片商精確掌握時(shí)脈樹工作狀況，進(jìn)而改善多核心處理器電路布局，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

　　值此同時(shí)，處理器導(dǎo)入28奈米以下先進(jìn)製程后，漏電流問題對晶片輕載耗電量影響將更加突顯，因此，張永專透露，益華已與臺積電、安謀國際合作，針對28、20和14奈米晶片漏電流進(jìn)行優(yōu)化，未來益華將在新一代EDA工具中導(dǎo)入漏電流演算法，協(xié)助晶片商解決輕載耗電問題。

　　平板解析度/性能激增　PMIC拓?fù)浼軜?gòu)大換血

　　除手機(jī)電源方案加速改朝換代外，平板PMIC亦隨著螢?zāi)唤馕龆?、系統(tǒng)運(yùn)算效能大增，規(guī)格不斷升級；相關(guān)晶片商除致力推升產(chǎn)品整合度外，更開始導(dǎo)入筆電電源拓?fù)?，以及手機(jī)PMIC的封裝技術(shù)，期縮減導(dǎo)通損耗與零組件用量，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率。

　　安恩科技（iML）應(yīng)用技術(shù)部資深經(jīng)理高進(jìn)發(fā)（圖3）表示，平板PMIC將逐漸引進(jìn)高階電源拓?fù)湓O(shè)計(jì)架構(gòu)，包括以往在筆電電源晶片中採用的橋式整流器 （Bridge Regulator）、同步整流方案，以及新一代單電感多重輸出（Single Inductor Multiple Output）技術(shù)，進(jìn)而提高裝置電源轉(zhuǎn)換效率。

　　高進(jìn)發(fā)進(jìn)一步指出，自從new iPad推出以來，平板已全面邁向全高畫質(zhì)（FHD）以上的螢?zāi)唤馕龆仍O(shè)計(jì)，由于背光模組、面板驅(qū)動的復(fù)雜度大增，因此儘管其PMIC導(dǎo)入高階拓?fù)鋵⒃黾映杀?，相關(guān)晶片商仍義無反顧投入研發(fā)，并逐步將PMIC介面改為I2C可編程設(shè)計(jì)，以優(yōu)化面板調(diào)光、開關(guān)等參數(shù)的調(diào)整機(jī)制。

　　據(jù)悉，同步整流拓?fù)湓诠P電電源晶片中已行之有年，平板PMIC改搭此一架構(gòu)后，將可改善約3？5%的轉(zhuǎn)換效率。另外，PMIC導(dǎo)入橋式整流器結(jié)構(gòu)亦有助精簡面板供電步驟，可直接由電池輸入端取得電力，進(jìn)而縮減電力轉(zhuǎn)換耗損。

　　高進(jìn)發(fā)更透露，愈來愈多電源晶片商在中小尺寸面板電源管理方案中，採用PMIC整合位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器（Level Shifter）的設(shè)計(jì)，主要係友達(dá)、群創(chuàng)等面板廠跟進(jìn)韓系廠商策略，將閘極驅(qū)動器（Gate Driver）電路直接內(nèi)嵌在面板中，開發(fā)GIP（Gate in Panel）方案提高組裝靈活性，使過去大多與閘極驅(qū)動器整合的位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器獨(dú)立出來，PMIC廠為進(jìn)一步改善系統(tǒng)功耗與體積，遂開始整合其他分離的電源切換元件。

　　不僅如此，在手機(jī)平板化的設(shè)計(jì)趨勢帶動下，品牌廠對通用型PMIC的需求也更加殷切，已吸引晶片商大舉投入研發(fā)高整合度、小尺寸PMIC，并發(fā)展新興電源管理系統(tǒng)布局方式，以同時(shí)改善電源效率、占位空間和散熱機(jī)制，協(xié)助行動裝置製造商快速開發(fā)手機(jī)、平板和平板手機(jī)（Phablet）等多樣尺寸產(chǎn)品。

　　手機(jī)/平板漸融合　通用型PMIC加速發(fā)展

　　奧地利微電子（Austria Microelectronics）市場經(jīng)理Don Travers（圖4）表示，以往手機(jī)、平板PMIC規(guī)格有所差異，隨著產(chǎn)品尺寸日益多元，上市時(shí)程壓力劇增，品牌和處理器業(yè)者均希望盡量縮減設(shè)計(jì)改變幅度和成本，并達(dá)到新產(chǎn)品快速上市的目標(biāo)，已刺激手機(jī)、平板通用型PMIC方案崛起。

　　此外，行動裝置處理器與PMIC之間溝通緊密，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上大多將兩顆晶片的距離拉近，以減輕資料傳輸負(fù)擔(dān)與功耗，卻也引發(fā)熱源集中的問題，反而影響系統(tǒng)效率。為改進(jìn)散熱問題，PMIC業(yè)者競相提出新的系統(tǒng)布局模式，并針對大尺寸手機(jī)更加復(fù)雜的多核心處理器、背光模組功率管理需求，取法平板電源控制的優(yōu)點(diǎn)，以兼顧手機(jī)效能與續(xù)航力。

　　Travers強(qiáng)調(diào)，因應(yīng)市場需求，奧地利微電子即跳脫一般PMIC商專攻手機(jī)或平板的單線發(fā)展模式，除積極擴(kuò)張手機(jī)、平板通用型PMIC陣容外，近期更發(fā)布一項(xiàng)PMIC遠(yuǎn)端回饋線路專利，大幅簡化行動裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)與散熱問題。

　　據(jù)悉，該方案目標(biāo)係簡化電源管理系統(tǒng)布線，并拉開處理器與PMIC的距離以分散熱源，透過在處理器端外掛一顆功率級（Power Stage）模組，再以遠(yuǎn)端回饋線路串連高整合度PMIC，可因應(yīng)處理器動態(tài)電源負(fù)載變化做出迅速反應(yīng)，同時(shí)提供較高的轉(zhuǎn)換效率及更靈活的印刷電路板 （PCB）布局。

　　隨著PMIC整合更多控制元件與電路，并引進(jìn)數(shù)位設(shè)計(jì)拓?fù)涮嵘?，晶圓代工廠和電源晶片商也研擬導(dǎo)入先進(jìn)製程，開發(fā)新一代異質(zhì)功能整合PMIC，滿足復(fù)雜的系統(tǒng)電源管理需求。

　　邁向異質(zhì)功能整合　PMIC加速制程演進(jìn)腳步

　　聯(lián)電市場行銷處技術(shù)經(jīng)理?xiàng)畹翘模▓D5）表示，高通、戴樂格（Dialog）正積極布局整合MCU及DSP核心的下世代PMIC，藉以提升晶片整合度，讓行動裝置業(yè)者有更多設(shè)計(jì)空間塞進(jìn)新應(yīng)用功能，并提高電源管理效率。隨著類比/數(shù)位異質(zhì)晶片融合需求浮現(xiàn)，PMIC晶片商將改變以往類比IC不追求先進(jìn)製程的概念，加速從現(xiàn)階段主流的0.18微米製程，跨入0.13/0.11微米，甚至在1？2年內(nèi)朝90、65/55奈米邁進(jìn)。

　　不同于數(shù)位晶片、隨機(jī)存取記憶體（RAM）均須倚賴奈米先進(jìn)制程，才能提高邏輯密度及運(yùn)算效能，同時(shí)減輕功耗、尺寸及生產(chǎn)成本；PMIC等各種類比晶片對電晶體密度的要求則較低，反而著重在晶圓后段導(dǎo)線製作或深溝層隔離（Deep Trench Isolation， DTI）等技術(shù)，以改善導(dǎo)通電阻（RDS（ON））及各種操作特性，因此主流製程仍停留在0.18微米以上，晶圓尺寸也還在用六吋、八吋方案，每2年晶片體積微縮比率僅有10~25%。

　　然而，楊登棠分析，目前行動裝置PMIC內(nèi)部至少都有二十到五十個功能區(qū)塊，且接腳數(shù)超過兩百個；加上晶片商正致力研發(fā)類比/數(shù)位異質(zhì)晶片整合型 PMIC，而新增的MCU、DSP、雜訊消除IC等數(shù)位核心一定要以先進(jìn)製程來做才能發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，在PMIC整合度不斷翻升之下，朝奈米製程演進(jìn)的需求已開始涌現(xiàn)。同時(shí)，相關(guān)大廠考量先進(jìn)製程成本較高，更研擬在2？3年內(nèi)全面改搭12吋晶圓生產(chǎn)，將晶片產(chǎn)出數(shù)量提升兩倍以上，進(jìn)而縮減10%左右的量產(chǎn)成本。

　　因應(yīng)新世代PMIC製作需求，楊登棠透露，聯(lián)電將部署0.11微米、65/55奈米BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）等多元製程。其中，0.11微米方案已開始試產(chǎn)，今年底將正式上線，該公司旗下七個八吋晶圓廠將有五個支援此製程節(jié)點(diǎn)，至于65/55奈米BCD方案則是未來主攻重點(diǎn)，將持續(xù)加碼投資。此外，聯(lián)電近期還與一家晶片廠攜手合作90奈米客製化PMIC製程，并已進(jìn)入測試階段。

　　事實(shí)上，行動裝置品牌廠不僅希望節(jié)省晶片耗電，也須要開闢更多電力來源，以滿足用戶行動運(yùn)算的需求，因而帶動晶片商投入發(fā)展微型、高效率交流對直流（AC-DC）充電方案。

　　確保充電快又準(zhǔn)　充電器/測試方案翻新

　　恩智浦（NXP）電源方案資深產(chǎn)品行銷經(jīng)理張錫亮（圖6）強(qiáng)調(diào)，EuP Lot 6節(jié)能規(guī)範(fàn)施行后，行動裝置業(yè)者已面臨更嚴(yán)格的產(chǎn)品功耗要求，包括在待機(jī)模式下不得超過1瓦（W）；而關(guān)機(jī)模式則須低于0.5瓦耗電量等規(guī)範(fàn)，因而須導(dǎo)入更新一代的電源轉(zhuǎn)換器晶片方案，提高電源轉(zhuǎn)換效率。

　　張錫亮分析，要降低待機(jī)功耗的首要關(guān)鍵就是減少系統(tǒng)零組件用量，因此電源晶片商正競相發(fā)展一次側(cè)回授（PSR）、同步整流AC-DC拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案，將充電器的零組件控制在叁十顆以下，并滿足各種國際節(jié)能規(guī)範(fàn)的電源效率要求。

　　尤其近來手機(jī)和平板充電器共用的設(shè)計(jì)趨勢成形，更將驅(qū)動AC-DC電源設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。張錫亮指出，由于手機(jī)充電功率為5瓦，而平板多在11瓦左右，因此新一代充電器須偵測裝置所需電壓，以辨別并切換手機(jī)或平板充電模式。目前恩智浦已開發(fā)一套小型化AC-DC解決方案，可透過在二次側(cè)偵測負(fù)載變化，動態(tài)調(diào)整一次側(cè)的開關(guān)模式電源（SMPS）控制器，同步支援平板、手機(jī)充電。

　　隨著行動裝置充電技術(shù)革新，新興系統(tǒng)與電池電流量測方案的需求也開始涌現(xiàn)。安捷倫應(yīng)用工程部資深專案經(jīng)理祁子年（圖7）表示，手機(jī)廠在開發(fā)軟硬體時(shí)須執(zhí)行一系列標(biāo)竿測試，包括評估整體裝置與電路的電池消耗，以及驗(yàn)證應(yīng)用程式對系統(tǒng)電力供應(yīng)的影響等。

　　祁子年指出，行動裝置大多皆導(dǎo)入省電模式，以短叢發(fā)的發(fā)訊方式運(yùn)作節(jié)省電力，由于裝置在此模式下耗電流非常低，傳統(tǒng)量測方案的動態(tài)範(fàn)圍無法準(zhǔn)確測量出系統(tǒng)功耗變化，因此業(yè)界正興起互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)（CCDF）量測方案，并搭配脈衝式電流抽取技術(shù)，同時(shí)擴(kuò)充儀器的動態(tài)電流範(fàn)圍，從而分析并最佳化行動裝置省電模式的運(yùn)作模式。

　　增加手機(jī)電力來源　電池廠競逐新材料技術(shù)

　　儘管系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)功夫已有長足進(jìn)步，但手機(jī)廠最終的期待仍是擴(kuò)充電池容量，工研院IEK產(chǎn)業(yè)分析師呂學(xué)?。▓D8）表示，手機(jī)電池效能每年提升比重僅約 5~8%，遠(yuǎn)不及新產(chǎn)品功能演進(jìn)速度，因此，電池業(yè)者已規(guī)畫從電池正負(fù)極材料、驅(qū)動電壓和極板設(shè)計(jì)叁方面著手，期能兼顧電池體積、容量和成本。

　　呂學(xué)隆透露，叁星SDI近期已在電池表面鍍上新材料，開發(fā)出4.4伏特（V）高壓驅(qū)動的鋰電池方案，藉以改善電流耗損過多的問題，并妥善利用每一分電力；同時(shí)，該公司也利用涂布製程及特殊復(fù)合材料，提高電池極板的能量密度。至于樂金化學(xué)（LG Chemical）和日本戶田工業(yè)等日韓電池材料大廠，則投入開發(fā)下世代正負(fù)極材料，將以鋰叁元系、氧化硅等方案增加蓄電量。

　　顯而易見，隨著行動裝置功能規(guī)格迅速攀升，晶片商、電池和量測業(yè)者均不遺余力發(fā)展「開源節(jié)流」的解決方案。其中，由于PMIC掌管系統(tǒng)供電，對新一代行動裝置的發(fā)展尤其重要，產(chǎn)值可望從2012年的15億美元，飆升至2016年的24億美元，為相關(guān)業(yè)者帶來更多商機(jī)。