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产品功耗技术袖里乾坤 容纳天地 半导体推动便携化进程

每一位消费者都有一个愿望,希望产品可以满足自己尽可能多的用户体验,用户体验中一个重要的指标就是能否尽可能便捷地应用产品,而实现这一目标的根本就是将所需的电子产品便携化。

半导体推动便携化进程

可以说,便携化正在成为整个电子产品领域一股不可逆转的潮流,而在便携化的潮流中,两个方面的趋势成为技术发展的必然,一是便携产品的应用领域越来越广泛,技术的进步不断提升着单位面积芯片的处理能力,让越来越多的便携设备出现在日常生活中,从最初的便携广播设备到移动电话及后来的便携媒体播放器等娱乐设备,再到便携PC、导航设备,以致便携的浪潮逐渐延伸出消费电子,蔓延到医疗、工业甚至是难以想象的军用领域等。另一个则是越来越多的功能被集成到便携产品中呈献给消费者,再如多年前那样仅仅拥有单一功能的便携产品已经很难取得成功,融合多种技术多重用户体验的便携设备已经成为任何一款新产品参与市场竞争的必备因素。

毫无疑问,在便携化浪潮的背后,最大的技术推动力来源于半导体器件的发展,仅以摩尔定律为基准,五年间相同面积数字芯片的密度就增加了至少5倍,这为便携设备赋予了强大的处理能力。另一方面,半导体技术同样在功耗上实现了质的飞跃,以“方进定律”为参考,5年时间,半导体的功耗同样可以降低至原来的20%甚至以下。从而让电池供电的设备能够更长久地提供高性能服务。此外,半导体的成本也在不断降低,5年间主流半导体芯片的成本也至少降低一半,致使便携产品的BOM(物料清单)成本不断降低,而BOM成本每降低一点都可能引发某种产品的雪崩式普及。更高的处理能力和更低的耗电水平加上更低的产品价格,半导体技术在便携产品市场的快速成长中也在实现自我规模的扩张。

消费电子依然是便携主流

虽然便携化的浪潮早已超出消费电子领域,毕竟消费电子依然是便携设备中最大也是最为活跃的市场,并且成为便携产品发展的风向标。即使经历了过去的经济危机,消费电子市场并未因此沉寂,我们看到经济危机带来的负面影响已经明显减弱,消费类电子产品市场早已经明显回暖,特别是便携类电子市场增长尤为迅速,并呈现出强大的活力。

活力的一个主要来源是便携式电子产品呈现出更加多元化的趋势。不同类别产品功能相互交叠覆盖,产品出现形态越来越多样化,真正体现消费电子兼容并包的应用发展理念。比如智能手机中已经支持很多过去个人电脑才能实现的多媒体功能,传统的笔记本厂商也不段提升产品的便携特性,开始推出了很多象SMARTBOOK、NETBOOK、TABLET、PAD等中间态产品,从前泾渭分明的市场领域越来越模糊。

未来便携消费电子产品的主要发展趋势将围绕个性化和互联网展开。推动消费电子产品是移动互联网的普及。例如时下流行的iPad,类iPad平板电脑、智能手机、家用多媒体应用等。个性化需求就是用户对于便携消费电子产品的差异化需求,其中包括产品的外形和功能,同时还包括在软件和应用上的差异化。

竞争激烈的移动设备环境将继续推动所有领域的创新和差异化,其中当然包括硬件。硬件将在功率、尺寸、成本、性能方面进行创新,更重要的是提升用户体验。在多元化的趋势中,便携设备与无线接入的融合显得更外耀眼。除此之外,便携系统的功效仍是设计的重点,已有许多不同于传统的系统架构,通过分散实现大功率应用处理器的一些管理功能来有效地提高系统功效。

高性价比地集成数字、音频、电池充电、线性稳压、开关转换、时钟和其它完全不同的功能所要求的制造工艺,可能导致电压转换模块性能的下降。为了提高性能、效率和设计灵活性,今后的趋势是不再集成较为重要的负载点稳压器。

另一些显著影响整个移动设备生态系统的主要趋势是第四代无线接口、云计算、位置服务和传感器。传感器拥有空前的发展潜力,因为它们可让产品具备更多的环境关联性,使得用户体验更为自然(模拟vs数字),它们还创建了大量的应用机会,其中大多数人们尚未设想到。

比如便携多媒体设备市场继续繁荣扩大,并走入新的增长通道。美国苹果电脑公司产品的显著成功代表着新兴设备的前景——较小的外形尺寸、更大的容量(基于闪存或嵌入式硬盘)、精巧的设计,以及更高的能效。再如每个月都有新的数码相机和便携式摄像机推出市场,这些产品具有更高的清晰度、更小的外形尺寸、更高的图像质量和更长的电池寿命。制造商正在寻求将现有的平台用于下一代相机和便携式摄像机,以降低开发成本和相关的风险。

便携无线产品最热门

随着消费者对信息获取的渴求不断提升,随时随地接入网络获取信息和娱乐资源已经成为众多消费者习以为常的习惯性选择,无线技术和消费电子的融合正在成为最热门的话题。新兴的“热门”便携娱乐信息设备(portableInfortainmentdevice)市场将推动消费者需求,很难想象现在全新推出的高级便携娱乐产品没有网络接入功能,甚至新的智能手机已经将无线接入列为标配以作为移动通信的网络接入补充,可以说,互联网、移动设备的普及造就了智能手机、iPad等产品的成功。无线技术是发展移动互联网的关键技术,保障了用户可以随时随地在移动的过程中使用互联网,而移动互联网更体现了传统桌面互联网下的web2.0的概念,强调随时随地的互动和分享。市场研究机构In-Stat指出,明年带有3G和无线技术的便携娱乐信息设备的全球付运数量将会超过1亿台。平板电脑、智能手机、电子书阅读器(e-reader)、便携媒体播放器(PMP)、个人导航设备(PND),以及数码相框(DPF)等设备都需要拥有连接到快速扩展的无线网络的能力。引入无线技术,便携娱乐设备可让用户随时随地携带和观看其喜爱的视频和其它媒体文件,以及下载新的点播内容。这些设备结合了大容量硬盘、小型LCD屏幕、无线连接性和一个用户友好的操作系统(OS)。支持多种媒体标准是这些设备的固有特性,这种特性尤其是在从网络直接下载内容的场合下显得特别重要。

除无线技术外,多点触摸、NFC技术支持下的移动支付平台,这些与日常生活相关的技术都将会被逐渐集成到便携产品中去。

综上所述,便携移动电子产品的主要市场发展和需求趋势有:

1.相比先前的产品,现在的移动电子产品包含更多的功能,如手机电视、视频通话、网络视频聊天、视频家庭监控应用,以及电子相框的互连、移动视频网络等;

2.大屏幕手机将是移动电话的主流,10.1英寸平板电脑则是便携电脑的主流;

3.物理联网设备将会丰富移动终端产品线,射频识别(RFID)、红外线传感器、全球定位系统、激光扫描仪,以及其它加入通信终端设备的信息感测功能,将创建复杂的网络终端产品;

4.手机和移动互联网设备、便携游戏控制台和平板电脑将会继续是移动电子产品的主流市场区域。

这些市场领域对半导体器件的最新技术需求包括:高效的功率管理以支持便携设备;快速响应以实现迅速操作;高集成度设计以实现小占位面积和最低BOM成本;支持直观的触摸屏接口;附件的安全硬件认证。通过对领先半导体供应商的采访,我们将深入探讨这些便携器件需求的细节。

便携处理技术

处理能力是便携产品实现各种应用功能的基础,没有强大的处理能力作为保证,再好的创意都无法实现。

ARM亚太区移动计算市场经理杨宇欣认为,便携设备需要高性能低功耗的处理器产品,手机就是最典型例子,ARM在维持低功耗的前提下,不断提升手机处理器性能。通过ARM每代架构和处理器的更新换代,在相同主频的前提下,提高芯片工作效率,让它能处理更多事情。我们看到提高芯片工作效率比一味提高主频更加重要。ARM看好差异化和个性化需求带动的很多市场领域,比如移动计算领域,以及各种基于ARM低成本、低功耗、高性能平台的产品。移动计算对于产品形态没有特别规定,比如既有平板电脑,也有高端手机这样的产品。在移动互联网的普及下,软件支持相关的技术比原来严苛许多,比如Android、互联网浏览器、各种插件等。对硬件性能的要求也将提高,比如Java速度、图形性能等,一切都是围绕用户体验和移动互联网的普及。

杨宇欣还介绍,现在消费者更趋于理智,希望可以用更低的价格获得更高性能更好用户体验的便携电子产品,对低成本差异化产品要求提升了。ARM始终坚持一贯的市场战略,并没有因为金融危机而改变。ARM现在的重点加大了软件方面的投入,与合作伙伴的关系也变得更加紧密,这是为了扩大并加强ARM的生态环境,生产出更多符合市场需求的产品。

CEVA市场拓展副总裁EranBriman认为围绕手机/便携电子产品市场有着两个主要的新兴发展趋势:连接性和可编程性。

CEVA的便携式多媒体解决方案通常集成了DSP内核、DSP子系统和丰富的视频及音频软件,在经过硅验证的平台中支持所有的行业标准。这款解决方案的架构经设计满足超低功耗、最小存储器容量和高清晰度等要求,可让获授权厂商增添任何音频/视频标准组合,并开发自己专有的软件,以实现产品差异化。相比其它竞争对手处理器(如精简指令集计算机(RISC)),使用CEVADSP内核实现HD视频/音频可大幅减低所需的系统功率资源,对于需要提高能效的应用来说,是颇具吸引力的选择。

CEVA开发了一系列结合部署CEVADSP内核所不可或缺的众多硬件和软件元素的系统平台。它是由下列元素构成:

●硬件基础架构–多用途DSP子系统集成了CEVADSP内核、相关的外设和系统接口如片上数据和程序存储器、高性能DMA控制器、缓冲时分复用端口(BTDMP)、高吞吐量主机、处理器接口(HPI),以及其它接口。

●软件环境–CEVA通过提供软件开发环境和软件框架来减轻集成负担,将“即插即用”算法集成进无线和媒体处理所要求的多任务解决方案中。

当然,在任何崭新的电子产品设计中,预算一直是主要的考虑事项。对于新兴的LTE/4G市场,新手机的功率预算将与3G手机保持相同,不过,新手机将需要支持比3G手机多10倍的数据。部署低功耗DSP可让手机制造商降低功率预算,同时又能达到出色的性能水平。

低功耗应用

便携式电子产品越来越复杂,计算需求和能力不断增强,因而对供电系统的要求很高。通常,这些系统由电池供电。为了能够提供足够的应用寿命,必须降低器件的功耗。

Microchip高级单片机架构部产品营销经理JasonTollefson介绍,该公司的nanoWattXLP技术,已经在该领域处于领导地位。Microchip的MCU具有世界上最低的运行和休眠电流,使得设计人员能够选择日益复杂的用户接口和通信方式,同时仍保持可接受的电池寿命。由于采用更先进的工艺技术,休眠电流也因而增加。Microchip推出深度休眠模式,以抵消工艺尺寸减小造成的漏电增大的影响。这项技术还使Microchip可以采用更先进的工艺,进而降低运行功耗。Microchip对低功耗技术投入巨大,并会在可预见的将来继续投入。

Tollefson先生十分看好无线传感器,因为它涉及多个市场。例如工业控制应用、个人健身产品、楼宇自动化和家庭自动化,它们都是无线传感器的代表性市场,将推动创新和扩大市场规模。为使应用具备实用性,它们必须能够依靠电池供电运行多年,或从热、光或射频(RF)电波等来源获取能量。低功耗的MCU和射频电路可将电池寿命延长到10年以上。能量采集也逐渐成为一种为设备永久供电的方法。

莱迪斯半导体产品营销经理ShantanuDhavale介绍,消费类的电子产品需求的关键是低成本、低功耗,比较小的尺寸,还应该有一个比较快速和可靠应用。其中需要权衡的问题一个是速度,一个是功耗,必须尽可能实现两者的平衡。这就需要一方面通过芯片创新技术,减少功耗,通过采用关键的技术,尽可能地减少系统功耗。所以最大的挑战是两方面,一个是怎么在物理上降低元器件本身的功耗。从使用者来说,半导体厂商的问题是怎么给他们提供尽可能多的工具,通过这些工具降低功耗。为此,该公司推出其新的MachXO2PLD系列,为低密度PLD的设计人员提供了在单个器件中的低成本、低功耗和高系统集成。嵌入式闪存技术采用了低功耗65纳米工艺,与MachXOPLD系列相比,MachXO2系列提供了3倍的逻辑密度、10倍的嵌入式存储器、静态功耗降低至原来1%并减少了高达30%的成本。不断地探索消费电子产品的挑战中重要的一环是怎样降低功耗,这包括两种功耗,一是静态功耗,还有动态的功耗。动态功耗一般都是使用者来掌控,取决于使用者进行切换的速度有多快。而所谓的静态功耗就是芯片没有使用时肯定会消耗的功耗,这是芯片厂商可以控制的。就功耗优化来说,莱迪斯使用了这些技术,包括65纳米的低功耗的加工工艺,同时里面包括可变的通道长度,可以通过优化晶体管的选择,提供功耗管理的特性。

电源管理

便携产品能够广泛应用,不仅仅有赖于低功耗器件的开发,更多的是借助先进的电源管理和功率器件带来全新的低功耗应用体验,从而让电池供电系统能够更为长久可靠的提供服务。

TI模拟器件事业部业务拓展经理周翔坦言,消费便携产品类包括医疗便携式产品对半导体器件有特殊的要求,包括低功耗、小封装尺寸、出色性能和低成本,其中成本可跟随客户的需要,时刻保持成本的敏感性。具体到电源系统设计,便携产品系统需要复杂电源的要求,举一个例子来说,上电持续是不是跟踪,因为便携式不可避免会用到电池,电池密度也会有高的需求。此外是空间的局限,现在消费产品的尺寸做得越来越薄,越来越小。

当然,提升器件能耗效率的方法有很多种,比较有效的包括提升工艺水平和增大集成度。其中提升工艺水平是最根本的办法,改善线宽、材料和半导体介质等技术可以显著降低能耗,不过模拟技术的工艺已经很难向下前进了,数字模拟结合的混合电路又非常盛行,这就需要在工业设计中保持数字模拟技术功耗的平衡,而不能单纯只降低一方面的能耗。

具体到TI的最新集成电源产品,TPS82671以仅6.7mm2的微小尺寸提供极小的集成型插件式电源解决方案,每平方毫米的电流可达90mA。该器件可在TI高度为1毫米的全新MicroSiP封装中高度整合所有外部组件,从而能够显著简化智能电话等600mA便携式电子产品的设计工作。TPS82671工作时静态电流非常低,仅为17mA,并能以2.3V~4.8V的输入电压实现超过90%的电源效率。

ADI看好便携医疗设备、测试与测量系统以及智能消费设备方面的新兴应用在未来的设计创新和增长前景。ADI华中地区销售经理张靖认为,与电池化学技术的成本效益和尺寸效益提升速度相比,便携系统功能的增长速度仍将更快。因此,系统功效仍是最关键的设计要素。将线性稳压器替换成开关稳压器以稳步提升本地稳压器性能或效率增益虽然仍很必要,但不再足够。现在已有许多不同于传统的系统架构,通过分散实现大功率应用处理器的一些管理功能来有效地提高系统功效。其次蜂窝手机中采用的通用电源管理单元将数字、音频、电池充电、线性稳压、开关转换、时钟和其它功能整合在一个IC中。高性价比地集成这些完全不同的功能所要求的制造工艺可能导致电压转换模块性能的下降。为了提高性能、效率和设计灵活性,今后的趋势是不再集成较为重要的负载点稳压器。

针对上述市场和新需求,ADI公司推出了新的改进型本地稳压器(超低噪声LDO、6MHz开关稳压器、高性能迷你PMU)。这些器件是ADI已发明的性能远远超过传统中央电源管理单元架构的一些解决方案实例。以及ADI公司最新的开关稳压器具有6MHz的开关频率,使用微型外部元件,因此系统工程师能够方便地快速完成在系统需求和功能方面的修改工作。

提高能效和降低系统功耗是美国国家半导体(NS)发展电源管理和音视频产品的重点。NS亚太区电源管理产品市场部经理钟建鹏希望在不同层面帮助客户在应用中提高能效。比如拥有业内效率最高的升压和降压DC/DC产品,保证电源管理器件级别的效率最优。另外为应用处理器厂商提供PowerwiseAVSIP,它能实时根据处理器芯片工作情况,控制电源管理芯片的输出电压,从而大大的降低处理器实际功耗。此外,NS在很多专用功能的模拟芯片的设计中(例如音频放大芯片,闪光灯驱动芯片,背光驱动芯片)充分考虑应用特性,在满足应用需求的前提下将功耗做到最低。例如在NS最新的背光驱动芯片中,创新的调光技术能进一步降低电池电流20%。

在手机市场领域,NS预计智能手机市场将增长最为迅速。另外新兴的各种TABLET、PAD类型的而呈快速增长的趋势。这两类应用在电源管理的效率和音视频效果方面的要求都将越来越高。此外越来越复杂的功能和便携性之间的矛盾势必使客户对芯片集成度的要求也越来越高。NS称其领先的封装和集成技术很好地满足客户这一需求。

众多耗电量大的新功能和特性继续推动对较低功耗IC、IC级和系统级高效功率管理功能的需求,飞兆半导体移动、计算、消费和通信市场推广和应用总监马春奇承认,关键因素仍然是最佳的系统架构和分区,以及合适的IC选择和实施方案。一个很好的示例是飞兆的DC/DC开关稳压器,可为移动设备的关键功能和IC提供高效的能量传送,除了优化功率之外,它们集成了功能性,提高性能,并可减小设备体积和减少总体元器件数目。

最近,智能手机极大地影响了移动领域的IC需求,展望未来,IC必须继续提升功效、减小体积和成本,此外,产品必须具有新的性能和功能性。比如使用USB作为示例,移动产品中的USB数据传送速率已转向480Mbit/s,预计更高的速率将会推动USB收发器达到新的性能水平。对比线性充电器IC,使用开关充电器通过USB充电变得更快速、更高效。由于USB端口可分享用作其它功能,如视频、音频和无数的附件,市场需要一系列能够在这些不同用途之间进行自动检测、保护和转换的新型智能IC。作为附加的优势,随着时间的推移,这些性能、特性和功能将会进入功能手机以及同类的应用设备中。

触控技术

在便携产品中,触控技术正在成为用户越来越认可的人机交互方式。爱特梅尔(Atmel)亚太区市场战略总监曹介龙则认为,今天的移动产品正在改变人们接收信息、社交和购买产品的方式,主要的技术变革已经完全地改变了移动设备的发展前景。复杂的物理联网设备将会丰富移动终端产品线,包括RFID、红外传感器、全球定位系统、激光扫描仪和加入通信终端设备的其它信息感测功能。

该公司的先进技术能够支持设计人员满足新的市场需求并扩大多种移动产品的可能性,例如利用触摸屏技术领域不断的性能突破、较低的功耗、更好的信噪比、单芯片触摸解决方案,以及稳固的安全性等。随着人们需要更佳的用户体验和用户接口以访问移动设备上不断增加的应用程序,电容式多点触摸屏将会广泛使用。爱特梅尔的先进电容式触摸解决方案是具有业界较低功耗、较高性能的单芯片解决方案。爱特梅尔提供涵盖小型至大型屏幕的电容式触摸技术,是Android、Linux和Windows等先进操作系统的自然选择。爱特梅尔maXTouch控制器能够拒绝无意触摸、支持无限次触摸,以及手写笔、指甲和手套输入,可为移动设备的用户提供全新的体验。

高质量音频

随着高清视频广泛出现于便携设备中,用户对音频的需求也逐渐提升,音频已经变成设备差异化的新战场,便携电子产品同样呼唤着高清音频体验的出现。

欧胜微电子致力于为各种多媒体设备提供纯粹的声效,这些设备包括智能手机、移动电话、平板电脑、融合媒体电视以及各种便携式媒体播放器等。欧胜各种业界领先的音频中心(AudioHub)与其创新的AudioPlus产品系列相结合,让欧胜能够提供各种高清晰度音频解决方案,从而带来一种比CD质量更好的音频体验。伴随着诸如噪音消除、环绕声效、多频带压缩和扬声器的扩展等音频提升技术的引入,不论何种应用都将可提供通透清朗的音频质量,使用户在任何环境中传达、聆听或记录明了的高清晰度音频。

欧胜音频中心产品线经理DuncanMacadie谈到,欧胜最新开发的WM8958音频中心(AudioHub)解决方案,专为给便携式多媒体应用提供高清晰度音频(HDAudio)而设计,当与AudioPlus产品结合在一起时,比如与其数字硅微机电系统(MEMS)麦克风、电源管理芯片和噪音消除等解决方案结合时,这款从架构上就全新定义的WM8958为高清晰度质量音频设立了基准。WM8958带有一款可以运行一个多频段压缩器(MBC)的音频增强数字信号处理器(DSP)。这能够确保从小型扬声器产生明显更响亮、更通透的音效,而不会造成超负荷或损坏。通过与一个板上的参量化均衡器和动态范围控制器配合,MBC能够提供扩展和优化扬声器输出的能力,从而为各种多媒体应用和手机铃声带来超凡的音频回放。

工艺与新技术

前面也提到,降低半导体产品的功耗最根本的手段缘于工艺的改进,半导体工艺恰恰是Tessera公司起家的主要业务,包括半导体封装业务还有互联业务以及热管理。Tessera执行副总裁兼首席技术执行官容志诚博士介绍,Tessera所开发出来先进的芯片尺寸封装(CSP)技术广地的应用到了手机的部件当中,包括手机的基带处理器当中,CSP可以很好的提高芯片的可靠性和性能,同时更为重要的就是能够把封装的尺寸减到非常微小,已经被很多的存储、DRAM和闪存的公司所使用。不仅如此,Tessera还有多芯片封装(MCP)技术,把多个集成电路叠放在一起,通过封装使它成为一个单片的一种芯片。还有翻转芯片封装,或者叫倒装芯片的封装技术,Tessera一直是能够支持各种集成的、高性能的电子器件,而且在过去的10年当中全球有超过500亿颗的半导体器件使用了Tessera的技术。这些技术通过降低芯片封装尺寸,降低了芯片占用的电路板面积,从而促进更多芯片在便携产品中的应用。

Tessera另一个有代表性的技术是基于MEMS的照相机自动对焦技术,该技术可以有效解决便携设备的高品质照相机镜头的机械对焦问题,在大幅降低整个镜头模组尺寸的同时提升了自动对焦和拍摄性能,MEMS技术与传统VCM(话音线圈马达)技术相比,功率更好,而且速度更快,特别适合500万像素以上便携照相机模组。Tessera针对便携电子产品的技术还包括热管理技术,特别适合高性能超薄便携处理设备,不仅可以降低产品功耗,更可提供无风扇冷却系统,降低超薄便携电脑和显示产品的噪音。替代风扇的是用电磁的原理通过控制电压使得空气生成一种离子,离子化的空气之后通过金属的阴极和阳极之间来进行运动,产生风力,这个时候对于产品的高度要求就非常松,可以薄到1毫米左右的高度,同时也可以通过电压来控制整个气流。

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