３Ｇ移動(dòng)電話(huà)的系統(tǒng)級(jí)ＬＳＩ

引言

無(wú)線(xiàn)移動(dòng)電話(huà)僅具備語(yǔ)音功能的時(shí)代已經(jīng)離我們遠(yuǎn)去了。目前的3G手機(jī)更多的是作為多媒體系統(tǒng)，提供彩顯、游戲、音頻、視頻、相機(jī)、藍(lán)牙、GPS、WLAN、高速?gòu)V域數(shù)據(jù)服務(wù)以及其他高級(jí)特性。由于功能非常之多，因此處理新型3G電話(huà)比處理僅有語(yǔ)音功能的2G電話(huà)要復(fù)雜5倍至10倍，在應(yīng)用處理方面則要求更高。

用戶(hù)既要求具有復(fù)雜的功能特性，另一方面又要求減少功耗與空間，這就迫使手持終端組件供應(yīng)商不得不實(shí)現(xiàn)電子組件的高度集成。系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)與片上系統(tǒng)(SoC)是通過(guò)電子集成滿(mǎn)足上述要求的兩大方法。SoC不僅能夠節(jié)省板級(jí)空間，而且還能節(jié)約系統(tǒng)成本并降低功耗，SiP能夠?qū)⒉捎貌煌に嚰夹g(shù)制造的半導(dǎo)體整合在同一封裝中，兩種方法各有千秋。本文將探討手機(jī)IC集成所面臨的某些技術(shù)難題，并探討SiP與SOC兩種方法在將存儲(chǔ)器、模擬以及RF等電子組件集成到手持終端的過(guò)程中如何進(jìn)行權(quán)衡取合。

存儲(chǔ)器集成

移動(dòng)電話(huà)處理器要求大量RAM，以便盡可能縮短處理器內(nèi)核運(yùn)行時(shí)的等待時(shí)間。這就是說(shuō)，片上一級(jí)和二級(jí)高速緩存存儲(chǔ)器陣列必須足夠大，才能確保處理器內(nèi)核的管線(xiàn)式加載，并避免過(guò)多進(jìn)行片外存取。

為了對(duì)SoC應(yīng)用所需的存儲(chǔ)器容量有個(gè)大致的了解，我們不妨以功能較多的2．5G手持終端應(yīng)用為例來(lái)加以說(shuō)明。這種應(yīng)用通常需要多達(dá)16MB的NOR閃存以及相同容量的NAND閃存與DRAM。這樣大的容量不適合采用嵌入式解決方案，因?yàn)槠渌璧陌寮?jí)空間太大，、而且成本不菲。

決定是采用嵌入式存儲(chǔ)器還是片外存儲(chǔ)器的關(guān)鍵在于，嵌入式解決方案的效果到底好不好，片上外部存儲(chǔ)器的集成有沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。以圖形應(yīng)用為例，我們可以很好的證明這一點(diǎn)。這類(lèi)應(yīng)用需要很高的存儲(chǔ)器帶寬。為了滿(mǎn)足這一要求，總線(xiàn)寬度可達(dá)256或512，但在外部存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)較寬的總線(xiàn)寬度是不實(shí)際的。因此，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)采用嵌入式存儲(chǔ)器解決方案，其作用大于成本方面的不利因素。

然而，如果集成芯片的工藝復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于獨(dú)立芯片的復(fù)雜性，那么SoC集成就不具有成本優(yōu)勢(shì)了。我們不妨以50mm2的邏輯芯片以及50mm2的DRAM芯片為例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

假定6LM邏輯芯片要求26個(gè)掩模層，3LMDRAM芯片也要求26個(gè)掩模層。使用掩模層就意味著成本會(huì)增加，單個(gè)芯片的成本可以如下計(jì)算：100mm2x26掩模=2600掩模mm2。如果邏輯與DRAM集成，那么掩模層就會(huì)增加到32個(gè)，這樣成本就會(huì)增加到3200掩模mm2，足足提高了23％。對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，如此高的成本提升是不可接受的。

SoC存儲(chǔ)器集成還存在另一問(wèn)題，就給定工藝技術(shù)而言，研發(fā)嵌入式解決方案比標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝研發(fā)還要多花9至12個(gè)月的時(shí)間，這就意味著標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)出瑚后幾乎一年才能推出復(fù)雜的嵌入鼓存儲(chǔ)器解決方案。

SiP為嵌入式存儲(chǔ)器難題提供了一種低成本的解決方案。疊層裸片SiP與SoC解決方案所占用的空間一樣小，而且是一個(gè)或多個(gè)商用存儲(chǔ)器芯片層疊在SoC邏輯器件之上。我們用低成本的絲焊組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件互連，器件則采用廉價(jià)的BGA封裝。

由于疊層芯片方法采用的廉價(jià)商用存儲(chǔ)器不會(huì)增加高性能CMOS通信處理器的復(fù)雜性，因此這種方法實(shí)現(xiàn)了SiP與SoC的最佳結(jié)合，而且通常不要求定制芯片，這有助于加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。此外，由于這種方法只會(huì)增加縱向空間，而不會(huì)橫向擴(kuò)展空間，因此很適合電池供電的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品所提出的封裝要求。

模擬與電源管理集成

目前，模擬與電源管理功能通常通過(guò)模擬工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，與數(shù)字基帶芯片所采用的深亞微米CMOS技術(shù)極為不同。如果模擬和電源管理功能也能通過(guò)深亞微米數(shù)字CMOS實(shí)施且不會(huì)增加工藝復(fù)雜性，那么模擬與電源管理的SoC集成就是一種合算的低成本方法。

由于種種限制條件的存在，我們通常很難用數(shù)字CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬電路功能。因此，有必要重新優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，使其能夠利用數(shù)字CMOS的優(yōu)勢(shì)，并開(kāi)發(fā)新型的架構(gòu)以充分利用數(shù)字邏輯的低電壓和低成本優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大多數(shù)情況而言，我們都能很清楚地掌握新型架構(gòu)，不過(guò)低電壓帶來(lái)的綜合折衷平衡則是不同的。

·數(shù)字、自校準(zhǔn)以及動(dòng)態(tài)的元件匹配在小型器件與低電壓情況下的優(yōu)勢(shì)更大。

例如，經(jīng)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)的12位△一∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠充分利用90nmCMOS的邏輯與高速交換能力。如果轉(zhuǎn)換器的分辯率與采樣率都很高，就能夠更好地以數(shù)字化方式執(zhí)行無(wú)線(xiàn)電通道信號(hào)的處理工作。相對(duì)于模擬成分較多的技術(shù)實(shí)施而言，數(shù)字處理具有很高的靈活性，從而降低了成本與功耗。

電源管理越來(lái)越多地采用分布式技術(shù)，特別在低功耗應(yīng)用中更是如此，因?yàn)槲覀円尣还ぷ鞯倪壿嫼痛鎯?chǔ)器進(jìn)入待機(jī)或睡眠模式，從而降低待機(jī)功耗。采用開(kāi)關(guān)式激活或激活邏輯塊，從而實(shí)現(xiàn)大部分電源管理功能。此外，還需要進(jìn)行本機(jī)的片上穩(wěn)壓，這就要有片上低壓降(LD．O)調(diào)節(jié)器。為了啟動(dòng)開(kāi)關(guān)或在接近Vdd的電壓上實(shí)現(xiàn)LDO，常常需要使電路工作在超過(guò)電路Vdd的情況下，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可使用漏極擴(kuò)展(DE)CMOS，讓漏極上的電壓保持在超過(guò)正常MOSFET的BVdss的水平。DECMOS還可在電池供電的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高電壓的電池充電器電路。

RF集成

現(xiàn)代手持終端的RF器件必須滿(mǎn)足各種嚴(yán)格的性能要求。有的信號(hào)只有幾微伏，我們必須在存在強(qiáng)大干擾源的情況下成功接收這些信號(hào)，并且還要產(chǎn)生強(qiáng)大的輸出功率電平(約為30dBm)來(lái)帶動(dòng)天線(xiàn)工作，此外更要考慮不同RF器件之間的隔離問(wèn)題。RF設(shè)計(jì)還要求在高頻上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的濾波，并在信號(hào)路徑上的電路間實(shí)現(xiàn)良好的匹配。這些要求彼此密不可分，使RF集成成為相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，也使得在決定選用SiP還是SoC來(lái)實(shí)現(xiàn)RF功能時(shí)面臨著相當(dāng)大的困難。

圖2給出了新型GSM手機(jī)的典型高級(jí)功能塊示意圖。RF收發(fā)器功能包含上變頻和下變頻信息信號(hào)至傳輸帶的小型信號(hào)RF電子組件。功率放大器模塊(PAM)可放大收發(fā)器輸出，以足夠大的功率生成輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸。前端模塊(FEM)通常包括RF開(kāi)關(guān)功能和RF預(yù)選擇濾波器，通常是表面聲波(SAW)器件。CDMA蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的示意圖與此類(lèi)似，該標(biāo)準(zhǔn)以無(wú)線(xiàn)接口實(shí)現(xiàn)全雙工工作，不過(guò)雙工器將取代開(kāi)關(guān)的功能。

圖中的兩個(gè)大橢圓形表示RF器件可能的分區(qū)選擇。第一個(gè)橢圓標(biāo)志為SoC，表示RF收發(fā)器如何與基帶處理Ic集成，而第二個(gè)橢圓則表示SIP如何與PAM和FEM集成，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)模擬RF模塊。在手持終端的生產(chǎn)中采用PAM和FEM模塊的實(shí)踐作法已經(jīng)開(kāi)展了多年。由于在模擬功能之間實(shí)現(xiàn)RF信號(hào)互連通常要求匹配的網(wǎng)絡(luò)，因此RF設(shè)計(jì)還與諸多無(wú)源組件相關(guān)。有鑒于此，較好的做法是讓PAM和FEM模塊包括盡可能多的無(wú)源組件。通常而言，PAM與FEM是彼此獨(dú)立的兩種模塊，以避免SAW濾波器因?yàn)镻AM的散熱而導(dǎo)致過(guò)熱不穩(wěn)定問(wèn)題。不過(guò)，我們也已經(jīng)推出了所有RF功能都集成在同一封裝中的產(chǎn)品。

總之，RF技術(shù)中到底采用SiP還是SoC取決于RF收發(fā)器能否通過(guò)封裝技術(shù)較好地與前端模塊和／或功率放大器實(shí)現(xiàn)集成，或者說(shuō)能不能將收發(fā)器與基帶處理Ic實(shí)現(xiàn)整體集成。

由于SiP允許使用傳統(tǒng)的模擬RF收發(fā)器，因此不再需要新的收發(fā)器架構(gòu)或特殊的IC技術(shù)。RF收發(fā)器功能已經(jīng)相當(dāng)完善，除了要考慮與模塊集成相關(guān)的布局問(wèn)題外(焊盤(pán)放置、Ic長(zhǎng)寬比等)，SiP集成不會(huì)存在其他問(wèn)題。但是，收發(fā)器的SiP集成對(duì)提升整體系統(tǒng)性能的作用有限。盡管我們通過(guò)這種方法可以縮小電路板面積，但卻不能降低功耗，而且系統(tǒng)整體成本可能增加。

采用BiCMOS(SiGe)晶圓工藝，允許使用傳統(tǒng)的RF架構(gòu)。不過(guò)，SiGe晶圓工藝會(huì)要求額外的刻線(xiàn)，從而提高系統(tǒng)邏輯和存儲(chǔ)器的成本。而N．SiGe工藝如果不配套采用最先進(jìn)的光刻技術(shù)，就會(huì)增加系統(tǒng)邏輯所占的面積。此外，如果采用傳統(tǒng)的RF器件，那么即便將系統(tǒng)邏輯與RF功能緊密結(jié)合，也很難獲得什么好處。因此，以BiCMOS(或SiGe)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成并不是一項(xiàng)很好的選擇。

有鑒于此，RF收發(fā)器的SoC集成必須采用CMOS技術(shù)實(shí)施。幸運(yùn)的是，深亞微米CMOS晶體管提供了很好的RF性能，能夠方便地滿(mǎn)足集成收發(fā)器設(shè)計(jì)的需要(可以實(shí)現(xiàn)較低的噪聲值和較高的過(guò)渡頻率)。不過(guò)，傳統(tǒng)的RF收發(fā)器設(shè)計(jì)大量使用了模擬組件，并要求高性能的無(wú)源組件。如果采用CMOS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的話(huà)，通常還必須做一些額外的工作，先實(shí)現(xiàn)所需的小型電阻、電容和電感器。

我們實(shí)現(xiàn)了帶有完全集成的收發(fā)器的GSM設(shè)備。RF收發(fā)器功能所占的面積還不到裸片總面積的10％。憑借相當(dāng)?shù)偷某杀尽⑾喈?dāng)?shù)偷墓囊约胺浅Ｐ〉碾娐钒迕娣e完全達(dá)到了GSM標(biāo)準(zhǔn)的要求。

結(jié)語(yǔ)

3G手持終端這樣復(fù)雜的系統(tǒng)最好通過(guò)綜合采用SiP和SoC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。RF集成的功率放大器、SAW濾波器、RF開(kāi)關(guān)及其相關(guān)無(wú)源組件最好作為SiP模塊實(shí)施，而系統(tǒng)基帶處理功能則應(yīng)采用深亞微米CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)RF收發(fā)器功能的SoC集成，從而帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)。

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