３Ｇ移動電話的系統級ＬＳＩ

引言

無線移動電話僅具備語音功能的時代已經離我們遠去了。目前的3G手機更多的是作為多媒體系統，提供彩顯、游戲、音頻、視頻、相機、藍牙、GPS、WLAN、高速廣域數據服務以及其他高級特性。由于功能非常之多，因此處理新型3G電話比處理僅有語音功能的2G電話要復雜5倍至10倍，在應用處理方面則要求更高。

用戶既要求具有復雜的功能特性，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商不得不實現電子組件的高度集成。系統級封裝(SiP)與片上系統(SoC)是通過電子集成滿足上述要求的兩大方法。SoC不僅能夠節省板級空間，而且還能節約系統成本并降低功耗，SiP能夠將采用不同工藝技術制造的半導體整合在同一封裝中，兩種方法各有千秋。本文將探討手機IC集成所面臨的某些技術難題，并探討SiP與SOC兩種方法在將存儲器、模擬以及RF等電子組件集成到手持終端的過程中如何進行權衡取合。

存儲器集成

移動電話處理器要求大量RAM，以便盡可能縮短處理器內核運行時的等待時間。這就是說，片上一級和二級高速緩存存儲器陣列必須足夠大，才能確保處理器內核的管線式加載，并避免過多進行片外存取。

為了對SoC應用所需的存儲器容量有個大致的了解，我們不妨以功能較多的2．5G手持終端應用為例來加以說明。這種應用通常需要多達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，因為其所需的板級空間太大，、而且成本不菲。

決定是采用嵌入式存儲器還是片外存儲器的關鍵在于，嵌入式解決方案的效果到底好不好，片上外部存儲器的集成有沒有優勢。以圖形應用為例，我們可以很好的證明這一點。這類應用需要很高的存儲器帶寬。為了滿足這一要求，總線寬度可達256或512，但在外部存儲器中實現較寬的總線寬度是不實際的。因此，在這種情況下，應當采用嵌入式存儲器解決方案，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雜程度遠遠高于獨立芯片的復雜性，那么SoC集成就不具有成本優勢了。我們不妨以50mm2的邏輯芯片以及50mm2的DRAM芯片為例來說明這一點(見圖1)。

假定6LM邏輯芯片要求26個掩模層，3LMDRAM芯片也要求26個掩模層。使用掩模層就意味著成本會增加，單個芯片的成本可以如下計算：100mm2x26掩模=2600掩模mm2。如果邏輯與DRAM集成，那么掩模層就會增加到32個，這樣成本就會增加到3200掩模mm2，足足提高了23％。對大多數系統設計而言，如此高的成本提升是不可接受的。

SoC存儲器集成還存在另一問題，就給定工藝技術而言，研發嵌入式解決方案比標準的CMOS工藝研發還要多花9至12個月的時間，這就意味著標準的CMOS技術出瑚后幾乎一年才能推出復雜的嵌入鼓存儲器解決方案。

SiP為嵌入式存儲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，而且是一個或多個商用存儲器芯片層疊在SoC邏輯器件之上。我們用低成本的絲焊組裝技術實現器件互連，器件則采用廉價的BGA封裝。

由于疊層芯片方法采用的廉價商用存儲器不會增加高性能CMOS通信處理器的復雜性，因此這種方法實現了SiP與SoC的最佳結合，而且通常不要求定制芯片，這有助于加速產品的上市進程。此外，由于這種方法只會增加縱向空間，而不會橫向擴展空間，因此很適合電池供電的消費類電子產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模擬工藝技術實現，與數字基帶芯片所采用的深亞微米CMOS技術極為不同。如果模擬和電源管理功能也能通過深亞微米數字CMOS實施且不會增加工藝復雜性，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，我們通常很難用數字CMOS技術來實現模擬電路功能。因此，有必要重新優化整個系統，使其能夠利用數字CMOS的優勢，并開發新型的架構以充分利用數字邏輯的低電壓和低成本優勢。對于大多數情況而言，我們都能很清楚地掌握新型架構，不過低電壓帶來的綜合折衷平衡則是不同的。

·數字、自校準以及動態的元件匹配在小型器件與低電壓情況下的優勢更大。

例如，經重新優化設計的12位△一∑模數轉換器能夠充分利用90nmCMOS的邏輯與高速交換能力。如果轉換器的分辯率與采樣率都很高，就能夠更好地以數字化方式執行無線電通道信號的處理工作。相對于模擬成分較多的技術實施而言，數字處理具有很高的靈活性，從而降低了成本與功耗。

電源管理越來越多地采用分布式技術，特別在低功耗應用中更是如此，因為我們要讓不工作的邏輯和存儲器進入待機或睡眠模式，從而降低待機功耗。采用開關式激活或激活邏輯塊，從而實現大部分電源管理功能。此外，還需要進行本機的片上穩壓，這就要有片上低壓降(LD．O)調節器。為了啟動開關或在接近Vdd的電壓上實現LDO，常常需要使電路工作在超過電路Vdd的情況下，為了實現這一目的，可使用漏極擴展(DE)CMOS，讓漏極上的電壓保持在超過正常MOSFET的BVdss的水平。DECMOS還可在電池供電的設備中實現高電壓的電池充電器電路。

RF集成

現代手持終端的RF器件必須滿足各種嚴格的性能要求。有的信號只有幾微伏，我們必須在存在強大干擾源的情況下成功接收這些信號，并且還要產生強大的輸出功率電平(約為30dBm)來帶動天線工作，此外更要考慮不同RF器件之間的隔離問題。RF設計還要求在高頻上實現準確的濾波，并在信號路徑上的電路間實現良好的匹配。這些要求彼此密不可分，使RF集成成為相當復雜的問題，也使得在決定選用SiP還是SoC來實現RF功能時面臨著相當大的困難。

圖2給出了新型GSM手機的典型高級功能塊示意圖。RF收發器功能包含上變頻和下變頻信息信號至傳輸帶的小型信號RF電子組件。功率放大器模塊(PAM)可放大收發器輸出，以足夠大的功率生成輸出信號來實現可靠的傳輸。前端模塊(FEM)通常包括RF開關功能和RF預選擇濾波器，通常是表面聲波(SAW)器件。CDMA蜂窩標準的示意圖與此類似，該標準以無線接口實現全雙工工作，不過雙工器將取代開關的功能。

圖中的兩個大橢圓形表示RF器件可能的分區選擇。第一個橢圓標志為SoC，表示RF收發器如何與基帶處理Ic集成，而第二個橢圓則表示SIP如何與PAM和FEM集成，從而實現單個模擬RF模塊。在手持終端的生產中采用PAM和FEM模塊的實踐作法已經開展了多年。由于在模擬功能之間實現RF信號互連通常要求匹配的網絡，因此RF設計還與諸多無源組件相關。有鑒于此，較好的做法是讓PAM和FEM模塊包括盡可能多的無源組件。通常而言，PAM與FEM是彼此獨立的兩種模塊，以避免SAW濾波器因為PAM的散熱而導致過熱不穩定問題。不過，我們也已經推出了所有RF功能都集成在同一封裝中的產品。

總之，RF技術中到底采用SiP還是SoC取決于RF收發器能否通過封裝技術較好地與前端模塊和／或功率放大器實現集成，或者說能不能將收發器與基帶處理Ic實現整體集成。

由于SiP允許使用傳統的模擬RF收發器，因此不再需要新的收發器架構或特殊的IC技術。RF收發器功能已經相當完善，除了要考慮與模塊集成相關的布局問題外(焊盤放置、Ic長寬比等)，SiP集成不會存在其他問題。但是，收發器的SiP集成對提升整體系統性能的作用有限。盡管我們通過這種方法可以縮小電路板面積，但卻不能降低功耗，而且系統整體成本可能增加。

采用BiCMOS(SiGe)晶圓工藝，允許使用傳統的RF架構。不過，SiGe晶圓工藝會要求額外的刻線，從而提高系統邏輯和存儲器的成本。而N．SiGe工藝如果不配套采用最先進的光刻技術，就會增加系統邏輯所占的面積。此外，如果采用傳統的RF器件，那么即便將系統邏輯與RF功能緊密結合，也很難獲得什么好處。因此，以BiCMOS(或SiGe)技術實現單片集成并不是一項很好的選擇。

有鑒于此，RF收發器的SoC集成必須采用CMOS技術實施。幸運的是，深亞微米CMOS晶體管提供了很好的RF性能，能夠方便地滿足集成收發器設計的需要(可以實現較低的噪聲值和較高的過渡頻率)。不過，傳統的RF收發器設計大量使用了模擬組件，并要求高性能的無源組件。如果采用CMOS技術進行設計的話，通常還必須做一些額外的工作，先實現所需的小型電阻、電容和電感器。

我們實現了帶有完全集成的收發器的GSM設備。RF收發器功能所占的面積還不到裸片總面積的10％。憑借相當低的成本、相當低的功耗以及非常小的電路板面積完全達到了GSM標準的要求。

結語

3G手持終端這樣復雜的系統最好通過綜合采用SiP和SoC技術來實現。RF集成的功率放大器、SAW濾波器、RF開關及其相關無源組件最好作為SiP模塊實施，而系統基帶處理功能則應采用深亞微米CMOS工藝來實現RF收發器功能的SoC集成，從而帶來巨大優勢。

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