嵌入式微处理器未来市场趋势

嵌入式微處理器未來市場趨勢

CPU的架構大致上可分為CISC CPU & RISC CPU。

CISC CPU適用於大量資料運算的應用(INTEL、AMD、VIA的x86 CPU)。

RISC CPU所強調的是執行的效率與省電的要求(ARM、MIPS、ARC …)。

不論是CISC或是RISC CPU，都可以依據CPU內部處理資料匯流排的寬度，可區分成8位元、16位元、32位元與64位元等四種。根據In-Stat的統計，成長最快的是64位元嵌入式CPU，主要應用在STB、DTV與電視遊戲機等需要大量資料處理的產品。

8至64位元主要產品中所使用嵌入式CPU種類

全球的嵌入式CPU供應商第一大廠商是ARM，排名第二是MIPS。但兩家的產品定位並不完全相同。

ARM的CPU會強調省電應用；MIPS則主打高效能的產品。

因此在過去強調省電訴求的行動電話是嵌入式產品最大應用產品情況下，ARM 的營收皆優於MIPS。MIPS已逐漸淡出16位元CPU的市場，而專注於32位元以上的CPU。ARM與其最大競爭對手MIPS的差異處在於，以交易機制來分析，一般而言，ARM的授權金比重較高，而MIPS則收取比例較高的權利金。

早期台灣廠商CPU或MCU相關技術可區分成三類，8051架構、6502架構與自行研發等三種。INTEL的8051與Motorola的6502都是8位元的架構，初期都是由工研院所授權獲得，並推廣至國內業者。另外自行研發的也不在少數，例如凌陽、盛群、金麗或十速等公司，但都是32位元以下的架構。

嵌入式微處理(CPU)器與微控制器(MCU)

微處理器強調運算效能，而微控制器著重控制功能。

在SoC整合趨勢下，嵌入式微處理器加上記憶體、邏輯與I/O等IP將構成強大效能的微控制器；而增強位元數後的微控制器亦具有MPU的強大處理功能。

微處理器若以應用產品的軟體平台來區分，可分成特定應用型與泛用型兩種。特定應用型：

操作軟體大致是依據終端產品所需的功能加以設計，其最大特色是封閉的操作環境，終端產品的使用者大致上不需了解軟體的構造，也不能修改其操作功能，應用產品有印表機、數位相機、車用設備與遊戲機等，這類型產品通常較簡單其穩定性也要求較高。

泛用型：

如簡易的電腦一樣，有著相似而共通的作業系統，主要應用在PDA、Smart Phone、STB（視訊轉換器）、Thin Client等。此類產品因具有資訊交換的功能，其作業系統較複雜，相容性的要求也較高。

微控制器主要是負責系統產品中控制功能的IC元件。目前電子產品朝向輕薄短小、功能強大、價格低廉等目標發展，加上開發時程日益縮短，微控制器具有整合諸多功能於一身的特性，不但節省開發時間，在降低體積與成本上也有相當大的助益。

微控制器因有下列優點：

1.低價

2.較小的程式碼

3.可使用C語言編譯，開發更容易

4.耗電量較低

5.最高的效能與價格比

16位元以上的微控制器主要應用在通訊(如ISDN、USB等)、車用與工業等項目；由於需要符合工業規格，必須認證後才能出貨，技術層次較高。

隨著系統產品功能的多樣化，人機介面必須具有親和力…等，微控制器的效能亦不斷要求提升，近年來32/64位元微控制器成長率有越來越高的趨勢。

SoC產品分類

在目前的技術架構下，系統單晶片市場可說是由兩種IC元件所組成，分別為

特殊用途積體電路(Application-Specific Integrated Circuit; ASIC)

特殊應用標準產品(Application-Specific Standard Product; ASSP)

不論是哪一種元件，都是為某一種特殊用途而設計。一般而言，每一個應用市場多半是由ASIC產品開始研發，業者嘗試發展其架構，慢慢的產業裡有一些標準出來，才逐步往標準化的ASSP方向發展。也可以說，ASIC是為了單一客戶的某個應用產品而設計，但ASSP因為有部分的標準架構，因此可同時提供給多個客戶應用在某一產品當中。

不論是ASIC或ASSP，基本上每顆IC都包含了三大部分

運算處理器(On-chip Engine)

記憶體(Memory)

邏輯控制器(Logic)

絕大多數的應用產品都有記憶體及邏輯控制元件，因此SoC中最關鍵的部分為運算處理器；而運算處理器中還包括有

核心微處理器(Microprocessor，如ARM或MIPS的產品)

核心數位訊號處理器(Digital Signal Processor; DSP)

核心繪圖處理器(Graphics Engine)

核心數位化影音壓縮處理器(Motion Picture Experts Group; MPEG)

……

其中核心數位訊號處理器為最熱門的運算處理器，同時也最被廣泛運用。

SoC設計平台—ARM

為了實現SoC的目的，因而產生了許多的發展模式，因為眾多廠商所具備的實力皆不同，所使用的策略亦不相同。除了TI這種IDM廠外，另一種是像ARM這樣的純SIP廠商，依靠授權的費用來支撐營運，這類廠商會興起的原因在於，並非所有的廠商都擁有TI或是Intel般的實力，因此常常缺乏一些關鍵的SoC元件，例如MPU或是DSP等。因此一些擁有不錯設計實力，又不想負擔庫存壓力的小型設計公司，便衍生出這種交易技術的商業模式。

ARM簡介

ARM(Advanced RISC Machines)的前身為英國Acorn Computer Group，在1980年代主要生產RISC CPU與一般PC，後來經營狀況不良，公司陷入困境，因此晶片研發團隊於1990年由蘋果電腦(Apple Computer Inc.)出資美金290萬、偉矽(VLSI Technology Inc.)出資美金48.5萬獨立出來成立公司。

ARM的產品主要是以低功耗(low power consumption)、低成本為訴求，ARM在RISC嵌入式微處理器市場中其CPU Core接受度日益提高，目前已躍為全球最大的IP授權公司。在智慧產產權部份，ARM擁有180種以上的專利系列，在其產品中含括了650個各項專利。

ARM創新採行將IP開發後再授權的作法，把開發出來的核心(Core)授權給半導體公司，讓這些公司去設計、生產ARM架構的晶片，本身並不製造販賣晶片。

由於ARM本身並不製造販賣晶片，為了提昇其競爭力則必須提供給客戶便於系統整合的IP，因此與IP週邊廠商建立緊密的夥伴關係變成關鍵要務。ARM合作夥伴可依不同類別區分為應用軟體廠商、開發工具廠商、半導體廠商、晶圓代工廠商、作業系統廠商與設計服務公司。

ARM主要的客戶包括半導體廠商、OEM/ODM廠商、IC設計公司與設計服務公司，目前全球已有超過百家公司獲得其授權。

在經營模式方面，ARM採行IP授權的作法，也就是將開發出來的核心授權給半導體公司，讓這些公司去設計、生產ARM架構的晶片，本身並不製造販賣晶片。ARM與這些半導體公司結成伙伴，形成一個網路組織，以促成架構的標準化及推廣。採取公司本身並不做生產與行銷的部分，而藉由與市場中的大型半導體公司合作，將IP授權給這些公司生產與製造，以抽取授權費及權利金做為收入的來源，本身並不與這些被授權的廠商作直接的競爭，一方面可能是因為當時ARM 本身由於是新創公司並不具備生產能力，同時也希望藉由與這些大公司合作來與市場中其他的電腦架構勢力如IBM、Intel做競爭，因此選擇了這樣的合作方式。過去ARM是採取將IP授權給大型半導體公司，由這些半導體廠商負責生產銷售ARM的晶片，到了2000年左右的時候，ARM開始採取新的授權策略，將整個產品授權劃分成好幾個部分，IP授權、設計服務授權與製造授權。新的授權方式為ARM與客戶之間合作的方式增加了更多的彈性，IC設計公司或系統公司可以選

擇與ARM以及設計服務公司之間的關係。

製造授權(也就是與晶圓廠之間的合作)則是一方面可替中小型的設計公司更快的爭取到上線生產時機，另一方面則是可做ARM保護其重要核心知識的方式。因為在目前IP的交易過程中，對於IP知識的保護一直是IP提供者相當顧慮的一個議題，除了不希望被客戶得知Know-how之外，也希望能夠持續保持技術的高價值，所以對於IP技術的揭露，廠商多採謹慎且保留的態度。

ARM產品簡介

ARM目前主要的產品包括ARM7TM 系列、ARM9TM 系列、ARM10TM 系列、ARM11TM 系列、SecurCoreTM、Intel Xscale Micro-Architecture以及專門用在安全控管上的SecurCore可合成的RTL code。

ARM核心的產品應用可分為以下幾類：

汽車用途(Automotive)

消費娛樂產品(Consumer Entertainment)

影像產品(Imaging)

網路產品(Networking)

安檢產品(Secure)

儲存產品(Storage)

無線通訊(Wireless)

ARM的嵌入式微處理器產品主要的優點為低功耗，而行動電話以及PDA等掌上型行動裝置，為了延長使用者的電池使用時間，紛紛採用ARM的嵌入式微處理器，全球行動電話近七成都是使用ARM的RISC處理器核心技術，此架構也成為業界的標準，這使得ARM成為市場的領導者，無線通訊為ARM目前最大的營收來源。

ARM的主要營收來源：

產品收入主要包括授權費、權利金和開發系統(Development systems)等三項。服務收入則包含支援服務與顧問服務。

授權費指的是將產品授權給客戶所賺取的收入，而權利金的收費方式則可依照單一晶片的銷售額百分比或以每個晶片收取固定金額的方式來收費，因此客戶的出貨數量越高，所能賺取的權利金也就越高。

由於授權費是依照簽訂的合約價格收費，與景氣波動、廠商出貨情況無直接關聯，但權利金卻會依照出貨情況按一定比例收費，因此一般IP廠商在初期都會以授權費為主，隨著出貨量逐年增加，權利金才會上升。以ARM的營收項目來看，授權費與權利金皆約四成比重，表示一方面有新案產生，而另一方面，舊案的出貨量也十分正常，但支援服務費用的比例若能更加降低，表示後續支援客戶的項目與所花的Effort都能大幅降低，更能將公司資源集中在產品的開發上。

SoC設計平台—TI OMAP (Open Multimedia Application Platform)

隨著IC微縮製程技術的快速發展，單一晶片上所能整合的電晶體數目愈來愈多，至今設計複雜度進一步提升到百萬邏輯閘(Gates)，若仍然採用傳統利用Standard Cell或是重新設計的方式來設計晶片，一次必須設計百萬個甚至更多的Gates，以目前IC產業的環境，勢必無法提供足夠的人力與符合開發產品即時上市的要求。在這種情況下，較可行且有效的方式是善用SIP，在廠商無法迅速掌控一切關鍵技術的情況下，藉助不同廠商所提供之SIP，才能在最短時間內推出產品，以搶食市場大餅。

SoC設計平台的概念

IC設計平台化需求殷切的原因，乃由於IC單位面積集積度增加以及新一代產品功能設計日益複雜，為了讓IC設計更有效率，IC設計方式的演變從過去的TDD(Timing Driven Design)階段，演變至BBD(Block-Based Design)階段，最後進入設計複雜度更高的PBD(Platform-Based Design)階段。

PBD的設計概念乃因應先進製程，適用於高複雜度設計及縮短開發時程的最佳方法。PBD結合了SIP的功能組塊，藉由統一的匯流排架構，以及嵌入式即時作業系統(Real-time Operating System；RTOS)等韌體系統，以達到架構重複運用(Portable Architecture)的特性。

目前許多IC設計大廠及IC設計服務業者紛紛提出PBD的設計理念與解決方案，然不可諱言的是，這些PBD大多是專為特定類型應用領域而開發，而且大都未能達到隨意更換SIP而不需變動軟、韌體的地步。但是這樣的產品，基本上已事先整合了許多特定功能SIP，也解決了不同來源SIP的共同驗證問題，而且相關的系統架構及開發環境也都已完成規劃，客戶只需在SoC設計平台上整合進自己的特殊邏輯即可，與傳統的設計方法相較，將更具有效率。

就如同各家IC設計公司大都專注某特定領域來持續發展；受限於個別廠商必須在有限的資源下作最佳配置，因此不可能擁有全面性的核心技術。每家IC設計服務業者必須針對特定領域產品平台持續補強，發展其特色。對廠商而言，如何有效利用SIP模組、標準匯流排、軟韌體的整合，一方面解決晶片開發的時效性問題，同時又兼顧產品差異化的優勢。

OMAP簡介

OMAP (Open Multimedia Application Platform) 是多核心處理器平台，結合了TI自有的數位訊號處理器(Digital Signal Processor; C55x)和ARM公司的(ARM 9)微處理器。OMAP是針對目前各種資訊產品的應用所設計，特別是PDA和第三代行動通訊裝置(3G)，可以完成多媒體影音資料處理、網際網路通訊和無線通訊等功能。利用TI OMAP雙核心平台，基於雙核心及平行處理平台特色，不同特性的工作交給對應的核心，才能發揮最佳效能。如何適當地分配任務是提高整體運作效能的重要指標。ARM是一顆適合處理OS控制、程式流程控制及週邊存取的MPU，DSP則適合處理高複雜算術運算。

在通訊半導體市場中，德州儀器(TI)不論在無線或有線領域皆具有領導廠商的地位。TI得以持續在市場中稱霸的主要原因，在於該公司成功的掌握了Nokia、Sony Ericsson、NEC等手機大廠客戶。目前是2G、2.5G、3G 全球最大的手機晶片供應商，前十大手機品牌有七家廠商採用。

TI OMAP方塊圖

在產品策略方面，TI以OMAP為基礎推出了整合數位基頻與應用處理器的產品OMAP73X系列，採用130奈米製程，並以執行速率達200MHz的ARM926TEJ為應用處理器核心。

此外，TI在2004年推出整合射/基頻IC的手機系統單晶片原型產品，以朝向手機完整系統解決方案的領導地位邁進。

TI Product Roadmap

TI已可量產採用90奈米製程技術的1GHz DSP，元件為－TMS320C6414T、

TMS320C6415T和TMS320C6416T DSP，擁有強大的效能與低成本。這些新元件讓傳統上由TMS320 C64x DSP主導的通訊基礎設施市場及視訊基礎設施市場得以實現更高的通道密度。讓許多創新應用變為可能，如自動導航應用，全自動化車輛、複雜的人工智慧視覺系統及高品質的醫療影像。

在產品發展的佈局上，TI的DSP，大致分為三大類：

1.C2000系列：主要應用於工業控制方面，如馬達控制。

2.C5000系列：此系列強調省電功能，是針對手機市場開發。

3.C6000系列：強調其高效能，適用於高階應用，如無線基地台等。

行銷上，TI鎖定了無線、寬頻、電機電子及泛用市場四大領域，並且透過SoC

的整合及軟體的發展，提供Total Solution；WANDA (Wireless Any Network Digital Assistant)，無線PDA概念設計，即是一個典型的例子。WANDA是由OMAP處理器、多種TI的無線技術和微軟的Windows Mobile所推動，整合了WLAN、藍芽和GSM/GPRS技術，可支援語音電話、Web Browser、行動商務、藍芽功能，和一些多媒體應用。

在策略聯盟上，TI與IP大廠ARM聯手推出了OMAP平台，進軍無線終端、PDA 等市場。同時也持續的與協力廠(3’nd Party)及加值型代理商(VAR)合作，提供DSP 相關的工具與解決方案。

TI在SoC產品上提出兩大平台，主要有行動電話與數位視訊產品：

1.行動電話

OMAP為TI的雙核心處理器，採用TI C55X及ARM9的雙結合，廠商可做出效能最高、電力消耗卻只有原來1/4的2.5G與3G無線裝置，並讓軟體工程師輕易運用即時DSP功能。並可執行資料量龐大的多媒體應用系統，例如分流視訊、視訊會議和高傳真度音訊，同時延長電池的使用時間以滿足消費者要求。已成為3G無線裝置的處理核心，也是目前SOC發展系統的最佳平台。

TI也將Cortex-A8處理器用於超低功耗的新世代3G數據機、採用65奈米製程和TI SmartReflex電源和效能管理技術的OMAP應用處理器，以及M-Shield 安全解決方案。

Cortex-A8處理器是首款採用新世代ARMv7架構和Thumb-2技術的應用處理器，可提供更高效能、更低耗電量和更精簡的程式。Cortex-A8處理器還率先實現了NEON多媒體延伸功能以加快H.264和MP3等媒體編碼解碼器的執行速度。

2.數位視訊

TI所推出的DaVinci平台是一項完整的技術，能夠適用於開發出各種的視訊產品，它最大的突破在於，除了晶片之外TI還將各種的軟體、開發工具結合在一起，甚至建構包含技術支援的完整生態系統。透過一個共通平台，設計人員將能夠大幅減少為應付不同應用，而耗費在整合各種軟體、工具方案所需要的時間。

就如同OMAP平台的豐富選項和彈性，DaVinci技術也帶給數位視訊設計人員同樣的優點，除了訊號處理器之外，DaVinci平台還提供了各式能夠立即用於實際產品的軟體程式，讓設計人員能在更短時間內推出功能更創新的產品。

而TI也持續針對不同的應用推出專用的晶片與軟體方案，以滿足包括視訊保

全、視訊會議、車用娛樂電子、可攜式媒體、數位相機和醫療影像等各種需求。

就處理器來看，DaVinci處理器是以TMS320C6000 DSP平台為基礎，其處理核心是採用C64x + DSP核心。DaVinci處理器包含多種可延展和可程式DSP為基礎的系統單晶片，將DSP、ARM核心、視訊加速器和週邊整合在一起，採用90奈米製程技術生產。

這顆晶片上也採用共同的匯流排，以連接到TI的其他晶片產品，諸如寬頻、藍芽、連接性等，以便業者利用這樣的一個平台，打造出多樣化的視訊產品。

在軟體方面，則包括各種編碼解碼器、作業系統、應用程式界面(API)和架構(Framework)。TI亦提供標準的視訊、影像、音訊和語音編碼解碼器，像是

H.264、MPEG4、WMA、AAC+等多種編解碼器。至於作業系統，DaVinci技術

首先會支援Linux作業系統，預期未來還將支援WinCE等其它常見作業系統。

完全客製化SoC的NRE成本驚人，而且設計流程曠日費時，因此在市場成熟之前，不應該過於躁進，去尋求完全SoC化的解決方案。比較穩健務實的辦法是，利用市面上已進行部份整合的現有標準產品，發揮Time to Market的優勢快速推出產品。