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數位匯流趨勢明顯 低功耗與高整合主導晶片設計
2010年產業趨勢觀察-IC設計篇

【作者: 籃貫銘】   2010年01月21日 星期四

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行動領域交鋒白熱化 ARM正面對決英特爾


持續了近兩年多的隔空交火後,ARM與英特爾的競爭將在2010年全面白熱化。預期雙方會在行動運算、數位家庭以及嵌入式市場上火熱交鋒,並在低功耗技術以及系統優化的議題上彼此攻防。其中最激烈的領域將會是新一代行動運算產品。(如MID、Smartbook、Netbook和平板電腦)



首先在行動運算領域上,至少在2011年之前,英特爾仍會以「類PC」的產品為主,並不會跨足智慧型手機,因此,手機市場仍會是ARM的天下。但在PC領域上,搭載ARM處理核心的產品能見度將明顯提高,並在2010年形成一股勢力,加上Google Chrome OS和雲端運算的加持,新一代的行動運算終端概念將逐漸成形,並與傳統的Wintel陣營出現區隔。明顯的標地產品將會是Netbook和Smartbook。不過,整體而言,明年ARM搶進PC市場的規模仍十分有限,尤其是在消費者的PC使用經驗尚未轉變之前,因此,Windows和高性能(High performance)仍會是2010年主流的PC需求。



至於數位家庭與嵌入式應用,則是ARM與英特爾另一個激烈競爭的市場。就這兩個市場而言,英特爾將是以挑戰者的姿態,搶食ARM既有的地盤。在數位家庭方面,ARM已有相當的市佔率,其處理器已被廣泛運用在包括DTV、STB、錄影機及遊戲機等產品上。而在數位匯流與新媒體的帶動下,該市場未來的發展潛力龐大,ARM也正加大在該市場的佈局;同一時間,英特爾也欲以其Atom為基礎的整合型晶片切入該市場,特別是在STB與數位電視產品上。也因此,這兩陣營的競爭,將會從筆電端,延燒到數位家庭上。



整體而言,就技術上,ARM架構在電耗與設計彈性上都較為優異,客製化的優勢明顯;英特爾則在標準化與處理性能上有絕對的贏面。然而,市場的競爭不單只看技術面,整體生態系與使用者經驗也是重要的一環,雙方陣營如何整合各自的軟硬體實力,將成為關鍵所在。






《圖一 在PC領域上,搭載ARM處理核心的產品能見度將明顯提高,並在2010年形成一股勢力。圖為採用ARM核心的小筆電展示機。》

《圖二 在數位家庭方面,ARM已有相當的市佔率,其處理器已被廣泛運用在包括DTV、STB、錄影機及遊戲機等產品上。圖為使用ARM處理器的嵌入式應用。》


高效、可編成風潮 MCU、FPGA、DSP互相踩線


在智慧型應用與數位內容匯流的帶動下,傳統的電子系統設計已出現改變,尤其是網路與數位多媒體的普及,讓電子產品對於系統效能、擴充性、網路控制以及I/O的支援有了更進一步的需求,再加上成本與上市時程的考量,讓系統業者對於多功、高效及可編程的電子元的需求逐漸提升。在此之時,當單一元件的性能與用途提升時,對於性質相仿的元件就會出現取代效應,而這樣的取代效應將會明顯出現在DSP、MCU與FPGA的應用上。



在FPGA方面,該元件在驗證、網通與軍事應用的市場地位穩固,由於這類產品的區隔鮮明,是FPGA的主要目標市場。但為了擴大FPGA的市場規模,FPGA早已開始運用在一些中低階的電子產品和消費性電子上,特別是對DSP與MCU應用進行取代,尤其是FPGA在電耗與尺寸上逐步改良,已明顯的侵蝕到相關的應用市場。以機器人的機電控制為例,傳統的多馬達控制以採MCU方案為多,但若透過FPGA來設計,則可減少MCU的使用數量。



而在MCU方面,性能與可擴充性大幅提升是明顯的趨勢,尤其是在32位元的MCU產品上。目前已有數款的32位元MCU整合了基礎的DSP,並具備可編程的功能,其運用特性就宛如FPGA一般,這也讓兩者的市場漸趨重疊;至於DSP,面對上述兩者的夾擊,似乎未來的發展相當險峻。但由於數位內容全面普及與HD品質的影音漸居主流,讓DSP有了難以撼動的地位。為了因應大量、高品質的影音處理需求,DSP的效能開始三級跳,不僅處理性能持續提升,更增加部分的控制功能,但也因此,讓一些低階的MCU開始無用武之地。



《圖三 Cypress PSoC可編程MCU解決方案具備良好的擴充性能與設計彈性,不但給FPGA帶來壓力,也重新詮釋了MCU的地位。圖為PSoC 3 LCD Segment開發平套件。》


USB 3.0/SATA 3接棒次代高速傳輸介面


即使晶片老大英特爾不表態,採用USB 3.0介面的產品,仍將在2010年如雨後春筍般的進入市場;而已在工業與網通先探出路的SATA 3.0,也將呼應USB 3.0的推出,連袂進入高量產市場,並掀起高速傳輸介面汰舊換新的熱潮。



目前具備USB 3.0和SATA 3.0介面的主機板已陸續上市,至2010年第一季時,預計所有的機板供應商都將會出推同時具備USB 3.0和SATA 3.0的產品,並刺激終端的系統產品與轉接器產品快速轉入USB 3.0規格。而在終端產品方面,目前主要品牌商僅希捷(Seagate)推出了採SATA 3.0的高階硬碟產品,其餘則是以小廠牌的USB 3.0轉接盒為多,仍未有具指標性的產品推出。雖然如此,所有的儲存方案與電腦週邊供應商早已著手USB 3.0和SATA 3.0產品的開發,預料2010年第二季起,採用USB 3.0和SATA 3.0的終端產品能見度將大幅提高,但初期仍以儲存產品與轉接器為主。至於SATA 3.0則在企業端與SSD產品有較多的成長空間。



值得注意的是,USB 3.0的普及速度端看PC製造商的態度,只要PC品牌商開始推出搭載USB 3.0的產品(如筆電或DT)時,該標準的成長力道將大大增加。但這又將與英特爾的決策息息相關。



此外,即將舉行的美國消費性電子展CES 2010也將匯聚焦USB 3.0應用,包含隨身碟、硬碟機(HDD)、SSD及藍光光碟機等新一代高容量儲存裝置皆會陸續曝光,並為USB 3.0的介面變更潮吹響第一聲號角。而此次CES展中,硬碟廠和記憶體供應商將會是USB 3.0應用的主角,如希捷、東芝、日立等、金士頓、SanDisk、威剛、勁永及創見等預料都會推出USB 3.0新品。



(表一) USB 3.0與SATA 3.0的市場應用現況





















標準

最高傳輸速度

前代速度

應用狀況

USB 3.0

5.0GB/s

480MB/s


  • 橋接器晶片已上市

  • 主機板已上市

  • 硬碟外接盒已上市

  • PCIe擴充卡已上市

  • 創見預計明年第一季推出USB 3.0行動硬碟與記憶卡

  • 創惟科技將於CES 2010展出解決方案

SATA 3.0


 

6.0GB/s

3.0GB/s


  • 橋接晶片已推出

  • 主機板已上市

  • 希捷推出SATA 3.0硬碟

  • 美光宣布推出 SATA 3.0 SSD,預計2010年第一季量產

  • 創惟科技將於CES 2010展出解決方案




感應器話題無所不在 MEMS Sensor持續火紅


受成本下滑以及應用逐漸成熟的帶動,MEMS感測器在2010年將持續受關注,同時該市場的規模也將進一步擴大。其中加速度感測器將會是MEMS市場最熱門的產品,而陀螺儀的應用也會更加廣泛,兩者的目標市場也會從汽車電子為主的方向,逐漸轉往消費性電子領域,特別是在中低階的產品上。



根據市場研究公司iSuppli的預測,至2013年,加速度感測器將成為MEMS市場最熱門的產品。預計2010年將成長14.1%,2011至2013年間,也將維持10%的成長速度。該機構指出,近幾年,全球加速度感測器的出貨量快速成長,並帶動了全球MEMS市場的成長,預計至2013年,全球加速度計市場將取代噴墨頭與DLP,成為MEMS市場發展的主要動力。



在應用市場方面,加速度感測器將會廣泛的運用在手機及遊戲機市場上,未來不只高階的智慧型手機會使用,一般特色手機也都會採用MEMS加速度感測器。而全球加速度感測器在消費電子和手機的銷售收入,將首度超過汽車電子的銷售收入。至於陀螺儀,也將在2010年逐漸進入手機與消費性電子中,但數量十分有限。



iSuppli並指出,2009年全球出貨的手機中,將有五分之一具備加速度感應器,而明年更將提高至三分之一。預計2008至2013年,手機的MEMS感測器市場將成長兩倍以上,營收達16億美元。而除了加速計,其他MEMS元件也開始應用在手機上,包括MEMS麥克風、BAW雙工器和濾波器、MEMS自動對焦器、壓力感測器以及MEMS微型投影機等。



至於汽車電子方面,雖受金融風暴的衝擊,讓MEMS感測器在汽車的應用規模出現下滑,但隨著景氣逐漸復甦、智慧車與電動車話題延燒,及各式汽車電子安全配備法規的陸續實施(如ECS車身穩定性統),MEMS感測器在汽車電子上的應用規模將逐明顯提升。



《圖四 LG在其電視遙控器上加了陀螺儀,替家用影音操作介面帶來了嶄新的視野,同時也敲開了陀螺儀的新應用大門。》


HD輸出成標準需求 GPU應用全面普及


行動應用的興起及金融風暴的衝擊,讓GPU市場在2009年經歷了一次大衰退。但隨著新GPU技術推出、數位匯流趨勢加速,以及HD與3D數位影音內容大規模的普及,將帶動GPU應用重新獲得市場的青睞,其中數位家庭應用(數位電視、STB與藍光DVD播放器等)和可攜式裝置將會是主要的成長趨力。特別是在可攜式裝置領域,整合型的繪圖晶片將逐漸難以負擔大量影音運算的需求,因此獨立繪圖晶片與影像處理器便會趁勢而起。不僅在小筆電有應用的空間,包含導航器、MID、PMP以及新一代的智慧型手機等,都將有望進一步使用GPU的設計。



根據市場研究機構Jon Peddie Research的預測,2009年全球繪圖晶片出貨量為3.284億顆,較08年的3.73億顆少了12%。但至2010年時,該市場就會大幅復甦,出貨量將增加至3.989億顆,成長21.5%。該機構指出,可攜式裝置(如筆記型電腦、Netbook等),將會是繪圖晶片市場的強勁成長動力。此外,蘋果Snow Leopard與微軟Windows 7作業系所推動的異質運算(heterogeneous computing)架構,以及GPU運算技術(OpenCL、DirectX 11與Nvidia CUDA等)的持續發展,也是刺激該市場在2010年成長的動力之一。



除了新技術與新產品的刺激外,數位匯流趨勢也將會扮演擴大GPU應用範圍的推手,特別是在手持式產品上。ARM 多媒體處理部門主管Steve Steele表示,人們將不會僅滿足在小螢幕上觀看影片,還希望進一步把這些影片傳送到電視或者其他高解析的影音播放裝置上,因此,這些產品就需要更高的影像處理和3D運算效能。ARM高階3D圖像處理產品經理Remi Pedersen則表示,手持裝置具備高繪圖處理效能已是將來的趨勢。過去的手持裝置的繪圖與影像應用都以軟體方式處理,但效能已不敷需求,未來將轉為以硬體處理為主,以提供更好的繪圖品質。而其繪圖處理方案「Mali」也早被運用在各式手持產品上。他更透露,目前已有一款高階的手持產品採用其高性能的Mail 400方案,預計將在2010年推出。



而在技術方面,GPU加CPU的協同平行運算,將成為未來電腦系統主架構,這個趨勢將在2010年漸漸明顯;而多核心的GPU(Multi GPU)設計,也將在2010年下半年後,成為高階系統的主要發展方向。



《圖五 ARM高階3D圖像處理產品經理Remi Pedersen(左),ARM多媒體處理部門主管Steve Steele(右)。》


Smartbook、新平板電腦將問世 小筆電走向多元化


在小筆電的爆量帶領下,2009年的PC出貨成長最終取得驚奇的「逆轉勝」。不過,雖然PC在出貨量上取得了持平、甚至微幅成長的好成績,但整體的出貨金額也因低價當道的小筆電,而出現了兩位數左右的衰退。展望2010年,小筆電依然會是PC市場的主要成長驅力,但隨著新一代平板電腦以及Smartbook的陸續推出,小筆電市場也將出現質與量的改變,其中最明顯的趨勢將是產品的規格由單一化走向多元化,價格的區間也會有所分隔。而傳統的筆電會受新應用與新產品的侵蝕,逐漸不受消費者青睞。



(表二) 2010年Netbook、Smartbook與新平板電腦的規格比較



























產品

螢幕尺寸

處理器

作業系統

Netbook

7-12吋

英特爾Atom


VIA Nano


ARM架構

Windows 7


Google Chrome OS


Linux

Smartbook

無定義

ARM架構

Linux


Google Chrome OS


Android

新平板電腦

多點觸控螢幕,尺寸無定義。

英特爾Atom


Nvidia Tegra


ARM架構

Windows 7


Google Chrome OS


Android


蘋果 OS




在Smartbook方面,由於ARM陣營即將在明年推出非x86架構的Netbook和Smartbook,將讓小筆電跳脫以「英特爾標準」為主軸的設計方式,走向更豐富的規格與外型設計。以Smartbook為例,該產品就是一種十分強調個人化與差異化的筆電產品,加上採用ARM核心的晶片商多以無線技術起家,在行動上網的設計與使用體驗也有獨到之處;另一方面,Google的Chrome OS和Android作業系統也將為這波變革帶來推波助瀾的功用,若再加上雲端運算的興起,新筆電的設計輪廓已儼然成型。



至於新平板電腦,焦點則是蘋果和微軟的新產品。蘋果的新平板電腦一般預料將會是一款使用10吋多點觸控螢幕的產品,其使用介面與iPhone相似,並和App Store服務搭配使用,銷售的通路很有可能是與電信商結合;而微軟的平板電腦同樣也會是多點觸控的產品,不同於蘋果,微軟很有可能使用7吋的雙螢幕設計,外型則會類似筆記本,作業系統則是採Windows 7,並支援手寫和觸控筆。由於蘋果和微軟的帶動,預料其餘的PC製造商也將會跟進推出相當的產品,並掀起一波熱潮。



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