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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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無線寬頻網路推手篇

張彥文

當當年手機問世之初,摩托羅拉曾經出過一款「黑金鋼」手機,外型確實還蠻符合「大哥大」的身分地位。不過這款重如磚頭的手機,除了講電話之外,大概就只能拿來敲核桃;反觀現在不論是手機、PDA,甚至是小筆電,都愈來愈輕薄短小,但是功能卻愈來愈強大,已然成為多媒體的隨身影音平台。
不過消費者在講電話、聽音樂、看電影、瀏覽網站的時候,大概不會感受到,其實手機內部是經過一系列複雜的編解碼處理程序,才能呈現豐富多元的內容。目前手持式裝置的控制處理核心,都是由ARM這家英國晶片大廠所把持,ARM晶片的特性是低功耗,但最大的問題是,對於現在手持式裝置的多媒體影音內容,ARM的處理能力有些捉襟見肘。

為了解決這個問題,手持式裝置的廠商有些就會另外加入一個協同處理器(coprossesor),加強處理的速度及效能,或是針對手持式裝置所需的功能,設計硬體(dedicated hardware)來搭配。

可任意客製化的核心平台

運用PACDSP ,可以製造出低功耗高效能的手持式裝置;重點是當新的的影音規格問世時,只要灌入新軟體即可
運用PACDSP ,可以製造出低功耗高效能的手持式裝置;重點是當新的的影音規格問世時,只要灌入新軟體即可

但是不論是協同處理器或是客製化的硬體,似乎都不是最好的做法。因為現今電子性消費產品的生命週期愈來愈短,新的應用和功能也日新月異。舉例來說,像大家耳熟能詳的聲音壓縮規格WMA或MP3,廠商可以預先設計好,但是若有更新的影音規格問市,這支手機可能就無法應用。

有沒有可能設計一個通用的平台呢?基於這樣的想法,工研院系統晶片科技中心決定開發一個低功耗、高效能,而且可程式化之多媒體平台PACDSP。這項技術的重點在於可程式化(programmable),晶片中心處理器與應用組組長朱元華解釋,可程式化的晶片可以大幅提升設計者的產能,並且軟體的彈性讓設計者更輕易地調整功能、提高重覆使用率、縮短設計時間。舉例來說,一支已問世的手機必須增加新的影音規格時,廠商不必大費周章更改硬體設計,只要灌入新的軟體即可。

「廠商可以客製化自家的產品,加入自己的專利,做出跟別人不一樣的東西,」朱元華強調,因為運用PACDSP,整個平台可以變成多功能,而且可以任意變化及調整。

這個平台中還有幾項秘密武器,其一是可動態調整電壓/頻率(DVFS, Dynamic Voltage and Frequency Scaling)的功能。因為運用PACDSP,雖然功能增加了,但是在耗電程度上,卻比不上用dedicated hardware硬體支援的方式,不過若是加上了DVFS的功能,仍然可以達到相對省電的效果。當手機工作量大的時候,就調整為較大的電壓和較快的頻率,反之則降低電壓和頻率,以調整手機的功耗。

這項技術的另一個重點,是一顆可同時執行5道指令的超長指令數位訊號處理器核心(5 way VLIW)。因為音訊、影片等多媒體處理需要大量的運算,運用這種方式,可以表現絕佳的運算效能與能量效益。

未來的多核心處理器

「之後我們準備用多顆的DSP(數位訊號處理器),去做之前做不到的事,」朱元華說,未來的開發規畫是要產出多顆PACDSP架構的平台(例如PAC Duo有兩顆PACDSP、PAC Quad則有四顆PACDSP)。現在電腦所用的雙核心,甚至四核心的處理器,將來也有機會應用在手持式裝置上,變成更強大的行動通訊、多媒體娛樂裝置;若配合無線網路環境的成熟,其中將有無窮的商機。

工研院發展的低功耗、高效能,而且可程式化之多媒體平台PACDSP,未來若應用在無線網路環境中,可以協助手持式裝置處理更大量的計算。因為無線通訊標準的演譯或是新一代的多媒體壓縮技術,升級速度一日千里,廠商必然希望他們的新產品能面對預料之外的挑戰,PACDSP的設計,將為台灣廠商創造出新的選擇和機會。


隨著科技的進步,手機若還只是停留在「講電話」,很容易被歸類為跟不上時代的「老伙仔」;除了語音功能之外,影像傳輸、影音娛樂平台、資訊分享等等電腦才有的功能,大家也希望能隨身趴趴走。
「之前所說的三合一triple play 已經不流行了啦,現在是四合一quad play 的時代,」工研院系統晶片科技中心無線寬頻技術組組長邱振祥表示,以往所謂數位匯流,數據、語音、影像三合一的triple play,現在還得加上一個隨處可得的行動力(mobility)。

因此,強化手持式裝置的處理能力,就成為工研院發展無線網路平台的重要工作。現在我們使用的手持式裝置晶片,大多是採用SISO(Single Input Single Output)的系統,也就是一次只能接收單一訊號,數據傳輸頻寬較為有限,當行動上網時常常需要冗長的等候。而隨著手機、PDA這類的手持式裝置功能愈來愈多元,如何能讓手機能更有效地無線收送資料,滿足消費者的需求,就成為目前國內廠商和研發單位努力的目標。

單進單出到多進多出

MINO晶片的功能,讓珍貴的頻譜能更有效率的運用,讓手持式裝能夠同時提供更多的服務
MINO晶片的功能,讓珍貴的頻譜能更有效率的運用,讓手持式裝能夠同時提供更多的服務

為了強化手持式裝置的功能,也讓珍貴的頻譜能更有效率地運用,現在手機的晶片己經由原來SISO的單進單出功能,進化為MIMO(Multiple Input Multiple Output)的多進多出功能,讓手持式裝置可以同時接收更多資料,也能夠同時提供更多的服務。

邱振祥指出,近幾年全世界都在致力將MIMO技術的商業化,像IEEE 802.11n的Wi-Fi標準,行動通信所謂3.9G的LTE(Long Term Evolution),以及WiMAX,都採用MIMO的系統技術,台灣廠商要投入新一代無線網路的競爭,就不能忽略在這個領域的研發工作。

長期做為國際大廠的代工廠,雖然硬體產量驚人,但卻得付給這些大廠鉅額的權利金;不過就在新一代的無線網路興起時,台灣也看到了一個珍貴的機會。目前全球廠商正投入進化版的Advanced WiMAX,也就是802.16m 的標準制定,台灣若能把握這個機會,先做好自己的專利布局,再設法把它推入標準中,「以後人家要用我們的東西,就得留下買路財,」邱振祥笑著說。

當然這塊大餅是人人都想搶食,邱振祥指出,好的技術不一定就能成為國際規格,若是得不到國際大廠的支持,要成為規格的制定者仍然十分困難。因此我們現在必須雙管齊下,一方面積極參與美國電子電機工程師學會IEEE的標準制訂會議;二方面則要強化自身的技術實力。「要跟國際大廠合作,一開始一定要先秀muscle(肌肉),告訴人家我有好東西,」邱振祥說,雖然是否能成為國際認可的標準,還牽涉到國際大廠間利益的角力,我們能做的,就是先鞏固自己的技術實力。

提供技術奧援

因此在整個無線網路產業的布局中,協助廠商在MIMO的技術上深耕,就成為工研院協助產業提升競爭力的重點。目前這個計畫有幾個重點:首先,因為MIMO的平台上要處理更多的東西,必須去除接收端的干擾,讓不同的訊號不會相互衝突;這就必須先評估現有通道的情況,才能決定什麼是最好的傳送方式;同時也必須將這些通道特性回傳給基地台,以便做最好的資源管控。

其次,由於這項技術是應用在手持式裝置,所以功耗的控制十分重要。尤其影像的編解碼是最耗電的,如果功能變強了,但是手機得經常充電,甚至得一直插著電才能用,大概都很難讓消費者買單。因此如何在最小的功耗下,達到最佳化的使用效能,也是工研院研究團隊努力的目標。

802.16m的規格制定,今年進入架構及概念性的第二階段,預計2009年將會是制定詳細規格的關鍵年。在這個關頭上,工研院和相關的廠商將全力以赴,期望明年能開花結果,讓台灣也可以成為收受權利金的授權者!

為了推動「行動上網」的環境,搜尋引擎巨人Google推出了Android。Android是Google的手機作業系統和相關軟體的總稱,這是一個開放的平台,任何一家相關廠商,都可以應用這套系統做相關軟硬體的發展,而由宏達電代工的首支Android手機G1也已在美國正式上市。

要談Android,就必須先談由Google主導的「開放手機聯盟」(OHA;open handset alliance),許多手機和晶片廠商都參與其中,台灣目前只有宏達電列名第一波的名單;在這個聯盟中的廠商,所有Android系統的更新速度都是最快的。在網際網路上已有很大利基的Google,因為看到了行動網路的商機,積極切入手持式裝置及行動上網的領域,因此發起了這樣一個聯盟。

工研院資訊與通訊研究所,網際網路平台技術組經理莊國煜表示,其實在推出自己的手機之前,Google已經幫Nokia的作業平台Symbian寫了一些爪哇Java程式語言的應用,讓使用者可以很快連上網,使用Google Mail之類的服務;也幫iPhone客製化專用的Google介面。對Google來說,目的就是要提高大家的上網率,多去使用Google相關的服務;提供Android這個平台,更是進一步希望建立一個可以自行掌控的平台,最好是以後全世界的手機,一上網就開始「Google」。


建立Made in Taiwan的解決方案

為了希望消費者除電腦外,也能用手機Google,Googleg手機推出Android這個開放式的軟體平台,成為台灣廠商絕佳機會
為了希望消費者除電腦外,也能用手機Google,Googleg手機推出Android這個開放式的軟體平台,成為台灣廠商絕佳機會

面對Google的行動,經濟部技術處希望台灣能夠積極地參與,甚至加入OHA,這項工作就交由工研院與資策會打頭陣。所以工研院就將相關工作納入無線網路發展的相關計畫,希望扮演協助國內廠商合縱連橫的角色。莊國煜指出,工研院計畫從國內晶片及手機廠的角度出發,看是否能提出晶片或是手機的整合性解決方案,對於進入OHA或許會比較有幫助。

因為國內雖然有很多相關廠商在做跟Android相關產品,包括晶片、系統平台等的研發,但如何能夠讓Google相信我們提供的是成熟的技術?因為Android是開放的平台,希望透過政府及法人單位的協助,設計出一套自晶片、系統,甚至應用端的Made in Taiwan的解決方案。若是這個解決方案夠穩定的話,我們就可以試著將這個解決方案推到Android的體系之中。「我也是跑Android的系統,一樣很穩定,為什麼你不試試我的?」莊國煜點出台灣產業的切入點。

工研院是以建立「Android科技中心」的概念來思考,召集相關的廠商來共同研商,討論相關的任務及目標。重要的是必須擺脫代工的角色,加入應用面的思考,將軟硬體連接起來,才有機會協助台灣產業發揚光大。

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