今年初網通設備大廠思科(Cisco)所發布的「2010～2015年全球行動數據流量預測報告」，點出了全球產業所面臨的頻寬瓶頸，也點燃晶片商為解決頻寬挑戰所引發的激烈戰火。 根據思科統計，2010～2015年，全球行動數據流量將以92%的年複合成長率(CAGR)快速激增，其中，影片內容更是造成頻寬不足的最大元兇，至2015年，全球將有三分之二的行動數據流量是來自影片內容的傳輸。此外，諸如智慧電表(Smart Meter)、安全監控、健康照護與車載資通訊(Telematics)等機器對機器(M2M)應用市場的興起，也將帶來新的數據流量，同期間的年複合成長率亦高達109%(圖1)。
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| 圖1 2010～2015年全球行動數據流量分析 資料來源：思科 |
而隨著全球電信業者加速長程演進計畫(LTE)與LTE-Advanced等4G通訊基礎建設的部署，亦將助長行動數據流量的增加，讓頻寬問題更形惡化。如此一來，不僅造成網路壅塞與訊號延遲，更將影響終端使用者的使用體驗，因而成為各領域業者不容輕忽的課題。 為協助基礎建設與網路通訊相關設備製造商的開發挑戰，包括處理器矽智財(IP)、現場可編程閘陣列(FPGA)與交換器(Switch)等半導體業者，在考量設備商對成本、功耗與開發速度等需求後，已提出新的因應對策與產品方案。 以美普思(MIPS)為例，日前即推出業界首款64位元多執行緒(Multi-threaded)、多核心(Multi-core)微處理器矽智財--Prodigy，除可將網通應用帶入全新處理效能境界外，亦大幅提升與PowerPC架構處理器抗衡的競爭力，有助強化在網通市場既有的發展地位。 強固網通根基 MIPS多執行緒IP問世
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| 圖2 美普思行銷與業務發展副總裁Art Swift表示，多執行緒是新款64位元矽智財Prodigy競爭力的核心所在。 |
嵌入式處理器矽智財供應商美普思行銷與業務發展副總裁Art Swift(圖2)表示，這將是全球第一顆具備同步多執行緒(Simultaneous Multi-threading, SMT)特性的可授權64位元微處理器矽智財，而基於此核心設計的處理器方案，將可較其他競爭產品在較小的晶片尺寸中實現更高效能、更低功耗的表現。
據了解，美普思先前已推出MIPS64 5K與MIPS64 20Kc兩款64位元矽智財方案，包括博通(Broadcom)、意法半導體(STMicroelectronics)、PMC-Sierra等網通晶片大廠均已獲得授權。而新款矽智財Prodigy則進一步強化多執緒處理能力，以滿足智慧型手機、網路基礎建設、儲存與影像處理等應用市場與日俱增的效能要求。 Swift指出，2010年美普思的營運成果相當亮麗，共計有超過六億個矽智財授權出貨，是該公司有史以來的新高紀錄，2000年至今，基於美普思核心的產品出貨量也已高達二十五億套。而受惠財務的健全成長，讓該公司擁有更多資源投入更新的技術研發，從而加速此一新產品的誕生。 目前Prodigy樣品已經完成，MIPS將於今年9～10月正式問世，並開始提供給少數客戶進行產品開發，預計2012年3月則可將大量供應給所有客戶。儘管PowerPC架構處理器在網通市場仍占有舉足輕重的地位，然而，基於美普思架構的處理器占有率近年也顯著攀升，而64位元、多執行緒/多核心矽智財的發布，無疑展現美普思強攻網通市場的決心。
爭搶4G寬頻商機 Xilinx/Altera互尬新技術
此外，原本在通訊市場各霸一方的FPGA供應商--賽靈思(Xilinx)與Altera，再度為搶奪4G應用頻寬商機互別苗頭，前者積極強打基於28奈米製程的7系列FPGA與整合安謀國際(ARM)Cortex-A9多核心處理器的可擴充處理平台Zyng-7000，後者除強調擁有完整28奈米FPGA方案外，更計畫在今年推出首款整合光纖連結技術的FPGA。
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| 圖3 賽靈思全球行銷資深副總裁Vin Ratford指出，行動數據流量攀升所造成的頻寬問題，將對廣泛應用市場帶來衝擊。 |
賽靈思全球行銷資深副總裁Vin Ratford(圖3)表示，隨著行動數據流量急遽增長，包括有線/無線通訊、汽車、儲存、運算與數據處理、航太國防、量測儀器、工業、醫療、科學，甚至是消費性電子等市場均面臨頻寬不足的瓶頸，而新一代28奈米7系列FPGA，可提供多組快速、低抖動的28Gbit/s收發器(Transceiver)，不僅有助解決頻寬問題，還可符合產業界對高效能、低功耗及低成本的要求。
為符合多元的市場需求，賽靈思一改以往產品開發思維，並利用創新的統一架構將28奈米FPGA區分成7系列方案和Zyng-7000可擴展平台。其中，7系列又包含Artix、Kintex和Virtex三大平台，分別鎖定低、中、高階等不同應用需求，而Zyng-7000則是整合7系列FPGA與ARM Cortex-A9多核心處理所開發而成的系統單晶片(SoC)，特別適用於嵌入式產品開發。 Ratford進一步說明，Artix可在低功耗與低物料清單(BOM)成本下提供優異效能，而Kintex則具有絕佳性能與價格比，至於Virtex係以系統效能和容量見長。目前，賽靈思已正式推出Kintex的首顆產品Kintex-7 K325T及ISE Design Suite 13開發工具，可讓客戶開始進行產品開發，未來還可輕易移植到Artix-7或Virtex-7平台上。
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| 圖4 賽靈思資深副總裁Vincent Tong透露，該公司首款28奈米Kintex-7 FPGA已獲一線通訊設備製造商採用。 |
賽靈思對新發布的Zyng-7000平台也寄予厚望。賽靈思資深副總裁Vincent Tong(圖4)指出，有別於以往嵌入式系統開發商須採用獨立的處理器，再搭配FPGA進行協同處理的設計方法，Zyng-7000單晶片平台則將兩者整合，可發揮兩者各自的處理優勢，不僅可顯著降低功耗與延遲，更大幅提升效能。
據了解，Zyng-7000可支援溫瑞爾(WindRiver)、Petalogix和Micrium作業平台，以及ARM、Lauterbach、CodeSourcery、明導國際(Mentor Graphics)、美商國家儀器(NI)、溫瑞爾和賽靈思等業者所提供的開發工具，而目前加入早期參與計畫的廠商已達兩百多家。 Tong強調，Zyng之所以先選擇整合ARM處理器，主要是因應眾多客戶的要求。由於支援一款處理器所須投入資源相當龐大，因此，該公司相信ARM處理器已可滿足現今大多數的設計。未來，則會視市場的變化與客戶需求，調整產品發展方案。 與此同時，Altera也強打完整28奈米FPGA產品組合，並加快市場推廣腳步。然而，不同於賽靈思將Artix、Kintex與Virtex架構統一的作法，Altera則維持以往Stratix、Arria、Cyclone三大產品系列的發展策略，以分別滿足高、中、低階應用市場需求。而採用28奈米製程的Stratix V、Arria V和Cyclone V，現今也已全部到位。以Stratix V為例，利用台積電28奈米高效能製程，已可實現高達三十九億顆電晶體，因而可大幅提升FPGA的功能整合度，如28Gbit/s收發器、可變精度數位訊號處理區塊(Variable Precision DSP Block)、嵌入式HardCopy區塊等，展現更高頻寬與效能。 至於28奈米HardCopy V特定應用積體電路(ASIC)方案，則是Altera向來獨特的產品線，可協助客戶將其原本FPGA的設計移植至HardCopy上，以進一步縮減晶片尺寸及成本，提供客戶更具成本效益的量產選擇。
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| 圖5 Altera晶片工程副總裁Bradley Howe認為，以光纖取代銅線連結可進一步提升頻寬並確保訊號完整性。 |
除28奈米全產品線攻勢外，Altera也計畫以光纖連結來取代銅線，解決晶片至晶片，以及晶片至數據背板(Dataplane)的頻寬瓶頸。Altera晶片工程副總裁Bradley Howe(圖5)表示，隨著資料傳輸率的增加，傳統採用銅線連結的方式將難以負荷，並造成傳輸距離與訊號特性衰減，甚至影響線路布局和增加印刷電路板材料成本，而光纖連結將是最佳解決方案。
然而，光纖連結雖可避免訊號特性衰減，達到更好的傳輸距離與擴展性，及節省印刷電路板成本，但一直與高成本劃上等號的光纖技術，若要真正運用至實際設計，恐令業者望而卻步。 對此，Howe指出，英特爾(Intel)所研發出的光纖連結技術Thunderbolt已開始商業應用，蘋果(Apple)今年已率先在最新的MacBook Pro筆記型電腦系列中內建此一技術，將有助光纖技術的降價及普及。
也因此，Altera已決定結合該公司在收發器領域的技術專業，開發採用光纖連結的FPGA，作為其滿足市場對頻寬需求的重要武器，預計今年即會採用28奈米的FPGA進行產品展示。
搶當無線骨幹新主流 乙太網取代TDM技術
行動數據流量的暴增，除讓多執行緒處理器與FPGA重要性提升外，也讓乙太網路(Ethernet)可望登上4G時代無線骨幹的主流傳輸技術寶座。 因為基於分時多工(TDM)技術的行動網路囿於成本過高與頻寬有限，已無法滿足急遽增加的行動數據流量，所以愈來愈多的電信業者與服務供應商紛紛改用乙太網路進行部署，從而獲得更大的傳輸頻寬，以迎接4G時代的到來。
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| 圖6 博通網路交換器產品線總監Edward Doe表示，4G對傳輸頻寬的需求，促使乙太網路成為無線骨幹技術主流。 |
博通(Broadcom)網路交換器產品線總監Edward Doe(圖6)表示，目前的行動骨幹網路大多利用舊的TDM技術所建造，不僅成本高昂且頻寬有限，難以符合未來市場的要求。反觀乙太網路不但技術不斷演進，與TDM技術相比，還可為服務供應商省下每年75%以上的營運支出(OPEX)，因而讓電信業者趨之若鶩，競相升級至更有效率的乙太網路，以應付大量新增的頻寬需求。預估至2014年乙太網路將成為電信業者布建骨幹網路的主流技術，在基地台市場達到將近100%的使用率。
事實上，乙太網路技術已廣泛用於行動基礎建設與聚合網路(Aggregation Network)等前段領域，但在行動骨幹與基地台端至今仍以TDM技術為主，因而形成前後段網路的頻寬落差，而隨著行動數據流量以每年一倍的成長速度激增，更加劇落差的嚴重性。 市場研究機構Infonetics電信暨資料中心網路首席分析師Michael Howard指出，增強型高速封包存取(HSPA+)和長程演進計畫(LTE)等4G技術的建立更是造成頻寬需求劇增的主要原因，將驅動未來5年行動骨幹設備市場持續成長。截至目前，已有將近一百五十家電信營運商計畫在2011年部署乙太網路骨幹，以駕馭爆炸性成長的行動數據流量，且此一風潮至今未曾稍歇。 而為協助電信商加速設備的升級，博通日前也推出首款整合七顆特定應用標準產品(ASSP)的乙太網路交換器(Switch)--StrataXGS BCM56440系列，以同時滿足市場對成本及效能的設計需求。Doe強調，該款方案採用40奈米互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程生產，具有同級產品中最高整合度，可顯著降低原始設備製造商(OEM)的物料清單(BOM)成本，從而節省服務供應商高達50%的行動骨幹設備資本支出(CAPEX)。此外，還可減少對昂貴、耗電的網路處理器(NPU)和FPGA的需求，明顯縮減整體發展成本及上市時間。
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