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運用低功耗半導體開發高效能儲存裝置
 

【作者: Jay Waldera,Jeff Janukowicz,Dan Dolan,Tony Grewe】   2003年12月05日 星期五

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硬碟機(HDD)儲存裝置市場目前在各種應用領域持續呈現強勁的成長,根據產業市調機構IDC的報告,全球硬碟機出貨量在2007年預估將成長至3.65億部,從2002年至2007年的複合年成長率(CAGR)預估為11%,如(圖一)所示。市場對於行動化的需求將推動小型化產品的成長。IDC則預測在2007年可攜式磁碟機的出貨量將達到1.52億部,在2002至2007年之間達到29.5%的複合年成長率。可攜式磁碟在2007年時,預計在整體磁碟市場將搶下40%的佔有率。


硬碟機在現今各種應用中扮演重要的角色,其中包括企業資料庫存取與交易處理、桌上型運算與多媒體遊戲以及持續成長的行動產品,例如像超薄、超輕的筆記型電腦、MP3播放機、Pocket PC、數位相機以及PDA。行動裝置是儲存市場成長的重要動力,因為行動裝置對於耗電、尺寸以及整合限制等方面的需求,促使業界需要各種獨特的半導體解決方案。


《圖一 2003~2007年全球硬碟機市場預測與分析 》
《圖一 2003~2007年全球硬碟機市場預測與分析 》資料來源:資料來源:IDC(2003/04)

為滿足OEM廠商發展新一代行動裝置的需求,Agere募集一個由半導體設計與晶圓製程專家所組成的團隊,結合包括低雜訊與低功耗、矽元件整合與封裝等方面的矽智財(IP)。這個聚集硬體、軟體、以及半導體工程師的團隊致力克服行動儲存裝置所面臨的挑戰。例如,設計低功耗的方案以延長電池續航力,讓產品降低發熱量,以及運用各種支援低成本與小型化的封裝技術。透過與OEM及ODM夥伴之間的合作,讓工程師能直接滿足行動裝置市場的需求,為顧客提供獨特的產品功能與性能改良。


鎖定行動平台市場的讀取通道裝置

對於硬碟機而言,任何電子元件的重要性都比不過讀取通道積體電路(IC)。讀取通道的效能是提高資料儲存容量的關鍵,且在任何行動型磁碟機中佔用大比率的耗電量。從工程的角度來看,重點在於訊號雜訊比(signal-to-noise ratio;SNR);工程師透過類比與數位設計最佳化以及低功耗鑄造製程技術,克服同時提升SNR與降低功耗的挑戰。


例如,目前的Agere讀取通道元件採用0.13微米CMOS製程技術,並針對許多設計元素上採用低漏電率的電晶體。儘管這些低漏電率元件比高介電係數電晶體較慢,但仍能提供足夠的效能,提升資料訊號的完整性。在行動應用方面,可運用創新的功率模組進一步提升產品的效能,它能關閉沒有運作的電路,提升整體系統的省電性。OEM設計業者可視需要調校電路的各部份。因此,當執行「寫入」作業時,系統可關閉讀取通道以降低耗電率。


高效能解決方案

RC6500LP是剛發表的Agere TrueStore系列硬碟機應用產品,針對行動裝置的低功耗需求進行最佳化設計。RC6500LP提供較佳的訊號完整度與效能,支援各種可攜式硬碟機儲存應用並提供四種功率模式--運作、閒置、待機以及休眠--比前一代的讀取通道產品降低50%的耗電率,實際降低幅度視資料傳輸率以及磁碟的運作速度而定。此外,RC6500LP採用新型56針7×7×0.6 毫米的MLCC封裝,比競爭廠商產品的表面積小50%,協助顧客開發小體積、高效能的行動儲存產品。Agere的TrueStore讀取通道晶片運用0.13微米CMOS製程,支援每秒50至900 Mb的傳輸速度。支援大範圍的資料傳輸率為磁碟機製造商提供充裕的彈性,運用單一讀取通道平台提供多重磁碟效能水準。


《圖二 Agere RC6500LP讀取通道晶片》
《圖二 Agere RC6500LP讀取通道晶片》

這些新型功率管理、資料傳輸率以及封裝特色,強化讀取通道元件在訊號完整度與整合方面的優勢。該產品具備更優異的訊號雜訊比,故能支援更高空間的密度設計。運用改良式的程式碼設計降低錯誤的增生比,使晶片的SNR效能得以改進,帶來更高的資料儲存容量。Agere研發各種精密的演算法,配合一套新型10位元資料編碼介面提升系統效能,這種介面現被應用在許多高密度磁碟機,用來改進整體資料的品質。讀取通道IC的錯誤偵測、改良後的數位訊號過濾以及可調式等化器等技術,讓磁碟機能在充斥雜訊的環境中偵測到強度非常微弱的資料訊號。


SNR磁碟讓磁碟機製造商能在提高儲存容量以及運用低成本讀取頭及媒體之間,取得最佳的平衡點。Agere是業界第一家發表支援垂直錄製技術讀取通道IC(read-channel IC supporting perpendicular recording)的廠商,這項技術能改良硬碟機的空間密度,將資料以垂直方向錄在儲存磁碟上,取代傳統的縱向(longitudinal)模式。這種技術將支援各種需要大量資料的應用,例如數位多媒體與先進電腦作業系統,讓未來的硬碟機設計能達到每平方英吋100Gb以上的空間密度。


隨著業界持續邁向更高的晶片整合度,讀取通道元件已成為Agere儲存系統單晶片(SoC)設計的核心,將更多磁碟功能整合至單一元件中。以顧客需求為導向的SoC設計團隊,致力降低半導體空間、提升可靠度、支援成本更低的封裝技術、以及改進功耗與雜訊。Agere的單晶片SoC方案支援Serial ATA介面,例如它能提供比競爭廠商的雙晶片Serial ATA橋接方案更高的資料傳輸率以及更低的耗電率。


鎖定行動平台市場的前置放大器元件

行動儲存系統所採用的前置放大器元件,其耗電率通常與資料傳輸率成正比。因此,在設計儲存系統專用前置放大器的類比電路時,考量的目標就是為顧客提供最佳的省電性與訊號完整性效能,滿足各方面的行動需求,其中包括造型規格以及磁碟旋轉速度。透過這種模式,硬碟機系統設計業者可運用單一IC開發各種不同效能等級的產品。


Agere前置放大器產品建置中心的一項創新技術,就是採用0.25微米矽鍺(SiGe)製程技術,針對特定電流下的電晶體運作時脈提供4比1的改良比率。更高的時脈,結合更小的元件尺寸,帶來更低的電容,讓前置放大器具有更高的頻寬與更低的整體耗電率。


硬碟機專用前置放大器IC解決方案

PA7500是業界第一套採用0.25微米製程與矽鍺材料的硬碟機前置放大器IC。Agere已向各大磁碟機製造商推出TrueStore前置放大器IC的工程樣本,提供一套高頻寬、低功耗、低成本的解決方案,協助業者開發各種桌上型與高階平台專用儲存裝置。


《圖三 Agere PA7500硬碟機前置放大器IC》
《圖三 Agere PA7500硬碟機前置放大器IC》

0.25微米矽鍺半導體製程能減少生產過程中的製程步驟,降低成本以及生產的前置時間。新型矽鍺製程讓前置放大器達到1.7Gbps的「寫入」速度,比採用其它製程技術的方案提供更低的成本與耗電率。


PA7500的訊號完整性設計以及高速寫入模式,不僅改進硬碟機的良率更延長讀寫磁頭的壽命。當磁碟機「讀取」磁碟機碟片上的訊號時,前置放大器負責放大極微弱的類比訊號,然後再傳送至讀取通道IC加以數位化。前置放大器亦會將讀取通道中的資料訊號予以放大,讓磁碟的讀寫頭能將資料「寫入」碟片。


Agere的前置放大器提供平衡式的差動式(differential)寫入功能,降低寫入-讀取的耦合效應,協助延長日趨靈敏的讀寫頭壽命。前置放大器大幅降低讀取的分壓點過衝(bias overshoot),當硬碟機系統在切換功率與模式以保護磁碟讀寫頭免於遭到電壓過載的破壞時,經常會面臨這種過衝現象。此外,這些前置放大提供高彈性的編程空間,讓硬碟機製造商擁有充裕的彈性,量身打造讀取電流的波型,以提升讀寫頭與媒體的整體效能。


結論

Agere Systems 努力成為三個關鍵半導體市場的技術領導者:高密度儲存、無線與PC通訊以及多重服務網路。工程師針對這三個領域研發各種處理與設計方面的專業技術,讓他們開發出在價格、效能、功耗以及整合度等方面皆達到最佳化的解決方案,滿足顧客的需求。


Agere的儲存IC設計團隊致力滿足高速成長市場的多方面需求,涵蓋企業儲存系統的終極效能、桌上型系統的高整合度以及行動平台對於低功耗、小體積解決方案的需求。(作者任職於Agere Systems)


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