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Wi-Fi 6E實現6GHz傳輸 博通搶推新晶片

WiFi第六代802.11ax(Wi-Fi 6)目前雖可使用2.4GHz、5GHz頻段,但仍可能不敷使用。因應WiFi普及帶動資料運算需求,WiFi聯盟(Wi-Fi Alliance)日前宣布擴展至6GHz頻段,同時為與Wi-Fi 6區別,統一正名為Wi-Fi 6E,預計提供更高性能、低延遲並提升數據傳輸效率,待監管機構批准後可投入使用。 WiFi聯盟日前宣布將6GHz頻段納入,正名為Wi-Fi 6E。 Wi-Fi聯盟總裁兼首席執行官Edgar Figueroa表示,將頻譜擴展至6GHz頻段,有助於滿足Wi-Fi頻譜容量不斷成長的需求。而IDC研究總監Phil Solis亦表示,若能於2020年初提供頻譜,預計支援6GHz運作的產品趨勢將迅速成長,被Wi-Fi 6及更新版本的Wi-Fi利用。 Wi-Fi為公認的物聯網基礎技術,是實現5G技術發展的必要元素。Wi-Fi聯盟本次導入新標準Wi-Fi 6E,並與Wi-Fi 6等其他頻段區隔,其能於6GHz運作,開放高達1.2GHz的附加頻譜;透過容納14個額外的80MHz及7個額外的160MHz,以解決當前頻譜匱乏的問題。此外,由於該頻段比現有5GHz更寬,將不受傳統Wi-Fi 4或Wi-Fi 5干擾,使傳輸更快、實現更低延遲。 分析師預測一旦開放頻譜,將促進各界增強現實及虛擬現實(AR/VR)的發展,觸及消費性的智慧手機,進而延伸至企業使用;工業環境則將用於機械分析、遠距維護或虛擬員工培訓等應用。 博通超越Wi-Fi 6標準,針對新標準推出晶片。 而在WiFi聯盟甫發布Wi-Fi 6E不久後,已有通訊晶片業者推出相關解決方案。例如博通(Broadcom)發布新款企業/住宅的6GHz Wi-Fi AP解決方案。隨著6GHz可用性的趨勢加速,博通認為Wi-Fi 6E創新為8K影片串流、實時沉浸式遊戲、虛擬和增強現實及高速網路共享等高頻寬應用實現高容量,預計本次革新將擴展現有超過1.25億台智慧手機的Wi-Fi 6生態系統,帶來可預期的商機,因此將透過Wi-Fi 6E矽產品組合,持續推動企業、住宅WLAN以及行動裝置進一步加快Wi-Fi 6部署,邁向下個Wi-Fi革新。
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2019年TWS藍牙耳機產業規模成長200%

產業研究機構Strategy Analytics在最新發布的報告中預測,Apple AirPods在2019年的銷售額達到近6000萬。真無線(TWS)藍牙耳機的銷售額在2019年成長了200%。就出貨量與營收而言,Apple的AirPods還是主導藍牙耳機市場的發展。即使其他供應商進積極經營此市場,蘋果的地位仍難以撼動。 Strategy Analytics表示,2019年,蘋果在TWS市場中占據了50%以上的市占率,而最接近的競爭對手三星和小米市占率都不到10%。而在可預見的未來,任何一家廠商都不太可能在TWS藍牙耳機的銷量或營收方面取代蘋果成為榜首。 在過去的六個月中,TWS晶片的價格降低了一半,為數十家(甚至數百家)提供廉價TWS藍牙耳機的新供應商打開了大門。隨著價格的下降,低階TWS藍牙耳機的銷量激增。消費者負擔不起蘋果、Bose、三星和其他公司提供的高階TWS藍牙耳機,現在有很多便宜的耳機可供選擇。  
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全新S32G處理器問世 NXP要讓聯網汽車更安全

為提升聯網汽車安全性,恩智浦(NXP)宣布推出全新S32G車輛網路處理器,該處理器不僅可提高聯網車輛性能,同時還能降低軟體複雜性、強化加密安全和功能安全;該產品目前已獲全球主要的OEM廠商採用。 隨著汽車產業開始朝向聯網化、自動化和電動化等方向不斷發展,所產生的資料量會越來越大,同時也會衍生許多基於資料的服務。因此,在資料驅動的趨勢之下,未來聯網汽車、自駕車等都需要大幅提升運算性能和通訊安全。 為此,NXP近日發表全新S32G車輛網路處理器,該產品將傳統MCU與具備ASIL D功能安全的高性能MPU整合在一顆晶片上,且同時整合了網路通訊加速器,相較之前的單一功能晶片,新款S32G處理器性能有了顯著提升,更能滿足未來車輛監控、車隊管理服務等應用。 NXP希望透過S32G處理器強化聯網汽車、ADAS安全性。 而在安全性方面,與所有其他S32平台處理器一樣,S32G嵌入了高性能的硬體安全加速器以及由硬體安全引擎(HSE)支援的公共金鑰基礎設施(PKI)。防火牆HSE是信任根,支援安全啟動、提供系統安全服務以及針對旁路攻擊的保護。另外,該產品還提供完整的ASIL D功能,包含擁有鎖步(Lock-step)功能的Arm Cortex-M7/Arm Cortex-A53等核心,使得汽車安全處理器具有更強的運算能力,並支援高階作業系統和容量更大的記憶體。 NXP表示,總結來說,新推出的S32G並不只是網路處理器,其獨特的功能組合也能夠支援自動駕駛輔助系統(ADAS)相關應用,同時提供安全、可靠的通訊通能,大幅提高車輛網路的整合度,同時讓汽車製造商能以更快的速度,實現更佳的車載體驗和ADAS功能。
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Skyworks攜手Sequans 布局NB-IoT/LTE-M市場

Skyworks與思寬(Sequans)聯手於2020年美國消費性電子展(CES 2020)上展示新品SKY66430-11,整合多頻段及多晶片系統級封裝(SiP),提供RFEE、收發器等多裝置寬頻率範圍執行的同時,亦為5G大規模物聯網(Massive IoT)市場發展帶來嶄新氣象。 Skyworks宣布將加速5G大規模物聯網應用的採用。 Skyworks市場營銷副總裁John O'Neill表示,隨著5G的出現,相較分散式架構,採用Skyworks營運商認證解決方案的物聯網裝置能更快推向市場,且更具成本效益。 Skyworks的LTE多頻段無線電的無線射頻前端(RFFE)SKY66430-11多合一裝置經認證,整合多頻段及多晶片系統級封裝(SiP),可實現蜂巢式LTE-M/NB-IoT(頻分雙工FDD)體系結構。其前端部分包含Rx低通濾波器、含偏壓控制器的寬頻PA、Tx低通諧波濾波器及天線開關;於接收部分,低通濾波器則將必要的部分整合至SiP中,並阻隔干擾源,比起傳統LTE接收器有更低的插入損失及噪音係數;在發射部分,負載線針對高效而最佳化,整合LPF以抑制PA及收發器的諧波,同時降低最大損耗,進而最佳化發射電流損耗,頻外發射的設計使其與3GPP相容。此外,該產品整合Sequans MONARCH SQN3330晶片,使LTE多頻段無線電的無線射頻前端、收發器、電源管理、記憶體和基頻數據機,得以於700至2200 MHz頻率範圍運作。 由於蜂巢式連接能提供遠距監控,控制或管理所需的安全、實時裝置至雲端連接的能力,因此眼下物聯網製造商正加緊腳步開發。此類低功耗廣域網路(LPWAN)功能適合被廣泛採用於消費性產品,如智慧手表、可穿戴裝置和追蹤器,以及工業和基礎設施應用,如天然氣、水/電表、機器監控、工廠自動化、供應鏈及物流監督等。 物聯網應用需求不斷提升,根據近期5G Americas與推出的5G白皮書指出,蜂巢式物聯網正成為廣域物聯網應用的首選技術;同時愛立信(Ericssion)2019年移動性報告中亦表示,蜂巢式連接的IoT裝置預計將從2018年的10億台成長至2024年的41億台,複合年成長率為27%。其中LTE-M/NB-IoT(大規模物聯網)預計將占其中的45%,遠高於2018的數量。預計本次Skyworks與Sequans的技術合作,將使大規模物聯網的布建加速,連帶提高5G應用。
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ATE設備需求不斷演進 電源功率/雜訊/重量要求更嚴

也因為ATE橫跨了自動化與測試儀器兩個領域,因此從電源設計的角度來看,ATE是一個相當具有挑戰性的應用。對測試儀器來說,電源的電磁干擾(EMI)常常是無可妥協的規格要求,因為測試儀器往往非常靈敏,儀器內任何元件所發出的電磁波訊號,都可能會影響量測所得的數據。 半導體測試所使用的ATE設備,還有許多其他ATE設備所沒有的特殊設計挑戰。隨著IC的接腳數量不斷增加,出於成本考慮,每分鐘所測試的晶片數量也必須增加。這需要對測試設備的硬體進行大幅調整。測試頭本身必須測試更多接腳,必須更快移動,而且還必須提供不同的測試電壓。 測試頭的尺寸和重量是實現這些改進至關重要的因素。即便電源具有更高效率及更小尺寸的相同拓撲,也會造成元件的更高工作溫度,因而可能會降低可靠性,這是一天24小時全天候運行的系統所無法接受的。 至於在電池化成系統(Battery Formation System, BFS)方面,因為這類設備所面對的電池組容量越來越大,因此在執行電池化成或其他電池測試相關工作時,需要消耗的電力也越來越多。這意味著電池化成系統必須能對電池組輸出更高功率,且必須設法將這些電力回收再利用,否則電池化成或電池測試的成本將會大幅提升。 分比式架構解決效率/EMI難題 分比式電源架構(Factorized Power Architecture, FPA)使客戶減小了負載本身各轉換級的尺寸、重量以及熱量的產生。所謂的分比式電源,是將穩壓(PRM)與變壓(VTM)分開,並在負載點上只提供變壓部件(圖1)。 圖1 分比式電源架構 與傳統電源架構相比,FPA不僅可明顯降低負載點所產生的功耗,而且還可顯著縮小轉換器的尺寸。穩壓模組本身則可配置在遠離負載點的另一端,因為穩壓元件通常會產生比較大的雜訊,若能讓穩壓元件遠離負載點,亦可幫助ATE設備開發者解決棘手的電源雜訊問題。 VTM支援高開關頻率,因而支援極高的功率密度,是非常小巧的羽量級組件。這是用來減輕測試頭(Test Head)重量的主要組件。VTM極高的效率不僅降低了測試頭上所生成的熱量,而且還確保滿足了這種環境下所需的高可靠性及平均故障間隔時間(MTBF)值要求。 FPA透過對PRM母線電壓的調整實現對負載電壓的穩壓。在測試具有不同電壓需求的晶片時,這可避免高昂的設定成本或更換設備。此外,目前絕大多數的半導體ATE設備,內部電源分配網路所使用的電壓都還停留在24V,這意味著從測試設備本體到測試頭之間的電源纜線必須承受相當大的電流,才能滿足測試頭的功率需求。 而隨著晶片設計越來越複雜,待測晶片的接腳數量、測試點持續增加,測試頭所需支援的測試通道數將只會越來越多,功率需求也跟著水漲船高,如果不設法提高電壓,ATE設備商只能換用更粗的電源纜線,才能承受更大的電流。這不只會增加成本,也會增加重量,這是許多ATE設備開發者所不樂見的。 FPA亦可協助設備開發者導入更高的電壓。以Vicor提供的解決方案為例,因為Vicor的PRM輸出電壓可以設定在48V或更高(通常不會高於60V,因為若超過60V,設備需要重新設計才能滿足電氣安規的要求),因此從測試設備本體到測試頭之間的電源纜線可以換用更細的纜線,以降低成本、減輕重量。或是當測試頭的功耗需求增加時,設備業者可以沿用現有的纜線,不必更換更粗的纜線,造成成本跟重量上揚。 圖2是一個基於Vicor解決方案的高速SoC測試設備所採用的電源樹架構。這個電源系統對測試頭提供的總功率約在2.24kW左右,並支援多種不同的電壓/電流組合,展現出Vicor電源模組的效率跟配置彈性優勢。 圖2 基於Vicor電源解決方案的高速SoC測試機內部電源方塊圖 高壓直降挑戰大 SAC拓撲解難題 在維持同樣功率水準的前提下,只要提高傳輸電壓,就能降低纜線上的電流,減少傳輸損耗,這對工程師來說是很基本的電學知識,但事實上,因為負載點需要的輸出電壓是固定的,甚至還有越來越低的趨勢,拉高傳輸電壓反而會使負載點電源的輸入跟輸出壓差變得更大。 在這個情況下,負載點電源如果採用傳統的硬開關切換電源拓撲,反而會出現更嚴重的振鈴現象,不僅降低轉換效率,還會增加電源雜訊。是故,若要在ATE設備內的配電網路採用更高電壓,負載點電源的拓撲必須採用新的設計架構。 穩壓準諧振(ZCS/ZVS)跟正弦振幅轉換(SAC)拓撲,就是為了解決這個問題而產生的拓撲設計。其中,SAC因為是基於正弦波的轉換,因此效率跟雜訊表現比ZVS還要更優異,更適合運用在靠近負載點的負載點電源上。SAC的拓撲架構如圖3所示,與穩壓準諧振ZCS/ZVS轉換器不同,正弦振幅轉換器工作在固定頻率下,該頻率與一次側槽路的諧振頻率相等。 圖3 SAC拓撲架構 一次側槽路的開關FET 鎖定至該電路的自然諧振頻率下,在零交叉點位置切換,消除了切換功耗,帶來效率提高的優勢,並顯著減少了高階雜訊諧波的產生,降低輸出電壓濾波的需求。一次側諧振槽中的電流為純正弦波,而不是前幾代轉換器中的方波或部分正弦波。這不僅有助於降低諧波含量,而且還可提供更乾淨的輸出雜訊頻譜。 在正弦振幅轉換器中,一次側的漏感最小,因為它不是關鍵的儲能元件。因此,SAC可以在更高的頻率下工作,不僅允許使用更小的變壓器,而且還可提高功率密度和效率。Vicor BCM工作在數MHz的頻率下;無論負載如何,該頻率都不變。對於二次側上增加的負載,正弦振幅轉換器的回應方式是增加一次側諧振槽上的正弦電流幅度。 這反過來又能增加耦合在二次側中的能量,抵消增加的負載。當負載電流降低時,在「空載」條件下,正弦幅度降低至接近零。 Vicor匯流排轉換器的輸出阻抗極低,反映了變壓器一次側諧振槽電路的低輸出阻抗,理想情況下,其在諧振頻率下為零阻抗。該阻抗基本上是平坦的,約為諧振頻率的三分之二,約為常規IBC輸出阻抗的一半。 一次側電流的正弦屬性帶來了其在SAC電氣雜訊特性方面的優勢。在切換頻率以及兩倍的切換頻率下,輸出雜訊頻譜非常窄,具有各種元件(由於輸出的全波整流)。輸出濾波很容易透過小型高頻率陶瓷電容實現。 降低電池化成成本 雙向電源至為關鍵 至於在電池化成系統方面,由於電動車、再生能源儲能的蓬勃發展,目前市場上最主要的電池化成系統,都是針對鋰電池設計。鋰電池芯的化成是電池的初使化,使電池芯的活性物質活化,是一個非常複雜的過程,同時也是影響電池性能很重要的一道工序。 在鋰電池第一次充電時,鋰離子第一次插入到石墨中,會在電池內發生電化學反應。在電池首次充電過程中,不可避免地要在碳負極與電解液的相介面上形成覆蓋在碳電極表面的鈍化薄層,稱之為固體電解質相介面或稱SEI膜(Solid Electrolyte Interface)。當SEI膜穩定之後,電池就可以進行多次充放電循環。 換言之,從電力電子的角度來看,電池化成系統就是一個大型的自動充電系統,且隨著電池組的容量越來越大,進行電池化成時所需提供給電池組的功率也越來越高。 這會衍生出兩個問題:一、化成系統如何提供給電池組足夠的電力?二、化成的主要目的是產生穩定的SEI膜,而不是幫鋰電池充電,因此在化成步驟完成後,如何將儲存鋰電池裡面的電力循環利用,幫下一批電池進行化成,降低化成的成本? 第一個問題其實跟前面提到的ATE設備有些類似,因為電池組內包含的電池芯數量增加,因此化成設備對電池提供的功率必須跟著增加,但在電壓不變的情況下,化成系統內所使用的纜線必須承載更大電流,因此造成成本上升。而且,使用更粗的電源纜線會讓化成系統內的配線變得更困難,因為纜線變粗之後,會更難以撓折,走線設計得花更多功夫。 因此,如果能提高配電網路的電壓,直到要對電池芯充電時才將高壓直流電轉換成低壓、大電流的直流電,會為化成系統設計帶來很高的彈性。圖4是傳統電池化成系統電源架構跟Vicor提出的架構比較,很明顯可以看出Vicor提出的方案,能幫電池化成系統製造商省下許多纜線的成本。 圖4 傳統電池化成系統架構與Vicor提案架構的比較 第二個問題則涉及到電源轉換模組是否支援雙向轉換,不支援雙向轉換的電源解決方案,若要實現電力的循環再利用,會需要另外設計一套電池放電子系統,才能把電力從化成完畢的鋰電池芯裡抽取出來。從圖4可以看出,針對電池化成系統,Vicor提供的轉換模組方案都支援雙向轉換,不像傳統架構僅支援單向轉換,這可以大幅簡化系統設計的複雜度。 提高機台效率/降成本 電源設計需翻新 ATE設備屬於工業設備,在這個行業中,最普遍的配電電壓規格是12V與24V,因此,許多工業用電源解決方案,都是環繞著12V或24V規格而設計,自成一個生態圈。而48V是通訊設備產業的主流配電規格,也有一個屬於自己的生態系統。 但在自動化測試設備或電池化成系統需要更高輸送量,以增加生產效率,降低成本的情況下,ATE設備內部的電源架構,已經到了必須往上再拉高到48V的時刻。類似的轉換過程在資料中心相關設備,例如伺服器領域,已經是現在進行式,有越來越多伺服器業者開始推出基於48V配電的產品,相信類似的情況現在也正在ATE設備領域發生。 (本文作者任職於Vicor)
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PCIe/USB一搭一唱 介面高速化腳步不停歇

在超微(AMD)將PCIe Gen4推向消費性市場,展現相關技術的成熟度之後,PCIe Gen5的實作議題,順理成章地成為2019年PCI-SIG 2019年開發者大會台北場上的探討焦點。從矽智財(IP)、設計驗證到測試儀器業者,都已備妥PCIe Gen5相關解決方案,預計到了2020年,PCIe Gen5在伺服器、高速網通設備等資料中心相關的應用市場上,將會有更高的能見度。 另一方面,PCI-SIG也正在進行PCIe Gen6的標準制定工作,預計2021年推出。到底是什麼原因,讓PC、伺服器的內部互聯介面升級速度變得這麼快?答案很可能是AI的全民化跟USB 4.0的推波助瀾。 影子AI/USB 4.0促成PCIe Gen4全面普及 在嵌入式運算跟個人電腦端,從PCIe Gen3轉向Gen4,也是抵擋不住的趨勢。雖然很多人仍認為,大數據分析跟AI運算等對頻寬需求極高的運算任務,仍會由雲端伺服器來滿足,但事實上並非如此。在邊緣運算的趨勢下,嵌入式運算裝置所需承擔的運算任務,只會越來越多。 另一方面,一般使用者不會有AI運算需求嗎?顧問公司Gartner可不這麼認為。在Gartner發表的2020年十大科技趨勢中,特別將新科技全民化列為2020年的重點趨勢。Gartner資深研究總監呂俊寬(圖1)認為,到了2022年,全球將有30%的企業組織開始使用AI進行決策,而這些AI當中,會有很多影子AI(Shadow AI)存在。 圖1 Gartner資深研究總監呂俊寬認為,AI的採用門檻只會越來越低,AI全民化將是擋不住的趨勢。 呂俊寬進一步解釋,影子AI的概念其實跟BYOD非常類似,也就是在企業/組織不知情的情況下,使用者把自己的AI模型或訓練資料集帶到公司或組織內使用,就像員工帶著自己的筆記型電腦跟智慧型手機來上班一樣。一方面這會對企業/組織帶來很高的風險,另一方面也意味著AI將會變成一種門檻極低,非常容易取得跟運用的工具。 而USB 4.0的導入,則會使個人電腦(PC)等運算裝置,必然要改用PCIe Gen4來實現主機板上的互聯。在2019年9月正式發表的USB 4.0標準,頻寬最高可達40Gbps,如果PC主機板上所使用的晶片互聯仍停留在PCIe Gen3,即便採取4通道配置,也只能提供接近一埠USB 4.0的頻寬。 如果要避免主機板上的晶片互聯成為傳輸瓶頸,理想上應該採用8通道PCIe Gen3,但考慮到個人電腦內還有固態硬碟、繪圖卡與其他USB 3.0連接埠等需要大量頻寬的零組件,若想讓USB 4.0的潛力得以完全發揮,主機板業者勢必要改用PCIe Gen4,否則晶片組提供的通道數量肯定不敷使用。 事實上,除了超微之外,根據英特爾(Intel)的產品發展路線圖,到了2020年下半,該公司的筆記型電腦平台也會開始支援PCIe Gen4。換言之,PCIe Gen4在PC上普及,已經是指日可待。至於USB 4.0,由於英特爾已經先將Thunderbolt...
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四種關鍵技術撐腰 物聯網應用綿延交織

物聯網作為一種數位和物理世界相交奇妙聯繫的概念已經是現代的真理,只是,這個理想還沒有真正實現。事實上,物聯網的採用落後於預期,許多市場分析單位做了檢查,認為預期的成長與現實不符,直到最近似乎又有新的成長。物聯網的應用確實在加速,IoT架構已經成熟為完整的端到端系統,具有資料中心和應用實例,主要因四項技術支柱推動物聯網浪潮,讓物聯網世界成為可能。 感測器捕獲物理世界各面向 感測技術已經走到一個極致,感測器體積非常小、節能且通用,這使得它們成為物聯網核心的關鍵資產。無論人們想像何種應用,現已有一定成熟的技術可支援,在這樣的狀態下,人類世界中的任何實體訊號都可以轉換為電信訊號,然後轉化為機器可處理的數位資料。無論是透過家庭娛樂系統監控人的情緒、智慧農業應用中監測含氮的土壤飽和度,或是預測性維護場景中渦輪機的振動;作為人類感知中不可或缺的一部分,數位感測在生活和技術之間建立了新的聯繫。 聯網技術趨動IoT加速發展 第二個驅動力是連接技術(圖1)。成熟的、經過驗證的標準現已覆蓋整個應用範圍,從超短距離連接,從超近距離的NFC中距離的Wi-Fi、Thread、Zigbee、V2X等,到廣域網路和整個城市的LTE、LoRa等。對於廣域網路來說,5G的發展正持續進行中,歐洲、中國和美國陸續進行了5G布局的基礎設施試驗;除5G之外,這些國家也正在實施更先進、更強大的技術,如超寬頻(Ultra-Wideband, UWB),以彌合最後的差距,並實現全新的應用實例。 圖1 IoT其中一項重要的驅動力是聯網技術。 與此同時,成熟技術的採用率正在上升。像是中國第100個城市推出基於NFC的非接觸式電子票證,使消費者能夠安全、方便地獲得行動票券。全覆蓋的無線連接方案,以及能夠快速擴展、便於使用的行動支付設備實現快速、經濟高效的商業化,顯然是物聯網的另一個關鍵驅動因素。 AI運算已轉移至邊緣  第三個技術支柱是「邊緣」。創新的根本變革正在展開,比以往更加智慧的技術開始走向前端產品。過往舊模型在邊緣生成資料並在雲端資料中心進行處理,此一方式已經逼近極限,因此,運算正在迅速向邊緣轉移。事實上,IDC預測在一年之後,所有IoT運算將有43%屬於邊緣運算。 這是有道理的,專用的邊緣處理可減少回應時間和網路擁塞。例如,自動駕駛汽車非常依賴即時處理,需要在幾分之一秒內做出正確的決策。專用處理毋須建構低效能且無回應的集中式雲資料中心,即可處理顯著增加的資料收集;將使得設備更可靠,並且因為原始資料不會上傳到雲端,而同時改善使用者隱私。 邊緣處理適用於可能無法連續連接到網路且屬於分散式資源的領域,如自動駕駛車輛、植入性醫療設備、高度分散式感應器領域和各種行動裝置等應用。 為了使用機器學習(Machine Learning, ML)並在這個具有挑戰性的環境中啟用人工智慧(Artificial Intelligence, AI),需要一個敏捷的應用程式來保持機器學習並快速將其應用於新資料。此功能稱為推理,也就是獲取較小的實際資料區塊,並根據程式完成培訓進行處理;為了在邊緣環境中進行推理,需要經過優化的處理體系結構和硬體,並附帶處理能力、能源效能、安全性和連線性方面的一定要求。 滿足這些要求的進階硬體已具備隨時可使用,為IoT的採用提供了強大的推動力。最重要的是過去獨家技術的授權、民主化。機器學習過去一直只有擁有複雜雲架構、高級演算法和持續接觸大量真實資料集的人員才能夠使用。現在,借助新的工具組,邊緣節點開發人員可以在資源受限的邊緣設備中高效地整合和運行經過雲訓練的機器學習模型,以支援廣泛的工業、物聯網和汽車應用。這個作法,減少了成為機器學習專家所需的大量投資,使數以萬計的客戶產品得以實現機器學習能力。 安全是IoT獲取信任關鍵 根據思科的研究,只有9%的美國受訪者對IoT設備高度信任。或者,換句話說,在數位時代,當一個人必須害怕自己的冰箱背叛自己的隱私時,生活是什麼? 同一研究指出,42%的人認為物聯網服務為它們提供了巨大價值。儘管所有產業的IoT採用率都在加速,但企業和最終使用者都面臨著不斷的隱私和安全威脅。這一悖論顯著表達出在應用中建立最終使用者的信任,對於IoT的成功至關重要(圖2)。 圖2 IoT應用的成功很大因素來自於使用者對安全的信任。 事實上,我們看到物聯網設備的漏洞正在快速發布,例如CPU的熔毀和幽靈漏洞、ROCA或Heartbleed攻擊。其中許多事件表明,人們越來越依賴少數占主導地位的系統建構,但這些系統建構尚未經過徹底的安全審查。 在這些威脅的背景下,利益攸關方現在似乎已經認識到,共同努力建立信任至關重要,而這變化正在發生。像是歐洲一般資料保護條例(General Data Protection Regulation, GDPR)或2018年加州消費者隱私法案(California Consumer Privacy Act of 2018, CCPA)等框架生效,這些框架正在定義有關資料安全和隱私的共同準則。在產業方面,「信託憲章」等領先企業的措施表明,他們致力於推進網路安全並確保數位供應鏈的安全。 為了履行這一承諾並創建信任互聯網,先進供應商在設計其產品、系統和服務時考慮到了安全測試。它們是可升級的,以便在安全性漏洞後應用修補程式,因安全漏洞這不可避免地會在某個時候發生。這些系統以彈性方式設計,以防止整個網路因攻擊而崩潰。而且,由於不同市場和應用程式的安全要求差異很大,因此在產品和服務體系結構中創建了可擴展的安全性。 這正是半導體業者如恩智浦(NXP)強調「智慧生活 安全連結」的原因。憑藉為安全生態系統(如安全微控制器、NFC、支付、存取控制和高速網路交換器)提供解決方案的成功記錄,工程師和企業在創建信任互聯網方面發揮著關鍵作用。這一領域的成功植根於系統方法,不僅交付了安全的產品,還確保為客戶提供隱私解決方案的安全設計。這種設計安全方法還包括安全製造、安全信任調配和安全交付,以構建IoT生態系統的第四個支柱。 2020物聯網將成為現實 感測、跨越全球的連接、從中心到邊緣的轉換以及保護系統和設備的先進安全性的新世界是物聯網從探索到實際實施的關鍵驅動因素。 展望未來,預計2025年聯網設備將達到750億台。隨著數萬億個終端設備、新的應用程式和業務模式圍繞它們不斷演變,從中心到邊緣的轉換無異是一個巨大的機會。這不僅僅是增加價值和創造新的商業模式,而是讓生活更輕鬆、更簡單、更方便、更安全。如果技術不能說明如何提高人們的福祉,那麼技術就沒有什麼理由存在;換言之,物聯網擁有改變生活的力量,而半導體業者有責任實現這一承諾。 (本文作者為恩智浦半導體總裁)
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推動5G部署 多樣射頻半導體技術展妙用

儘管這些令人振奮的發展還未到來,但5G部署正在發生,速度遠超想像。例如,2018年底5G的毫米波頻譜拍賣就已開始,目前仍在進行;5G技術標準制定過程已基本完成;Verizon和AT&T已經在美國特定地區推出使用毫米波的固定無線服務,作為行動毫米波5G的先驅,而中國計畫在2019年部署20萬個5G基站,日本、韓國和瑞士也積極成為早期採用者;此外,5G所需的資料中心、網路基礎設施、用戶端設備(CPE)和行動系統也在大力發展。 因此,預計未來幾年的網路流量將呈指數成長。估計到2024年,行動資料流量的年複合成長率將達31%,年度全球行動資料流量每月約為136艾位元組(Exabyte),其中5G約占25%。此外,隨著新應用需求出現、用戶增加,越來越多的用戶參與傳輸和處理大量資料的活動,如高解析影片,流量不斷成長的同時,複雜性也會增加;體育、音樂會及其他活動的現場直播、串流式影片服務等。 5G催動半導體射頻技術演進 面對流量、複雜性和智慧手機5G化挑戰,架構更改勢在必行。而對於這些應用的晶片設計者來說,必須打造出射頻、功耗和性能優化的設備,才能使產品脫穎而出。隨著5G應用的發展,還必須在設計和製造生態系統中降低這些晶片的生產成本,說明晶片快速上市,從利用現有4G/LTE架構和6GHz以下頻段的初始設計,到針對毫米波頻率架構的設計。 為此,晶圓代工業者如格芯(GlobalFoundries)為智慧手機晶片設計者提供一系列久經考驗的創新型射頻技術,隨時可用於5G部署且具有廣泛的特性、功能和能力,可以不同方式組合,創建5G應用所需的特定屬性。 本文將探討格芯技術對智慧手機和其他移動設備5G部署的貢獻。首先討論6GHz以下頻率應用的晶片設計方法,充分利用部分現有4G頻段(700MHz、2.5GHz等)以及3.3GHz至5GHz頻段來實現5G。該頻率範圍內的晶片開發通常包括設計「改進」,而不是全部重新設計。因此,第一代5G智慧手機主要基於6GHz以下。 本文將探討在24GHz以上頻率毫米波(mmWave)頻段中的5G應用。這些頻段資料傳輸速率極高,但需要將多根天線組合成天線陣列,以擴展毫米波的覆蓋範圍。最後將討論Wi-Fi前端模組,因為Wi-Fi功能如今已包含在與5G系統交互的各種設備中(例如智慧手機、平板電腦、筆記型電腦、桌上型電腦、可穿戴設備和路由器)。 8SW RF SOI技術實現6GHz以下部署 在射頻電路設計中,射頻前端模組(FEM)通常包括天線與射頻收發器(發射器/接收器)之間的所有元件。包括處理從天線接收的訊號所需的開關、濾波器和低雜訊放大器(LNAs),以及透過濾波器和開關放大發送到天線的訊號的功率放大器(PA)。 對於6GHz以下的蜂窩架構,FEM是混合型,意味著使用多種技術,以便為每個元件帶來獨特的優勢,如圖1所示。GaAs用於PA,而RF SOI用於開關,SiGe或RF SOI都可用於LNA。 圖1 6GHz以下智慧手機蜂窩前端和收發器 格芯的8SW RF SOI技術採用300mm晶圓製造的全面認證高容量RF SOI代工解決方案。該解決方案經過優化,可為用於高階4G-LTE和6GHz以下5G應用的FEM中的LNA、開關和調諧器提供優異性能。 該技術基於含有大量陷阱、全銅互連、優化的金屬堆疊和MIM電容的高電阻襯底,提供較佳的導通電阻和關斷電容,可實現高隔離性能,大幅降低插入損耗(IL)和諧波。降低插入損耗是智慧手機原始設備製造商(OEM)和蜂窩網路運營商的關鍵需求,因為更低的IL會產生更強的訊號,進而減少通話斷線/斷開連接現象,提高資料速度,尤其是蜂窩邊緣。使用此一技術製造的開關在隔離性能和線性度上優於其他產品,這意味著更高的接收器靈敏度和更少的干擾,同樣會減少通話斷線/連接/串擾,最終改善用戶體驗。 另外,6GHz以下蜂窩智慧手機架構通常使用獨立收發器,直到最近,這些收發器都建立在28nm的CMOS技術上。現在,業界正在向更高性能的FinFET技術發展,使得5G系統能夠處理更多數位內容,並充分利用功耗較低的類比電路。 45RFSOI 技術滿足毫米波前端模組設計 毫米波頻段中的5G架構正在不斷發展,因此前端模組設計因客戶而異。 以FEM為中心的設計選項之一是部分整合方法,其中整合了毫米波PA、LNA、開關、移相器、功率合成器/分相器,某些情況下還有RF/毫米波上/下變頻轉換器。這些轉換器將毫米波從中間頻率(IF)轉換為高於6GHz但遠低於毫米波水準(反之亦然)。訊號通常處於7~12GHz的範圍內。這被稱為「高IF」架構,利用了IF頻率(而不是毫米波頻率)下FEM和收發器之間的較低互連損耗。選擇IF頻率是為了不干擾同一手機中的其他6GHz以下訊號。 另外一種整合方法是使PA保持獨立,而不是與其他FEM元件(LNA、開關、移相器和功率合成器/分相器)整合在同一晶片上。另一個以FEM為中心的設計選擇是完全整合的方法,其整合了包括收發器在內的整個子系統,但不包括數據機介面。 選擇使用獨立FEM模組的毫米波的客戶需要大功率高RF性能的PA,為此,可使用45RFSOI製程;透過增加以RF為中心的增強功能,利用久經驗證的45nm部分耗盡型絕緣體上矽(PD-SOI)技術的固有優勢,並可提供更佳的毫米波FEM性能。優勢包括: .用於高線性度開關的高電阻率襯底、LNA以及毫米波頻率下的低損耗互連。 .高High ft/fmax(290/410GHz)和堆疊能力的PA,具有更高的最大輸出功率(Psat)和功率增益,效率更高;高功率容限開關,提供低插入損耗(0.65dB5) .經優化的低損耗後段制程(BEOL)製程,提供低雜訊係數(NF)LNA(1.3 dB5)和低損耗互連,以及移相器和功率分相器/組合器等被動元件。 另外,使用45RFSOI製程可以實現更高的Psat和更低的NF,進而增加PA的功率附加效率(PAE),減少實現給定等效全向輻射功率(EIRP)輸出所需的天線列陣元件數量。這意味著更少的電池電量消耗和更好的熱管理。PA功率效率和熱管理至關重要,因為電池壽命是行動設備的關鍵要求,同時風扇或散熱器無法適應越來越輕薄的行動設備。此外,所需的陣列元件越少,天線模組就越小,最終降低封裝成本。該技術同樣非常適合毫米波5G小型蜂窩中的整合式FEM,因為它提供獨特功能,可設計Psat高達23dBm且最高效率>40%的晶片。 除了上述所提,還有22FDX製程可實現全整合5G毫米波無線解決方案。 與bulk CMOS技術相比,採用22FDX技術構建的功率放大器可節省34%的發射功耗和14%的總功耗,延長10%的電池使用時間並減少熱量。此外,22FDX不需要PA功率合成器,即可實現PA的完全整合,並縮小元件尺寸,提高效率。 在LNA性能方面,22FDX的雜訊係數比CMOS提高約30%,實現更佳的訊號覆蓋範圍和更少的通話斷線率。據估計,22FDX可將覆蓋距離增加約6%。此外,22FDX的開關性能至少比CMOS提高50%,同樣可增強訊號,減少通話斷線。這相當於將靈敏度提高了0.85dB,鑒於設計人員通常需要爭奪數十分之一dB的插入損耗差異,這一優勢尤為突出。 Wi-Fi 功能增加增添設計難度 多年來,Wi-Fi前端的功能不斷增加,以滿足Wi-Fi設備技術標準(例如802.11 a/b/g/n/ac)不斷成長的性能要求。最新的Wi-Fi標準是802.11ax,涵蓋2.4、5.8GHz以及新興的6GHz頻段,最高可達7.125GHz頻率範圍。 如圖2所示,Wi-Fi無線電架構各不相同。它們可能包括獨立的FEM和收發器,或整合式FEM和收發器,有時還包括整合式數據機。 獨立的Wi-Fi FEM可以是帶開關+PA+LNA的整合模組(圖2中的小點線框),也可以是帶有單獨分立PA的開關+LNA。8SW技術旨在為Wi-Fi開關+LNA提供更佳解決方案,同時實現與前面提到的蜂窩開關相同的性能優勢。此外,8SW經過優化,可在基於RF SOI的LNA中提供令人滿意的低雜訊、高增益和高線性度優勢。 圖2 2×2 MIMO的Wi-Fi模組原理圖 對於高性能分離PA,一些設計人員會選擇砷化鎵(GaAs)。而別的設計人員通常會採用整合方法;而SiGe BiCMOS功率放大器技術可說明他們在性能、整合和成本效率之間取得最佳平衡;而SiGe PA技術則基於矽基板,與砷化鎵替代品相比,性能相似但模組更小,因此具有整合優勢。所有SiGe PA產品均採用經過生產驗證的矽穿孔(TSV),可實現低成本封裝解決方案。 總結來說,晶圓代工者提供廣泛的差異化RF技術,幫助整個5G行業實現強勁成長。無論是6GHz以下應用、mmWave 5G應用,還是先進的Wi-Fi無線電,這些多樣化的技術都能為5G解決方案帶來特定的益處,幫助設計人員打造優化5G性能的設備,並在功率、性能、RF功能和特定應用功能之間取得平衡。 (本文由GlobalFoundries提供)
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購併Barefoot 英特爾攻雲端市場更有底氣

Intel對外聲明,強化數據中心互聯方案,提供客戶更充沛的資源,利用高速成長的龐大數據來提升競爭力,是其認定的六項重要技術基礎之一(Process and packaging, Architecture, Memory, Interconnect, Software and Security)。而Barefoot Networks在雲端網路架構、P4可編程軟體與編譯器、交換機晶片、驅動程式軟體,網路遙測等面向具備互聯技術的專業知識,因此促成本次的併購案。 全球雲端運算應用趨勢剖析 在Amazon、Google與Microsoft等雲端大廠帶頭下,全球資料中心市場持續成長,帶動x86架構伺服器的需求,也為當中具近壟斷地位、以Xeon處理器為主力產品的Intel挹注豐厚營收。Intel資料中心事業部營收在2018年以前呈現持續成長態勢,營業利潤表現與占公司總營收比重也同步爬升,其重要性已十分明顯。 網通大廠Cisco在2018年發表之Global Cloud Index報告中指出,在雲端應用的高速發展下,2021年全球雲端資料中心流量將達19.5Zettabytes的水準(2016年為6Zettabytes),並占據各型資料中心整體95%的流量。 在上述預測下,裝載上千台伺服器、占地達萬平方英尺的超大型雲端資料中心在2021年可達628座,較2016年的水準(338座)大幅增加。上述地點屆時將占有全球資料中心53%伺服器數量、65%資料儲存量,以及55%的數據流量。 另一方面,為支援低延遲與IoT應用(多人雲端遊戲、AR/VR、智慧製造與V2X等)、分散運算與儲存等需求,相對一般資料中心規模(設備數量、場域大小、用電等面向)較小的邊緣運算市場也受到矚目。 資料中心三項主要IT設備:伺服器(Server)、儲存裝置(Storage)、交換器(Switch),在各型資料中心持續擴展下,市場穩定成長,也吸引許多業者投入開發產品。其中,從網路通訊的觀點,包括資料中心聯外的骨幹網路、機架間的連結,以及上述三大設備的通訊介面,主要有乙太網路、光纖通道與InfiniBand三大類,分別常見於伺服器/交換器、儲存裝置、高性能的超級電腦領域。 高速運算急速成長成為併購幕後推手 隨雲端資料量大幅成長,使得高速傳輸具有迫切需求,上述3大陣營持續朝100G發展。其中,由電機電子工程師學會主導的Ethernet陣營,在Cisco、Juniper、Arista、HPE、DELL等交換器與伺服器大廠主導下已朝400G、800G方向邁進,同期間另外兩個陣營則發展至200G規格。Ethernet在大廠支持、高速傳輸標準發展領先下,持續擴展在伺服器/交換器與儲存裝置的市占;InfiniBand則守住在超級電腦領域的主要地位。 Intel對於發展自有高速傳輸介面一直十分積極,最主要的布局即為2012年併購InfiniBand業者QLogic,並於2015年正式量產的「Omni-Path」規格。然而,無論在交換器(未獲多數OEM業者主力產品採用)、儲存裝置(多家大廠支持另一個開放標準)與超級電腦領域(InfiniBand主導業者Mellanox技術與市占領先),Omni-Path未能取得預期成績。因此Intel併購Barefoot後,2019年7月也宣布不再繼續發展Omni-Path藍圖,集中資源投入Ethernet後續標準與產品發展。 2019年在伺服器之核心處理器市場,Intel目前仍維持9成以上市占率,主要對手為半導體大廠AMD,持續開發高性能效率、高兼容性的第二代EPYC處理器,爭取DELL、IBM與Nokia等大廠青睞。GPU大廠NVIDIA如前文所提,更提出高於Intel之收購價,與資料中心聯網晶片Tier1業者Mellanox完成整併協議。 NVIDIA執行長黃仁勳針對此項併購,明白說明背後動機。網路資料量高速增加下,促使資料中心內部伺服器間,東西向水平資料傳輸呈現指數型成長態勢。後續,資料中心將轉變成數萬運算節點的巨型運算引擎,對於特別是雲端大廠,在建置下一代資料中心時,將採用新架構。NVIDIA已看出可能的市場變化,在硬體加速與聯網加速進行雙邊布局,來滿足客戶的潛在需求。 Broadcom/Marvell進逼交換器市場競爭更猛烈 在交換器領域,Broadcom擁有完整交換器處理器、乙太網路與Fiber Channel方案;在伺服器、儲存裝置領域也有對應的搭配產品。有別於多數對手的策略,Broadcom近兩年的併購主題鎖定軟體,包括CA Technologies與Symantec兩家業者,深化企業、資料中心市場的產品組合,為客戶提供更具成本效益與彈性的授權合作模式,成為橫跨硬軟體整體解決方案大廠。 另一家交換器晶片大廠Marvell,從2018年起也進行多個併購案。首先是2018年收購伺服器處理器知名廠商Cavium,取得其以ARM處理器架構開發的ThunderX系列產品;2019年分別買下ASIC業者Avera與乙太網路IC設計業者Aquantia。Marvell原本在伺服器、交換器、儲存裝置都有對應產品,透過上述併購增加產品完整性與技術實力,展現深耕資料中心市場的決心。 在主要對手近兩年積極布局下,Intel透過補強通訊處理器提高資料中心方案完整度,鞏固伺服器晶片市場領導地位。 放眼未來 英特爾朝擴大生態系邁進 Intel收購Barefoot的新聞,從其本身競爭力提升的角度,獲得主流媒體、市場分析機構與產業的正面評價。首先,在既有的伺服器處理器市場上,RISC與Unix搭配的ARM陣營(如Cavium)、共同屬於x86架構下的對手AMD,以及IBM等大廠之自研平台,至少目前都未對Intel在數據中心的霸主地位帶來威脅。但在NVIDIA、AMD等對手加強資料中心產品布局下,Intel做出此項回應。 Barefoot的Tofino系列主要特色在於導入開源P4程式語言而具備可編程能力,藉以執行多元數據封包功能,例如防火牆或負載平衡、效能監控和遙測。上述的重要性在於雲端大廠甚至大型企業,其資料中心未來將可能需要更多客製化的軟硬體,Intel的網路工程師未來可與客戶合作(或客戶自行開發),從晶片端就能開發專屬功能,為伺服器等設備帶入更多AI與機器學習元素,提升資料中心的自動化與運作效率。 整體而言,Intel回應主要對手NVIDIA收購Mellanox、AMD積極推出新伺服器平台的動作,併購目前在資料中心互聯產品中,具備競爭力的新創業者Barefoot。這家公司在400G乙太網路技術位於領先群,可協助Intel掌握最新通訊規格動向與產品發展能力。而環顧Intel在資料中心的方案,在Xeon和Atom伺服器晶片外,並包括Altera(Arria和Stratix FPGA方案)、Nervana(Spring Crest神經網路處理器)、Barefoot(Tofino交換器ASIC),可提出更完整的產品包裝。 Intel在併購Barefoot之前,曾在2011年以未公開的價格,收購了專門為數據中心網路設備商設計乙太網交換器晶片的Fulcrum Microsystems,這家公司當時發展了10G/40G產品,並與交換器主要業者Arista展開合作。 回顧過去8年,Intel並未充分利用Fulcrum的技術,在交換器領域發展出獲得主流業者採用之乙太網路產品。 另一方面,Intel在2012年以1.25億美元代價收購QLogic的InfiniBand資產,後續推出自有的Omni-Path規格,經過3年推廣,決定在2019年停止後續投資。上述案例大致說明,Intel發動許多併購活動,包括在網路通訊領域布局,常見後來兩種發展變化,一為Intel藉機發展自有標準並對外推廣,一為該公司技術後續未充分發揮預期能量,消失在後續相關產品藍圖中。 然而,資料中心市場在雲端大廠主導,並採用開源標準、軟體定義網路(Software-Defined Networking, SDN)、網路功能虛擬(Network Functions Virtualization, NFV)等技術下,整個生態系更加開放。後續,資料中心無論朝向超大型架構或者微型化的邊緣運算架構,天秤兩端的品牌大廠與新創小廠都擁有成長機會,為雲端服務業者與企業客戶提供基於開放軟硬體平台下的客製化產品。 上述的產業樣貌與過去PC領域不同,Intel已掌握上述趨勢,併購Barefoot後藉由其乙太網路領先且創新的技術,不再創造自有標準而於相同基礎上提出更具競爭力的產品,帶領整個生態系做大市場規模。  
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簡化ADAS閘道設計 TI推低功耗處理器

德州儀器(TI)日前推出新Jacinto 7處理器平台,該平台提供強化深度學習的能力與進階網路,有利於解決先進駕駛輔助系統(ADAS)及車用閘道器應用面臨的設計挑戰,促使環境感知能力提升,並加速整合車輛數據資料運算能力。 德州儀器推出兩款車用裝置提升車輛性能。 本次推出的兩款車用裝置,具備用於區隔與促進如電腦視覺和深度學習這類數據密集型任務的專用晶片加速器。新品分別為用於ADAS的TDA4VM處理器,以及用於閘道系統的DRA829V處理器平台,兩者各包含一個功能安全微控制器,並共享同一軟體平台,除使OEM廠商和一級供應商能利用單晶片支援ASIL-D安全性關鍵任務(Safety-critical Tasks)並保有便利性外,更使開發者能在多個車輛領域中重覆使用現有已建置的軟體,降低系統複雜性與成本。 為了使車輛接收大量訊息,處理器或系統單晶片必須快速及高效即時管理多階層處理,並在系統功率預算內運作。TDA4VM處理器為此提供晶片分析,結合感測器預先處理功能,實現更高系統效能,使OEM廠商和一級供應商能以高解析度8-MP攝影機支援前置攝影機應用,讓視野更廣,同時增加駕駛輔助等先進功能。 此外,該處理器使用5到20W的低功率執行高性能ADAS運作,且無需主動冷卻;能夠同時操作4到6個3MP攝影機的特性,使該處理器將雷達、光達與超聲波等其他感應模組融合在單一晶片上,因此可作為ADAS的中央處理器,並支援自動停車中關鍵功能,如環繞景象與圖像顯示處理,提升車輛360度的環境感知系統。 隨著車用技術進步,車用閘道器亦需靈活的處理器管理大量數據,並支援不斷變化的自主需求與強化的連接性能。DRA829V處理器則加速軟體定義車輛的數據資料庫,整合現代車輛所需的計算功能及晶片上的PCIe交換器。同時亦整合支援TSN的8埠gigabit乙太網路交換器,使車輛享有更快的高性能計算和通訊功能。 兩款新裝置除了使OEM廠商與一級供應商能在單一裝置支援混合關鍵性(Mixed-criticality)應用外,其高頻寬晶片亦使開發者易管理車輛中軟體的開發與驗證,使系統得以不斷升級。
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