探索游戲中的半導(dǎo)體技術(shù)

為了滿足游戲玩家們的無度索求，游戲機(jī)制造商研發(fā)新一代機(jī)種的腳步永遠(yuǎn)不會停歇，性能更為強(qiáng)大的家用游戲機(jī)將會是游戲產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。搭著半導(dǎo)體技術(shù)突飛猛進(jìn)的順風(fēng)車，新一代游戲機(jī)的功能也如虎添翼。本文將介紹新一代游戲機(jī)在硬件設(shè)計(jì)上的新發(fā)展趨勢。

自從1945年計(jì)算機(jī)誕生之后，晶體管與IC芯片陸續(xù)被發(fā)明出來。盡管第一家發(fā)明電子游戲的美國公司雅達(dá)利于1985年破產(chǎn)，然而游戲機(jī)的發(fā)展腳步并沒有因此停止。從1983年任天堂開發(fā)了第三世代游戲機(jī)Family Computer(FC)，也就是大家耳熟能詳?shù)募t白機(jī)之后，此款游戲機(jī)為整體游戲機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來了先進(jìn)的開發(fā)理念與革命性的游戲技術(shù)，因此許多人將這款任天堂的紅白機(jī)當(dāng)作游戲機(jī)的開山始祖。

游戲機(jī)負(fù)起娛樂大眾的重責(zé)大任，不僅受到了兒童和青少年的歡迎，許多成年人也樂此不疲。目前最新一代的游戲機(jī)分別是微軟的Xbox 360、Sony的PS3與任天堂的Wii，搭著半導(dǎo)體技術(shù)突飛猛進(jìn)的順風(fēng)車，新一代游戲機(jī)的功能也如虎添翼。接下來本文將介紹新一代游戲機(jī)在硬件設(shè)計(jì)上的新發(fā)展趨勢。

Power處理器為最大贏家

處理器市場盡管看似穩(wěn)定，幾家處理器龍頭地位看似難以撼動，但事實(shí)上彼此間的競爭詭譎無法捉摸。一向以CPU微處理器睥睨市場群雄的Intel，有了蘋果計(jì)算機(jī)(Apple)宣布采用Intel處理器的加持，更為意氣風(fēng)發(fā)。而一向與Intel關(guān)系密切的戴爾(Dell)則開始陸續(xù)采用超微(AMD)的處理器作為下一代產(chǎn)品的處理核心。盡管戴爾與蘋果計(jì)算機(jī)的訂單陸續(xù)流失，但這不并影響IBM持續(xù)發(fā)展其處理器的雄心。在中國所舉行的Power.org處理器聯(lián)盟大會上，IBM已經(jīng)陸續(xù)得到Sony、Cadence、Chartered、緯創(chuàng)及EDA業(yè)者M(jìn)entor Graphics等三十多家公司的加盟。IBM計(jì)劃提供開放性的平臺，讓這些公司可共同設(shè)計(jì)出以Power架構(gòu)為基礎(chǔ)的處理器芯片、系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等產(chǎn)品。

隨著蘋果計(jì)算機(jī)與戴爾相繼舍棄Power處理器，個人計(jì)算機(jī)顯然已經(jīng)不是IBM的主戰(zhàn)場了。IBM在過去銷售的Power處理器中，應(yīng)用于個人計(jì)算機(jī)的比例逐漸偏低，目前IBM的目標(biāo)是以機(jī)頂盒、游戲機(jī)與數(shù)字電視等領(lǐng)域?yàn)橹髁Α?BR>
過去IBM為了擺脫虧損，將芯片與計(jì)算機(jī)部門整合為一，并將所有研發(fā)能量集中于Power處理器上。未來IBM所制造的處理器，除了供自己產(chǎn)品所使用之外，并有部分將用于客戶的產(chǎn)品，如任天堂游戲機(jī)、蘋果的G5計(jì)算機(jī)以及思科的網(wǎng)絡(luò)處理器等產(chǎn)品上。

IBM每年僅研發(fā)經(jīng)費(fèi)就將近50億美元，因此其Power處理器效能比Intel與AMD的處理器好上許多，而IBM也將其新一代采用Power架構(gòu)設(shè)計(jì)的Cell處理器引進(jìn)消費(fèi)性電子市場，成功取得Sony PS3、微軟Xbox 360與任天堂Wii等游戲機(jī)訂單。

以IBM為任天堂Wii游戲機(jī)所設(shè)計(jì)與制造的主機(jī)微處理器百老匯(Broadway)為例，百老匯是IBM以Power微處理器架構(gòu)所設(shè)計(jì)、預(yù)定供應(yīng)給任天堂 Wii 主機(jī)所使用的微處理器，由IBM位于美國紐約州East Fishkill的12寸晶圓廠，以90nm絕緣層上覆硅(SOI)制程生產(chǎn)。透過SOI技術(shù)，使百老匯在提供充分效能的同時，也達(dá)到省電20％的目標(biāo)。除了與任天堂合作研發(fā)Wii主機(jī)的微處理器百老匯之外，包括微軟Xbox 360主機(jī)與Sony PS3主機(jī)也都是采用與IBM合作研發(fā)生產(chǎn)的Power架構(gòu)微處理器，因此IBM可說是這場游戲機(jī)大戰(zhàn)中最大的贏家。

圖1 IBM為Wii所開發(fā)的Broadway處理器

另外據(jù)了解，微軟也已經(jīng)決定與目前的處理器合作伙伴Intel和IBM分道揚(yáng)鑣，進(jìn)而自行研發(fā)新一代Xbox游戲機(jī)處理器。據(jù)紐約時報(bào)報(bào)導(dǎo)，微軟已經(jīng)開始在內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室研發(fā)新一代Xbox游戲機(jī)處理器。為此，微軟還專門成立了計(jì)算機(jī)架構(gòu)部門，由工程師Charles Thacker帶隊(duì)。而未來語音識別將成為游戲機(jī)的重要功能之一，這也將是微軟研發(fā)游戲機(jī)處理器的主要方向之一。

電容式感測技術(shù)提升操控樂趣

對電玩游戲來說，繪圖與處理速度或許最能直接限制或展現(xiàn)游戲中軟件的開發(fā)狀況，但主機(jī)控制器(console controller)也一樣非常重要。電玩控制器的接口方式不斷推陳出新，目的就是為了能與屏幕上所顯示出來的場景進(jìn)行更有效的互動。盡管多數(shù)電玩游戲的開發(fā)都著重在軟件和處理器上，但許多重大的創(chuàng)意和前瞻想法都與控制器相關(guān)。由于游戲系統(tǒng)及周邊廠商努力改善玩家與其系統(tǒng)互動的方式，因此無論是在人體工學(xué)、風(fēng)格、功能或是特色等方面都不斷地在開發(fā)改進(jìn)。

游戲機(jī)搖桿從最早期簡單的一個搖桿配合一顆按鍵，演變至今已變得復(fù)雜無比?，F(xiàn)在許多游樂器搖桿都具備比以往更多的功能按鍵，而且每個按鍵都擁有更強(qiáng)大的功能。例如具備壓力感應(yīng)間斷作用的按鍵，對于駕駛類電玩游戲中的煞車與加速控制上觸發(fā)作用可獲得更好的控制；而按鍵組合在格斗游戲中也常被用來激活特殊功能與動作；震動功能(rumble-packs)則可讓玩家能體驗(yàn)聲光效果外的真實(shí)感覺。對這些功能來說，電容式感測技術(shù)是最新的接口技術(shù)，能提高游戲控制器的可用性，并提供良好的機(jī)械設(shè)計(jì)。

電容式感測最常用于個人計(jì)算機(jī)觸控板與便攜式媒體播放器上。此外，手機(jī)制造商也開始投入資金來推廣其用途，并已開發(fā)出數(shù)種機(jī)型銷售上市。簡單的架構(gòu)、裝置防水性及堅(jiān)固的機(jī)械式設(shè)計(jì)等都是電容式感測接口極具吸引力的特性。

目前Cypress所提供的PSoC混合訊號數(shù)組(Mixed Signal Array)是一套可配置式的數(shù)字與模擬資源數(shù)組、閃存與RAM、一個8位微控制器，以及其它許多功能。這些功能讓PSoC可在其CapSense系列組件中建置各種創(chuàng)新電容式感測技術(shù)。利用PSoC的直覺式開發(fā)環(huán)境來配置或重新配置組件設(shè)計(jì)，能符合設(shè)計(jì)規(guī)格與規(guī)格變更之需求。這項(xiàng)新的感測技術(shù)展現(xiàn)了更好的靈敏度與抗干擾能力，并能降低功耗、提升更新速率。

電容式傳感器是在印刷電路板中連接至控制器電路上的銅片(pad)。感測按鍵與其連接導(dǎo)線的組合會在其周圍產(chǎn)生電容。設(shè)計(jì)時所考量的接地面、金屬支撐裝置、還有其它電子與機(jī)械組件都會影響傳感器的電容值。當(dāng)具有導(dǎo)電性的觸發(fā)物質(zhì)(例如手指)靠近傳感器到一定程度時，該電容值就會增加。在電容式傳感器的前端是由切換式電容器(switched capacitors)、內(nèi)部電流源或是具有外部電阻器的電壓源所組成。這些方法都是為了要在感測電容器上輸入電壓值。而該電壓值可透過ADC、或由比較器所構(gòu)成的充電時間量測電路之處理，然后到達(dá)計(jì)數(shù)器或定時器。數(shù)字輸出值被電容式感測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和決定(decision-making)所使用時，則會在ADC輸出值中產(chǎn)生轉(zhuǎn)變或在電容質(zhì)中的計(jì)數(shù)值產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)變。

MEMS提供六軸感應(yīng)新技術(shù)

任天堂(Nintendo)在其所推出的Wii游戲機(jī)上采用三軸動作信號處理(three-axis motion signal-processing)技術(shù)。這樣的新品推出也把游戲機(jī)產(chǎn)業(yè)的競爭焦點(diǎn)從快速、強(qiáng)大的處理引擎轉(zhuǎn)移到使用接口上。

ADI和意法半導(dǎo)體(ST)兩家公司是此種游戲機(jī)微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)感應(yīng)器的主要供貨商。該系統(tǒng)由兩個控制器單元組成：主控制器和自由式單元，每個單元都由一個動作感應(yīng)器驅(qū)動。任天堂所開發(fā)的這個控制器平臺已用于該公司下一代游戲機(jī)Wii上。另外，Sony Computer Entertainment也不落人后，緊接著也宣布其Playstation 3游戲?qū)⒓{入采用了六軸感應(yīng)系統(tǒng)的游戲控制器。

雖然傳統(tǒng)的游戲控制器需要使用兩手來掌控，但Wii的主控制器和自由式控制器被設(shè)計(jì)成單手掌握。玩家可以揮舞、瞄準(zhǔn)、扭曲和轉(zhuǎn)動，就像是其手中的劍、摩托車把手或者網(wǎng)球拍一樣。有些游戲?qū)⒅恍枋褂弥骺刂破鳎行﹦t需要同時使用兩個控制器。

而對于新一代游戲應(yīng)用比較關(guān)鍵的是MEMS組件能夠感應(yīng)玩家在三維空間上的動作的能力，例如前/后，左/右和上/下。當(dāng)控制器被抓在手上的時候，系統(tǒng)就會根據(jù)控制器加速度感知動作、深度和位置情況。透過把核心MEMS感應(yīng)器技術(shù)用于游戲領(lǐng)域，游戲玩家便可以簡化游戲過程，并使其更加自然，且不用再擔(dān)心按錯按鈕。任天堂新的家用游戲主機(jī)Wii在其motion-activated用戶接口上便采用了前述ST的三軸加速傳感器。Wii控制器為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)所驅(qū)動，以微型技術(shù)與真實(shí)世界產(chǎn)生互動，其優(yōu)點(diǎn)在于能以三維檢測游戲玩家的運(yùn)動及傾斜程度，并將這些資料立即轉(zhuǎn)換到游戲動作中。

圖4 Wii游戲機(jī)已具備三軸加速傳感器

這種控制器使用嵌入式加速傳感器讓使用者的手婉、手臂及手部運(yùn)動能夠與游戲互動。傾斜測量功能則能讓使用者任意移動，而精確的三軸加速傳感器能容易將該控制器轉(zhuǎn)換為虛擬寶劍(virtual sword)、變速排檔(gearshift)或樂器等虛擬動作。

這種加速傳感器的尺寸僅有5