結合AI的超高效能數據機：實現無所不在的高速順暢通訊
數據機（Modem）一詞涵蓋各式種類，從1990年代個人電腦上網使用的撥接數據機，到數位用戶線路（Digital Subscriber Line，DSL）、纜線等有線通訊數據機，乃至蜂巢式網路和無線網路所使用的無線數據機。然而，現今在行動通訊產業所談論的數據機，通常指支援LTE和5G無線通訊的蜂巢式數據機。
智慧型手機中，終端數據機負責透過與基地台交換訊號，完成接聽電話、傳輸與接收資料的任務。我們能夠隨時隨地撥打電話、觀看影片，皆歸功於高效能的蜂巢式數據機。如今，新一代的蜂巢式數據機可全面支援2G至5G。
蜂巢式數據機首先應用於1G類比通訊，僅可撥接電話。2G時代開始採用數位訊號（註一），出現SMS簡訊等附加服務。3G為手機上網的開端，奠定行動寬頻網路（註二）的發展基礎。4G則真正開啟手機寬頻時代，可順暢觀看HD影片。而韓國於2019年率先商用化的5G網路，目前速度已達10Gbps，並具備低延遲與超連結的特性，除行動通訊，亦廣泛應用於各個領域。
▲ 各代行動通訊技術特點比較。
進入LTE時代後，資料傳輸大幅加速，使手機功能足以媲美電腦。三星電子早在2000年代前便已嘗試自主研發數據機，並於2007年正式投入LTE數據機晶片研發，在充分掌握2G與3G技術後，2009年領先全球推出LTE商用數據機。
▲ 數據機與基地台之間的通訊運作流程。
2012年，首款搭載三星自研LTE數據機的Galaxy S系列手機問世。2019年整合式5G SoC Exynos登場，為業界首創整合5G通訊數據機與行動應用處理器的晶片。Exynos將兩種不同功能的晶片合而為一，既提升能源效率亦減少佔用空間，簡化手機設計。目前，Exynos的5G（註三）數據機不僅支援sub-6GHz，也支援28GHz與39GHz毫米波等極高頻段（Extremely High Frequency）；其優勢在於sub-6GHz擴大了服務覆蓋範圍，毫米波則提供靠近基地台的超高速通訊。
如今，三星已躍升全球前三大5G數據機設計品牌。「一般而言，數據機必須同時支援5G等新技術，以及3G、LTE等商用化技術，研發挑戰很高，同時也需投入龐大資金，因此全球僅少數廠商有能力生產數據機晶片。」三星電子副總裁Jungwon Lee表示，他為訊號處理專家，現率領系統半導體事業部數據機研發團隊，並曾任職於美國三星電子裝置解決方案事業群和美國三星研究院隊。「而且從演算法，到晶片設計、軟體開發再到實地測試，研發時間軸十分長。」
▲三星數據機研發團隊副總裁Jungwon Lee（右）和專案負責人Huiwon Je（左）致力提升蜂巢式數據機研發效能。
三星正於全球各地進行實地測試，盡可能擴展服務覆蓋範圍，並多管齊下提升基頻訊號處理表現，包括借助AI技術以加快傳輸速度。因此，去年三星成功打造結合AI演算法的數據機，並朝商用化目標邁進。Lee表示：「數據機有了AI處理器加持，可大幅降低訊號干擾、顯著優化能源效率，進而推升整體效能。」
除了完善5G，三星的6G研發亦正如火如荼展開。Lee接續說道：「現階段將著重打造全球頂尖的5G數據機與5G-Advanced數據機，同時與美國三星電子裝置解決方案事業群和三星研究院合作，為即將來臨的6G時代，進行6G數據機研發準備。」Jungwon Lee於數據機訊號處理技術領域貢獻卓著，獲選美國電機電子工程師學會（IEEE（註四））會士。
「6G數據機的傳輸速度有望達到1Tbps等級，支援衛星通訊等不同類型網路，應用範圍從智慧型手機擴展至汽車、物聯網和AR、VR等多樣化場景。為順利接軌6G，必須有豐富頻段作為後盾，包括太赫茲（THz）在內，還需要至少上百組的多天線架構，以及先進的AI技術與通訊網路的高效訊號處理技術。」
於此同時，在Lee的帶領下，三星致力打造業界最佳Android手機數據機。Lee表示：「短期將以擴展5G業務為重，中長期目標為搶先佈局6G，站穩領導地位。」三星計畫大幅擴編數據機研發團隊，以實現上述目標並拓展相關商機。
當被問及熱衷數據機研發的原因，Lee回答：「能夠於全球數據機領導品牌服務，並實際參與研發，我非常自豪。就我個人而言，看見所學的理論知識一一套用於實際產品當中，是很特別的體驗；隨時隨地順暢通話與高速上網為現代人的日常，而數據機正是便利生活的關鍵推手，三星數據機研發團隊將秉持熱忱，持續致力於研發工作。」
強化速度與穩定表現，連結無遠弗屆
蜂巢式網路與連結性為行動無線通訊領域的兩大技術標準。蜂巢式網路由3GPP（第三代合作夥伴計畫（註五））主導，涵蓋CDMA、LTE和5G等標準。此類網路由多個基地台基礎架構組成，將特定頻段中的不同頻寬授權於電信業者使用。連結性則以IEEE 802.11（Wi-Fi）／802.15（藍牙、ZigBee、UWB（註六））標準為代表，採用公用ISM頻段，並依據各地電信標準，提供公共的室內網路服務。
▲規範不同類型無線網路的Wi-Fi協定
「蜂巢式網路」為一種行動通訊架構，主要由覆蓋廣泛的既有網路組成。另一方面，「連結性」可使短距離內的裝置無線存取，無須透過業者的網路架構，即能創造無線、可攜式的便利體驗。其中，Wi-Fi於室內長距離連線的表現突出，傳輸速度較蜂巢式網路快又穩定，所以手機或筆電上網時，多數選擇連接Wi-Fi。與點對點（peer-to-peer，P2P）網路相同，Wi-Fi較適合選擇性且密集型的通訊，必要時可支援高速傳輸，更符合擴增實境（AR）與虛擬實境（VR）等新世代物聯網裝置的需求。
現今已難以想像沒有Wi-Fi的生活，但不要忘了，20年前無人預料到Wi-Fi將成為最普及的無線通訊技術。然而，隨著智慧型手機將以技術作為研發重點，市場逐漸意識到，於資料量爆炸的時代，Wi-Fi為最佳解方；且相較於蜂巢式網路，Wi-Fi建置與營運成本低，所以仍然呈倍數成長。
與採用基礎架構網路的蜂巢式系統不同，Wi-Fi的資料鏈路範圍最多不過幾百公尺，為標準的區域型網路。此外，其使用不須授權的頻寬，容易受其他電信系統干擾，恐怕無法達到進階服務品質（Quality of Service，QoS（註七））。然而，受惠於蜂巢式網路與Wi-Fi匯流技術的日益進步，Wi-Fi便利性只增不減，提供不中斷的上網體驗；而全球早已將Wi-Fi視為公共基礎架構，非僅為一種網路技術。
「2016年，三星成立專門團隊，研發與Exynos處理器整合的Wi-Fi技術。」三星連結性研發團隊執行副總裁Joonsuk Kim表示，2016年加入三星的他，旋即擔任此新團隊的負責人。「不過四、五年的時間，我們從傳統通訊協定一路進展至第六代Wi-Fi（Wi-Fi 6），確保技術穩定且完備。儘管當時團隊沒有足夠資金與人才，我們的技術仍很快迎頭趕上。」他回憶道。
▲ Exynos的Wi-Fi技術水準短短六年內便直逼領導品牌
繼研發Wi-Fi 6E與前幾代Wi-Fi協定，並達成商用化後，三星電子目前正著手研發Wi-Fi 7，預計將應用於新世代旗艦級離散式數據機晶片。由於Wi-Fi需適用於所有可支援最新協定的行動裝置和物聯網裝置，舊版協定的效能必須提升，除了維持於一定水準，還需兼顧最新協定的效能表現。最新Wi-Fi 7協定預計於2024年問世，其特色為擁有多重連接模式（Multi-Link Operation，MLO（註八））、通道頻寬擴展至320MHz並支援4096QAM調變（註九）。得益於此，其資料傳輸速度與容量雙雙升級、提升電源效率，於人潮密集處提供不中斷的無線上網體驗。
▲ 全球Wi-Fi市場規模預估從2022年的47億美元成長至2027年的60億美元。
資料來源：《LANCOM（德國數位政策調查報告）》，TSR（2022年六月）
為使Wi-Fi速度更上層樓，處理器內部的核心結構必須更複雜，且搭載高容量記憶體。
Kim說道：「為此，我們正專注研發多處理器結構，掌握高速傳輸必要的IP。儘管目前Wi-Fi解決方案仍由外國品牌主導，但Exynos採用的Wi-Fi技術，為韓國唯一大規模的商用化解決方案。因此我有信心，三星研發的行動SoC嵌入式Wi-Fi解決方案絕對首屈一指。」
唯有最好的產品才能滿足市場需求，因此，於Wi-Fi競爭中，居於領先至關重要。雖多數人對Wi-Fi的高技術含量無實際概念，但可隨時隨地擁有快速不中斷的Wi-Fi，無疑是廣大用戶的基本要求。
Kim表示：「電信業者在行銷手機產品時，常大力強調其蜂巢式網路連線能力，所以消費者普遍對於LTE、5G等技術創新較有感。相較之下，大眾似乎沒有意識到Wi-Fi技術的發展有多麼快速。」
▲三星執行副總裁Joonsuk Kim深耕連結性領域20年。
儘管如此，談及Wi-Fi未來是否仍將扮演重要角色，Kim給予肯定的答案。
Kim表示：「目前透過Wi-Fi傳輸的資料量，占整體無線傳輸的七至八成（註十）。蜂巢式網路和連結性技術擁有各自的適用情境，且短期內不會產生較大的改變。Wi-Fi和蜂巢式網路應攜手前進、相輔相成。IT存在於生活的各個層面，因此致力消除室內訊號死角，確保Wi-Fi網路快速穩定，為技術發展的關鍵重點。」
若需完整掌握AR、VR和元宇宙等新應用商機，Wi-Fi必須具備高速度與低延遲的優勢。
Kim解釋：「Wi-Fi使用2.4GHz、5GHz和6GHz等低頻頻段，因此繞射程度較高，資料傳輸相對快速穩定。」
隨著6GHz頻段將可用頻率提升至320MHz，裝置間以超高速、低延遲的網路連結，有望比預期更早成真。Kim特別強調Wi-Fi在其中扮演的關鍵角色同時，三星連結性研發團隊已透過採用L5衛星和感應器校正技術實現高精準定位，完成新一代藍牙（BT5.2）和全球導航衛星系統（GNSS）的研發與商用化，並應用於旗艦產品；近期更達成公分等級精準度的室內定位。Kim進一步提到，若其能結合超寬頻（UWB）－專為測距而研發、正準備首次商業應用的技術，將發揮強大效能，未來有望支援高規格物聯網服務和應用。
Kim最後提及：「為使新產品具備領先優勢、長期競爭力與發展性，同時提前確保產品具有高度穩定性與相容性，我認為採用無線存取點（註十一）和打入相關市場是關鍵。」
保護手機用戶隱私：強化單獨保護執行環境的安全性（iSE）
時至今日，智慧型手機肩負多重任務，最重要的兩項為擔任身分證和錢包角色。以生物辨識、行動身分證（eID）和Samsung Pay為例，使用上述服務通常需要驗證用戶身分，但過程中難保不會有駭客趁虛而入。有鑑於此，手機必須於軟體外再多一層安全防護，亦即硬體、甚至是半導體。
手機裡負責安全防護的半導體稱為安全元件（Secure Element，SE），通常單獨嵌入於SoC外的元件（eSE，embedded Secure Element）。但Exynos 2020則採用內嵌於SoC安全區塊的整合式安全元件（iSE，integrated Secure Element）。
三星設計平台研發團隊副總裁Jongwoo Lee表示：「我們將Exynos嵌入式iSE研發專案命名為『STRONG』，即新世代安全防竄改（Secure Tamper-Resistant of Next Generation）的縮寫。iSE為SoC中單獨執行安全程式的操作環境，不僅具備eSE可單獨外掛的功能，還可控制SoC的安全性。其擁有的進階處理能力推動了高效能表現，同時可安全擴展至外部記憶體，例如DRAM和快閃記憶體。不只如此，其還能進一步保護主動式安全模組中的SoC。」
▲ （左起）AP S/W研發團隊的Keunyoung Park、設計平台研發團隊副總裁Jongwoo Lee、專案負責人Bogyeong Kang和Sunghyun Kim竭力為行動裝置打造最佳安全環境。
iSE的任務為裝置安全與安全服務。裝置安全著重於提升裝置本身的安全性；安全服務則是保護儲存於裝置內的個資，如行動身分證、行動支付與汽車鑰匙。
Lee提到：「團隊於今年年初完成概念驗證（PoC）並成功研發iSIM（註十二），即iSE中可用性最高的服務。其中，三星研究院負責打造iSE安全作業系統（Camelia），數位安全公司Thales負責研發iSIM安全應用，經雙方密切合作才得以實現。」
iSIM將SIM卡功能整合於SoC，是嵌入式SIM卡（eSIM）的升級版。此舉大添便利性，如用戶欲更換電信業者，不需換SIM卡則可同時擁有兩組以上電話號碼，並於一台裝置上使用多家電信公司的服務。以手機廠商角度而言，因iSIM如同離散式eSIM，不需單獨對應的半導體即可直接於SoC內運行，能省去SIM卡卡槽並減少零組件佔用空間，為一大優點。
▲uSIM、eSIM和iSIM尺寸比較
成功研發iSIM對三星來說意義重大，研發團隊克服重重挑戰，以達成嵌入式iSIM的技術環境要求。
Lee表示：「iSIM須符合全球行動通訊系統協會（GSMA）技術要求，亦即嵌入作業系統軟體和硬體的iSIM皆須通過CC EAL4+（註十三）安全認證。而三星硬體的安全等級較標準更高一級，達到CC EAL5+。我們更研發出可以安全嵌入大型SIM設定檔（profile）的外部記憶體。」
「三星是唯一一家同時供應eSE和iSE的品牌，也就是eSIM和iSIM的基本技術。手機廠商皆可輕鬆導入三星解決方案，且擁有更高彈性。我相信，沒有所謂『完美』的安全解決方案，但三星仍盡力於技術方面盡善盡美。團隊將持續研發高安全性的執行環境，以適應不同平台多樣的安全功能。」
註一：數位通訊：將類比訊號轉換為數位訊號，傳輸至另一方，再轉換至人類可辨識的類比訊號。相較類比通訊，可實現高品質與大容量資料傳輸。
註二：行動寬頻：支援行動裝置（如智慧型手機和平板）高速多媒體網路服務的技術。
註三：New Radio（NR）：為第五代行動通訊技術，涵蓋sub-6 GHz和毫米波（24-100 GHz之間的高頻頻段）。毫米波擁有超高速、超低延遲和超連結的優點，美中不足為繞射程度低。
註四：美國電機電子工程師學會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE），亦為全球最大規模的技術組織。
註五：第三代合作夥伴計畫（3GPP）：成立於1998年十二月，為全球行動通訊標準化技術合作組織，旨在制定無線通訊相關國際標準，如GSM、WCDMA、GPRS和LTE。
註六：超寬頻（Ultra-Wideband，UWB）：此技術將最大發射功率限制於-41.3 dBm/MHz以下，避免干擾其他無線訊號，但採用大頻寬（500MHz）實現高傳輸速率。
註七：服務品質（Quality of Service，QoS）：為一種確保網路通訊服務品質的機制，延遲時間或資料損失率低於一定水準；也指事先約定或定義的通訊服務等級。換言之，QoS為多種技術的總稱，透過有效分配頻寬和優先順序，將不同應用的資料傳輸需求與可用的網路資源自動配對，以一致且穩定的速度，將資料快速傳送至目的地。
註八：多重連接模式（Multi-Link Operation，MLO）：此技術可同時連接不同頻段上的多個通道。
註九：4096 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調變）：透過調變同相載波訊號與正交相位載波訊號的振幅和相位，調整資料傳輸，尤其適用於以較窄頻寬傳輸大量資料的情境；4096QAM中每個符號承載12位元資料。
註十：出自〈Cisco VNI predicts bright future for Wi-Fi towards 2022〉，2019年2月22日。
註十一：無線存取點（Wireless Access Point）：無線區域網路中作為基地台的低功耗無線設備，亦稱為Wi-Fi訊號延伸器、Wi-Fi訊號放大器或無線訊號延伸器。
註十二：整合式SIM卡（iSIM）：一種內建的用戶身分模組，亦稱為整合嵌入式通用積體電路卡（ieUICC）。
註十三：共同準則評估保證等級（Common Criteria Evaluation Assurance Level，CC EAL）：共同準則（CC）為評估IT產品和特定網站安全性的國際標準；評估保證等級（EAL）為界定安全評估的等級。
