●最新MIPI仕様としてM-PHYが最終承認へ

M-PHY仕様は，「まったく新しい高機能な高速インターフェースを策定する」というMIPIアライアンスのビジョンの中核に位置づけられる規格です．MIPIアライアンスのメンバ企業は，「携帯電話には年々広い伝送帯域幅が求められること」，そして「これに対応した高速シリアル・インターフェースが必要になること」を早い時期から認識していました．現在では，ビデオ・コンテンツやソーシャル・メディア，クラウド・コンピューティングの利用が拡大し，広帯域化の要求はさらに高まっています．そして携帯電話は，M-PHYのような，より高速な物理層インターフェースを必要としています．エンド・ユーザが満足する高速応答の実現に必要なデータ転送速度は，年々上昇しているのです．現在，普及しつつある他のMIPI標準の成功に後押しされる形で，M-PHYもまた，最新MIPI規格として最終的な承認へ向けてはずみが付きました．

ソース同期方式のインターフェースであるMIPI D-PHY規格は，携帯電話のアプリケーション・プロセッサとカメラ，あるいはプロセッサとディスプレイの間のインターフェースとして採用されています．D-PHYは有用なインターフェースですが，その同期方式の制約によりデータ転送速度に上限（最大1Gbps）があり，さらなる高速化の要求に応えることはできません．

携帯電話の業界はさらに強力な物理層インターフェースを求めています．それは非同期転送に対応し，チップ間接続に伴う高速信号伝送と信号品質（シグナル・インテグリティ）の問題に対処できる物理層インターフェースです．携帯電話内部では，回路基板の実装密度はより高くなり，電磁放射ノイズ（EMI：Electro-magnetic Interference）の影響はますます大きくなっています．その一方で，電力消費を最小化することが継続的に求められています．

●M-PHYは多芸多才の花形役者

まさに芸達者な花形役者であるかのように，M-PHYインターフェースはさまざまな役柄を演じ分ける能力を備えています．

当初M-PHYインターフェースは，MIPIアライアンス内部ですでに策定済みの，あるいは策定途中のいくつかの仕様の”寄せ集め”という扱いでした．M-PHYの仕様はカメラのシリアル・インターフェース（CSI），ディスプレイのシリアル・インターフェース（DSI），そして汎用プロトコル（UniPro）を包含してます．

CSIとDSIは分かりやすい仕様です．これらはアプリケーション・プロセッサとカメラ，あるいはアプリケーション・プロセッサとディスプレイの間のプロトコル・インターフェースを定義しています．

UniProの仕様は包括的で，汎用のチップ間通信プロトコルとして機能します．また，他のプロトコルを隠ぺいする共通のトンネル機能を提供します．M-PHYインターフェースは当初，UniPro仕様のための物理層インターフェースとして設計されました．M-PHY仕様は二つの信号方式を採用しており，自己クロック（ソース同期）と埋め込みクロックの両方式に対応しています．加えて，この仕様には高速通信と低速通信の二つのオプションが用意されています．高速通信オプションを利用すると，M-PHYインターフェースはUniProが備える「高速」，「低消費電力」，「低コスト」の利点を100％引き出せます．

最初にM-PHYインターフェースの多才さが明らかになったのは，DigRFアライアンスがMIPIアライアンスに取り込まれたときでした．DigRFアライアンスは携帯電話プラットホームにおけるベースバンドIC（BBIC）とRFチップの間のインターフェース仕様を策定していました．この新しい仕様には，ディジタル・ベースバンドICとRFチップの間の論理的仕様，電気的仕様，およびタイミング特性が定義されています．そして，新しい物理層部分には，M-PHYが使われています．

さらにM-PHYインターフェースはJEDEC（電子部品関連の標準化団体）により，先行して規格化が進んでいたUFS（Universal Flash Storage）仕様の理想的な物理層インターフェースとして承認されました．UFS仕様は，さまざまな不揮発メモリに対応し，広範なレベルの接続性を実現する高位のインターフェースです．これは現在，フラッシュ・メモリ・モジュールを取り扱うJEDECのJC-64委員会の中で開発されています．

このような明るい動きがきっかけとなり，低消費電力メモリを取り扱うJEDECのJ42.6小委員会もまた，「次世代携帯電話の物理層インターフェース」という新たな役柄を，M-PHYに演じさせようと考えています．

これらの動きがひと段落ついた頃，M-PHY仕様は，上位層のMIPI仕様と組み合わせて利用される標準的な物理層インターフェースとなることでしょう．仮にMIPIアライアンスの理事会が前述の規格化の取り組みを承認していなければ，M-PHYの適用範囲は大幅に制限されていたかもしれません．

●M-PHYに対する13の要求

M-PHYはシリアル・リンクとして定義されています．その大ざっぱな目的は，以下のとおりです．

• 少ピン数に対応．すべての制御信号はインターフェースの帯域幅の中で処理される
• 電気インターフェースと光インターフェースの両方に対応．光インターフェースは，シンプルな電気-光信号変換で実現
• 10cm未満の伝送に最適化されているが，数mの長距離伝送にも対応
• 広範な速度要求（10Mbps～6Gbps）に対応
• バースト・モード転送時も電力効率の制約を満足
• クロック方式は共有（リファレンス）クロックと非共有クロックを利用
• 半導体ファウンドリの製造プロセスに依存しない
• 電磁放射ノイズ（EMI）に強い
• 電力効率を向上させるため，複数のデータ転送モードを用意
• 多様なアプリケーションの要求に応えたり，干渉の問題を緩和したりするため，複数の帯域幅およびデータ転送速度に対応
• 高速モードではデータ転送速度固定，低速モードでは規定の範囲内で速度可変
• スペクトラム調整のためのシンボル符号化（8b/10b），クロック再生，物理層とプロトコルの両レベルでのバンド内制御オプションを用意
• 構成の工夫でコストを削減したり，チューニングによって性能を引き上げることが可能

高速処理が求められるいくつかのアプリケーションでは，M-PHYがD-PHYに取って代わると考えられます．そしてシステム設計者は，どちらの物理層インターフェースを使うべきかを選択することになります．

表1にD-PHYとM-PHYの比較を示します．また図1に，D-PHYあるいはM-PHYを利用するカメラ/ディスプレイ・サブシステムのイメージを示します．

●変速ギアで幅広い要求に対応

M-PHYシステムの基本アーキテクチャを図2に示します．

各リンク（LINK）は二つのサブリンク（SUB-LINK）から構成され，サブリンクは一つ以上のレーン（LANE）を含んでいます．レーンの実体はピン（PIN）間をつなぐポイント・ツー・ポイントの1方向の差動シリアル接続で，これはライン（LINE）と呼ばれています．ラインは，M-PHY送信器（M-TX）とM-PHY受信器（M-RX）の間をつなぎます．同じ方向のレーンが複数集まって，一つのサブリンクを構成します．また，逆方向の二つのサブリンクと管理機能を合わせたものが，一つのリンクになります．例えばM-PHYインターフェースの動作は，DSIやCSI，UniPro，DigRFといった規格のプロトコル仕様の中にすべて定義されています．そして，これらのプロトコルがレーンを管理します．

M-PHYには，異なる二つのタイプの仕様が存在します．これらはType-I，Type-IIと呼ばれており，それぞれ信号伝送の方式が異なります．低速動作の場合，Type-IではPWM（パルス幅変調）信号を利用します．一方，Type-IIではシステム・クロックと同期したNRZ（Non Return Zero）符号の信号を利用します．

Type-IIの場合，ラインの両端で共有リファレンス・クロックが必要です．Type-Iの場合は，リンクのそれぞれの端に対して，独立のローカル・リファレンス・クロックがあれば問題ありません．

Type-IとType-IIの間に相互接続性はありませんが，ハードウェアを流用するため，両方のタイプに対応できるように回路を実装します．こうすることにより，一つのM-PHY回路を携帯電話内部の複数の用途で利用できるようになります．

図3に，M-PHYの二つのタイプのモジュールを示します．

PWM信号を利用するType-Iの仕様では，さまざまなデータ転送速度に対応できるように，モジュールには複数のギア（GEAR）が存在します．このギアは，ちょうど自動車の変速ギアのように，データ転送速度に応じて切り替わります．Type-Iの初期状態の（規定された）ギアはPWM-G1で，速度の範囲は3Mbps～9Mbpsです．このほかに六つのギアがあり，これらを使うと速度は倍々で速くなっていきます（PWM-G2～PWM-G7）．さらに，初期状態のギアより低速のギアが一つあります（PWM-G0）．こうしたギア・ベースのアーキテクチャとモジュール化の手法を採用することで，M-PHYは，システム要求に基づく最適なデータ転送速度と電力消費を実現しています．

M-PHYインターフェースは，オプションとしてハイスピード・モード（HS-MODE）をサポートします．ハイスピード・モードでは，初期状態のギア（HS-G1）と，その2倍，4倍の速度を実現する二つのオプション・ギア（HS-G2，HS-G3）を利用できます．あるハイスピードのギアを使用するときは，同時にそれより遅いすべてのギアをサポートしなければなりません．例えば，HS-G3のみをサポートする，というようなことは許されません．

それぞれのギアは，電磁放射ノイズを緩和するために二つのボーレート（伝送速度）に対応しています．例えばHS-G1は1.25Gbpsと1.45Gbpsの両方に対応します．これは，一つの携帯電話を二つの地域で出荷する際などに有効です．携帯電話は地域によって異なるベースバンド周波数を使っています．もし，ある地域において，一方のベースバンド周波数に対して電磁放射ノイズの干渉を受けたときは，もう一方の周波数を利用します．HS-G2とHS-G3は，それぞれ2.5Gbpsと5Gbpsに対応します．

一方，Type-IIの仕様では共有（リファレンス）クロックを使うので，クロック再生を行う必要はありません．

このようにアーキテクチャとクロック方式のオプションを用意することで，M-PHYは機能面の柔軟性を実現しており，これにより，さまざまなデータ転送の要求に対応できるようになったのです．

M-PHYの仕様書はまさに完ぺきな「台本」であり，チップ供給の観点では「開演」の準備が万端整った状態にあり，そして次世代携帯電話が求めるデータ転送速度と電力消費に対応できるだけの能力を身に付けています．

●携帯電話の複雑な回転機構に対応可能

M-PHYのような強力な物理層インターフェースの規格が策定されたのは，消費者が興奮するような新機能を開発しなければならないから，という理由だけではありません．携帯電話の信頼性を改善する，という理由もあります．クラムシェル型（折りたたみ）携帯電話のヒンジ部の接続には，機械的なストレスに耐えうる柔軟性，アプリケーションの要求を満足する高速データ転送，そして確実にデータを受け取れる高い信号品質が要求されます．

加えて，物理層インターフェースは，電力消費と電磁放射ノイズを最小限に抑えなければなりません．接続媒体には，伝統的に1mm未満の薄い銅配線が使われてきました．ハンドセット（送受話器）のデザインの妨げとならないように，また信号品質（シグナル・インテグリティ）に起因する不具合が残らないように，できるだけ少ない配線で接続する必要があります．これを実現することで，高速シリアル・インターフェースとしての魅力が高まります．

光リンクを利用すれば，優れたノイズ耐性とともに，堅ろう性や機械的な柔軟性を実現できます．また携帯電話の中には，複雑な構造のヒンジ（回転ヒンジなど）を備えているものがあります．こうしたヒンジは，角度によってビューワに対して異なる制御を行います．ディスプレイが小さいとき，また利用者の目や首のストレスを減らさなければならないとき，このような機能はとても重要です．複雑な2軸回転機構の例を写真1に示します．

写真1の機種は，まず普通のおりたたみ携帯電話のように開閉し，続いてディスプレイを回転させて角度を変えられます．ヒンジを通過する信号線のデータ転送速度と接続部の機械的強度は，その信号線の本数，および信頼性を維持するために使われる材料に左右されます．

光伝送が使えれば，これまでの常識を打ち破ることができ，ハンドセットの外観デザインの問題とシステム・アーキテクチャを切り離すことができます．そして，ヒンジや機能，物理的な形状に関係なく，多くのハンドセットのモデルを一つのプラットホームから構築できるようになります．

長年，光伝送部品は，消費電力とコストの観点から不利であると見られてきました．そしておおむね，これは真実でした．というのは，消費者向けの携帯機器では，数ドルのコストの追加や数mWの消費電力の上昇を容認できないからです．しかし，シリアル化が進み，データ転送速度が上昇した結果，銅線による伝送は，光伝送と横並びで比較されるところまで来ています（現状は最大3Gbps）．そして，銅線による伝送には，光伝送のような利点はありません．その上，光伝送を利用すると伝送速度当たりのコスト（ドル/Gbps）や消費電力（mW/Gbps）を改善できます．

今後のロードマップによると，銅線による伝送は限定的に利用され続けることになりそうです．加えて，光伝送部品が，大量生産品である携帯電話のごく一部の機種に採用されるだけでも，これまで比較的少量の部品を取り扱ってきた光PHY業界のコスト・モデルに多大な影響を与えます．そして，光モジュールの価格の下落や性能の改善が急速に進む可能性があります．

こうした市場の変化に対応するため，MIPIアライアンスのPHY作業部会は先手を打って光伝送に関する小委員会を立ち上げ，OMC（Optical Medium Converter）仕様を策定しました．これは，M-PHY送信器（M-TX）が出力した電気信号を光信号（光波）に変換したり，光信号をM-PHY受信器（M-RX）に入力できる電気信号へ戻したりするもので，これを利用することにより，プラスチック光ファイバ（POF）のような媒体で信号を伝送できるようになります．

OMCはいわゆる「モジュール」で，分離できない一つの部品です．これは，それぞれ専用の光素子を持つ光送信器（O-TX）と光受信器（O-RX），光導波路から構成されます．OMCは単独の部品であり，光モジュール間の相互接続性の問題は存在しません．従ってMIPIでは，光伝送の領域について細かく言及することはありません．

これらの「モジュール」は，SONET/SDHなどの高速光伝送の領域，およびEthernetやFibre Channel，OIF（Optical Internetworking Forum）-CEI（Common Electrical I/O）の構成要素の一部としてよく知られています．OMCモジュールとの電気的接続の例を図4に示します．

高解像度のビデオ撮影・表示のアプリケーション，およびこれらに対応したサブシステムがさらに多くの電力を消費するようになれば，従来の銅線による伝送では，どこかで電源の低電圧化の限界が来るでしょう．そうなると光伝送の優位性はさら高まります．

銅線と光ファイバのどちらを使うにしても，M-PHY仕様は，最小の消費電力と最小のコストで高速なデータ転送を実現できる柔軟なアーキテクチャとなっています．「どこでも，だれでも，自由に周囲の機器やサービスとワイヤレス接続」という観点では，HD（High Definition）ストリーミング・ビデオを配信したり，Gバイトの映像を（インターネットから）転送したりといった挑戦的な取り組みは，M-PHYのような最適化されたチップ間インターフェースがあってはじめて実現できるのです．

●最後に求められるのは協業による業界の活性化

M-PHYの展開が成功するために必要な最後の要素は，開発から，テスト，相互接続性のデモンストレーション，市場へのM-PHYインフラの供給までをカバーする健全なエコシステム（生態系）の構築です．それぞれの役割を担うサプライヤ間の協業こそがM-PHYの舞台の「最後のひと幕」であり，MIPIアライアンスに参加する多数の協力者のおかげで実現した標準化作業の成果を最大化します．

活気に満ちたエコシステムの実現に欠かせない要素の一つが，IP（Intellectual Property）ベンダです．彼らは，即座に導入可能なM-PHYサブシステムを開発し，市場に供給します．M-PHYインターフェースをユニークな存在にしているのは，その多才多芸な特質です．M-PHYは多くのアーキテクチャ・オプションを持ち，多くの異なるアプリケーションに対応できます．それゆえ，万人の要求に応えられるIPコアを提供しようとすると，IPベンダは自分で自分の首を絞めることになりがちです．

この点が，PCI ExpressやSerial ATA，DDR（Double Data Rate）のような他の標準規格と異なるところです．PCI Expressなどの規格では単一のアーキテクチャが定義されており，多数の顧客の要求に応えるため，さまざまなプロセス・ノードに向けてIPがポーティングされています．

M-PHYがその潜在能力を発揮し，アプリケーションごとに最適化されたソリューションとなるためには，消費電力，面積，トータル・コストのすべての要求を満足させる必要があります．型にはまったやり方では，これを実現できません．MIPIの導入を成功させるには，MIPIのIPコアを提供するベンダと手を組む必要があります．IPベンダは，手軽に導入できて，シリコン・チップで動作を検証済みで，それにもかかわらずカスタマイズ可能で，高品質で，競争力のあるMIPIのIPコアを手頃な価格で供給します．

例えば米国Mixel社は，すでにM-PHYを利用している1社である日本のグラフインとの協業を発表しています．両社は，グラフインの評価システムに使われる「Golden M-PHY」ICを共同開発することにより，MIPI M-PHYエコシステムの構築を支援する計画です．この「Golden M-PHY」ICは，今後，M-PHYの相互接続性およびテストの要求にも対応していく予定です．またMixel社は英国Nanotech Semiconductor社とも協業しています．この会社はM-PHYの光小委員会に主査として参加しており，光伝送を利用するMIPI M-PHYエコシステムの構築を支援しています．

Mixel社では「レゴリズミック」と呼ぶ手法を採用しており，これによって手軽に導入できるMIPI IPを効率的に開発しています．この手法では，シリコン・チップによって動作検証済みの回路ブロックをもとにIPコアを構築していきます．この回路ブロックは，各種のM-PHYアプリケーションに求められる広範な（M-PHY風の）要求に適合できるように開発されています．

To learn more about Mixel’s silicon-proven IP, please visit mixel.com/ip-cores or Mixel’s contact page.