移動終端基帶芯片領(lǐng)域?qū)＠治黾皩Σ呓ㄗh*

文/劉 毅

移動終端基帶芯片領(lǐng)域?qū)＠治黾皩Σ呓ㄗh*

文/劉 毅

移動芯片是指安裝在移動終端設(shè)備內(nèi)部，負責完成數(shù)據(jù)運算、信息存儲以及對外進行無線通信等任務(wù)的一系列集成電路（IC）的統(tǒng)稱，移動芯片是移動智能終端最重要的部件。按功能區(qū)分，移動芯片可分為基帶芯片（Baseband Processor，BP）和應(yīng)用處理器（AP，Application Processor，又稱應(yīng)用芯片）以及其他專用集成電路芯片。本文簡要介紹移動芯片的技術(shù)背景，并對基帶芯片領(lǐng)域的高相關(guān)專利進行分析，最后給出若干對策建議。

1 移動芯片的功能演化

早期的移動電話采用第一代移動通信標準，其功能僅限于進行語音通話，進入2G時代后，移動通信的核心技術(shù)標準開始從模擬語音轉(zhuǎn)向數(shù)字語音，許多分立元器件開始被集成在單獨一顆芯片上，移動芯片的用武之地也越來越廣。進入21世紀，2G通信技術(shù)已經(jīng)在全球得到廣泛部署，從2G演進而來的GPRS和EDGE技術(shù)標準也迅速得到商業(yè)化推廣，一些發(fā)達國家和地區(qū)則開始積極從事第三代移動通信技術(shù)（3G）的研究和試運營工作。這時，一些移動芯片已經(jīng)開始支持多媒體應(yīng)用，部分移動電話已經(jīng)含有FM收音機、MP3播放器和拍照等功能。盡管這些多媒體服務(wù)的性能指標與目前的水平相去甚遠，但依然代表了當時移動芯片的最高水平。

2012年，蘋果公司發(fā)布的iPhone5開始支持4G通話技術(shù)標準，該產(chǎn)品同樣使用其自行設(shè)計的A6應(yīng)用處理器，相對上一代的A5處理器，A6處理器配備雙核CPU和三核GPU，渲染速度是A5的兩倍，照相速度比A5提升40%，而且具備動態(tài)調(diào)整CPU電壓和頻率的特性。

從各代移動芯片的功能演變過程可見，除了芯片的整體性能不斷提升外，芯片內(nèi)部的多核協(xié)同處理機制和對音視頻編解碼等高強度數(shù)字信號處理任務(wù)的支持成為主流，尋求對功耗的抑制方案也是關(guān)鍵。

2 基帶芯片研制的關(guān)鍵技術(shù)

基帶芯片的性能直接決定了移動終端產(chǎn)品與外界進行信息交互的質(zhì)量高低?；鶐酒夹g(shù)一直沿著多頻多模的方向發(fā)展演進，在支持主流的移動網(wǎng)絡(luò)通信標準的同時，還要能夠向下兼容較早的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為滿足終端用戶的移動漫游需求，必須將包括2G、3G、4G和Wi-Fi及GPS全球定位等功能集中在單個終端設(shè)備之上，這種被稱為“全網(wǎng)通”的技術(shù)需求逐漸成為基帶芯片設(shè)計的行業(yè)標準，這就使得多模移動終端基帶芯片成為必然。

較早前，基帶的數(shù)字處理功能和終端的基本外圍功能都集中在單個片上系統(tǒng)（SOC）中，幾乎所有的基帶芯片都采用MCU+DSP（微處理器+數(shù)字信號處理器）的雙處理器架構(gòu)。MCU是整個移動芯片的控制中心，芯片通過運行一個嵌入式操作系統(tǒng)對其他期間進行控制，DSP子系統(tǒng)主要處理基帶信號，完成硬件加速和底層數(shù)據(jù)吞吐等功能。進入3G之后，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）也被加入到移動芯片的體系結(jié)構(gòu)中，基帶芯片開始出現(xiàn)MCU+DSP+FPGA的架構(gòu)。隨著更多通信模式的出現(xiàn)，基帶芯片的設(shè)計難度不斷攀升。

從目前各大廠商的解決方案看，基帶芯片設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)在于簡化算法的架構(gòu)的同時，盡量地將復雜的算法硬件化。例如，隨著天線數(shù)的增加，要避免增加算法實現(xiàn)的成本，要不讓多余的天線增加射頻通道的數(shù)目，增加射頻和基帶的功耗。同時，如果能較好地將復雜的算法硬件化，即不通過傳統(tǒng)的軟件或者DSP芯片處理，而是直接將部分或者全部算法做成硬件加速器，同時配備一個簡單的微處理器，這將有利于改善芯片的功耗，從而實現(xiàn)更好的運行效果。

3 基帶芯片領(lǐng)域?qū)＠治?/h2>

對含有基帶信號處理的專利文獻進行統(tǒng)計，同時搜集與3G和4G等移動寬帶業(yè)務(wù)有關(guān)的基帶芯片設(shè)計廠商代表專利，共得到本領(lǐng)域326個高相關(guān)度專利家族，累計1234件專利。

3.1 全球?qū)＠暾埢緫B(tài)勢

按最早申請年對基帶芯片領(lǐng)域的全球?qū)＠暾埱闆r進行統(tǒng)計，從圖1可知，2010年以前該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量還較少，從2010年至2013年間，專利申請量開始逐漸增加，且有穩(wěn)步增長的趨勢。

圖1 基帶芯片領(lǐng)域全球?qū)＠暾埱闆r（按最早申請年統(tǒng)計，單位：項）

從專利的公開地區(qū)看，這一領(lǐng)域的專利申請主要集中在中國、美國和歐洲，其中，我國大陸的專利公開數(shù)量最多，達231件，說明全球各研發(fā)機構(gòu)對我國移動終端市場的重視。

3.2 基帶芯片領(lǐng)域的主要技術(shù)專題

以國際IPC分類號的“小組”級別對各專利申請進行分類，根據(jù)各個小組的專利申請數(shù)，得到排名居前的10個熱點技術(shù)專題，各個專題的專利數(shù)量占比和技術(shù)要點如表1所示。

表1 移動芯片領(lǐng)域10大熱點技術(shù)專題

序號專利I P C小組I P C小組占比技術(shù)要點或技術(shù)方案5 H 0 4 B -0 0 1 / 0 4 6 . 1 3 %研究信號收發(fā)機制的集成電路和系統(tǒng)6 H 0 4 L -0 2 5 / 0 3 5 . 5 2 %利用基帶處理器完成信道估計和編解碼等處理任務(wù)的方法7 H 0 4 M -0 0 1 / 0 0 5 . 5 2 %基帶處理器的關(guān)鍵接口部件和協(xié)同處理機制8 H 0 4 B -0 0 1 / 3 8 5 . 2 1 %基帶處理器的關(guān)鍵接口部件和封裝電路9 H 0 4 L -0 2 7 / 2 6 5 . 2 1 %基帶芯片調(diào)制解調(diào)處理方法和機制1 0 H 0 4 B -0 0 1 / 7 0 7 4 . 9 0 %利用基帶芯片實現(xiàn)C D M A系統(tǒng)的碼分多址通信標準

3.3 基帶芯片領(lǐng)域主要研發(fā)機構(gòu)

以所申請的專利家族數(shù)量為序，基帶芯片領(lǐng)域的主要專利申請人如表2所示。

表2 排名前10的專利申請人及專利申請數(shù)（單位：項）

3.4 技術(shù)發(fā)源地研究實力對比分析

對檢索得到的1234件專利的申請人所在國家（地區(qū)）進行統(tǒng)計可知，基帶芯片領(lǐng)域的專利申請人主要集中在美國、德國以及我國大陸及臺灣地區(qū)，上述地區(qū)的專利申請量約整個技術(shù)領(lǐng)域申請量的86%。其中，美國的研究機構(gòu)所申請的專利數(shù)量最多，占比超過一半。具體如圖2所示。

圖2 基帶芯片領(lǐng)域的全球?qū)＠暾埲朔植记闆r1（單位：件）

將各個主要研究機構(gòu)的專利申請進行統(tǒng)計比較，可發(fā)現(xiàn)幾個方面的信息：首先，在首件專利的申請時間上，除美國外，其他國家和地區(qū)在2003年之前的申請量都非常少，基本上都是在2005年后才開始有這方面的專利申請，也就是說，美國的基帶芯片研發(fā)技術(shù)起步較早，一直處于明顯的“領(lǐng)跑”地位，即使到了目前，其他國家和地區(qū)也基本上處于“跟跑”的狀態(tài)；另外，除了我國大陸地區(qū)的增長趨勢較為平滑之外，其他地區(qū)的專利申請數(shù)量隨時間變化的波動較大，這與該領(lǐng)域的專利技術(shù)主要掌握在個別領(lǐng)頭企業(yè)的實際情況有關(guān)，這些企業(yè)在某一年份的專利申請量決定了該地區(qū)整年的專利申請量。具體情況如圖3所示。

圖3 各主要技術(shù)發(fā)源地的專利申請對比情況（單位：件）

4 結(jié)論及建議

從上述統(tǒng)計分析結(jié)果可見，美國的專業(yè)集成電路設(shè)計公司在移動基帶芯片領(lǐng)域有較強的基礎(chǔ)，不論是專利申請總量或?qū)＠娜虿季?，都比其他國家和地區(qū)的企業(yè)有明顯的先發(fā)優(yōu)勢。近年來，國內(nèi)的展訊通信等專業(yè)集成電路設(shè)計公司和華為、中興等通信領(lǐng)域的龍頭企業(yè)也開始發(fā)力，從3G開始推出有自己知識產(chǎn)權(quán)的芯片系列。

展望未來，移動芯片技術(shù)將會向多頻多模及更快的速度這兩方面發(fā)展，支持更多不同種類型的移動網(wǎng)絡(luò)，同時向下兼容其他網(wǎng)絡(luò)制式，制程工藝尺寸也將進一步縮小，從而進一步提高芯片的主頻。目前，第五代移動電話行動通信標準（5G）已經(jīng)成為各國電信運營商和移動終端生產(chǎn)商密切關(guān)注的新焦點，5G技術(shù)未來的創(chuàng)新路徑將逐漸向Massive MIMO（大規(guī)模天線陣列）、毫米波（mmWave）、和C-RAN（Cloud-RAN，云端基地臺）等方向收斂?；鶐酒脑O(shè)計標準也將朝向這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。

從對創(chuàng)新政策的研究和制定的角度，有以下若干建議：首先，高度重視對5G等前沿領(lǐng)域的國內(nèi)外技術(shù)跟蹤，重點跟蹤目前已有較好基礎(chǔ)，處于與全球領(lǐng)先企業(yè)“跟跑”水平的基帶芯片設(shè)計技術(shù)，制定政府層面的產(chǎn)業(yè)鼓勵政策；其次，鼓勵國內(nèi)高校和科研機構(gòu)加大在基帶芯片的前端設(shè)計和驗證環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)性研究，培育一批面向產(chǎn)業(yè)實際需求的芯片級解決方案，并鼓勵高校面向校外企業(yè)轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化科技成果；再次，面向全球引進移動芯片行業(yè)高端人才，對成功引進的團隊和項目，給予基礎(chǔ)實驗設(shè)施、項目研發(fā)資金和社會保障體系的鼓勵政策，確保高端項目的落地孵化。

廣東省科技計劃項目“面向移動互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵領(lǐng)域的專利地圖技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)系統(tǒng)”（2014B040405008）

1按照國際上對專利文獻的標識慣例，我國大陸和臺灣地區(qū)的公開代碼分別為CN和TW。