文/王子睿

手機(jī)芯片的發(fā)展歷程和前景

文/王子睿

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)行業(yè)正發(fā)生著巨大的變化。在4G快速發(fā)展的今天，5G時代也即將來臨。這對全球手機(jī)芯片行業(yè)的競爭格局會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。芯片屬于手機(jī)的核心零部件，是手機(jī)實現(xiàn)多種功能的硬件保證。因此，本文著重論述了手機(jī)芯片的發(fā)展進(jìn)程，并探討了手機(jī)芯片的發(fā)展前景。

手機(jī)芯片 發(fā)展進(jìn)程 發(fā)展前景

電子芯片是指內(nèi)含集成電路的一種硅片，體積很小，又稱為微電路、微芯片、集成電路。手機(jī)芯片是電子芯片的一個重要分支，也屬于手機(jī)的核心部件。因為手機(jī)上的所有功能基本都是依靠芯片完成的。芯片猶如手機(jī)的大腦與心臟，通過手機(jī)芯片的主要參數(shù)就能迅速了解這部手機(jī)的狀況?？梢姡謾C(jī)的發(fā)展離不開芯片?；诖耍疚膹氖謾C(jī)芯片發(fā)展現(xiàn)狀著手，介紹了手機(jī)芯片的關(guān)鍵構(gòu)件并分析了其未來發(fā)展前景。

1 芯片發(fā)展現(xiàn)狀

移動芯片屬于集成電路的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，具備非常廣闊的發(fā)展前景。從通信芯片出發(fā)來說，其出貨量近年來呈快速增多的趨勢，2013年上半年的數(shù)量已經(jīng)超過11億片。而LTE商用發(fā)展，2G、3G以及LTE等多網(wǎng)共存的情況讓多頻多模逐漸變?yōu)橥ㄐ判酒l(fā)展的前提條件，高通公司曾領(lǐng)先于行業(yè)，它早在2012年就推出了包含所有移動通信模式的基帶芯片，同時在多模多頻的研究方面也具備其他諸多芯片生產(chǎn)廠商所不具備的優(yōu)勢。同時，MTK也在2014年正式發(fā)布自己的4G八核智能手機(jī)系統(tǒng)單芯片解決方案MT6595，而在它之后的Hello P以及Hello X系列開始成為千元左右全網(wǎng)通智能手機(jī)的主要解決方案。華為公司所研發(fā)的海思半導(dǎo)體近年來也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，麒麟芯片所使用的霸龍基帶從2014年開始就處在行業(yè)領(lǐng)先地位，霸龍750還能夠支持LTE Cat.12以及Cat.13UL網(wǎng)絡(luò)，理論上的下載速度超過600Mbps，上傳速度超過150Mbps。從應(yīng)用處理芯片而言，多核復(fù)用逐漸成為設(shè)計重點，2013年上半年整個世界的多核應(yīng)用處理芯片已經(jīng)超過三分之二，而在四核之后，應(yīng)用處理芯片也開始形成了兩種不同的升級模式：一方面是進(jìn)一步增加多核復(fù)用程度，其中比較典型的有MTK和三星公司研制的八核芯片；另一方面是依靠增強(qiáng)單個核的運算處理能力來促進(jìn)整體升級，具有代表性的是蘋果公司的64位ARM架構(gòu)芯片?，F(xiàn)階段這兩種升級模式都得到了很多廠家的支持，而從實際的用戶體驗以及X86架構(gòu)發(fā)展的實際情況來說，后者所帶來的實際效果更好。無論是八核并行調(diào)度或者64位架構(gòu)應(yīng)用處理芯片，都要獲得API接口和上層操作系統(tǒng)的支持，其設(shè)計難度也有了很大程度的增加。

2 手機(jī)芯片組成部分分析

2.1 高端操作系統(tǒng)與軟件處理器（AP）

目前市面上主流的AP芯片主要由CPU與GPU兩部分構(gòu)成。CPU一般是對軟件指令進(jìn)行執(zhí)行操作，運行和用戶交互相關(guān)的軟件，CPU實際性能會直接決定應(yīng)用軟件的實際執(zhí)行效率和速度；GPU主要是對圖形圖像進(jìn)行處理，將處理之后的數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)在屏幕上，GPU的性能在很大程度上決定了用戶玩游戲或者播放視頻時的速度與質(zhì)量。

2.2 中央處理單元 （CPU）

CPU（中央處理器）屬于整個手機(jī)的運算和控制中心，其具體性能影響到手機(jī)的實際運行速度。CPU性能一般可以從內(nèi)核數(shù)量、架構(gòu)類型和主頻等參數(shù)看出?，F(xiàn)階段大部分芯片都屬于八核CPU，MTK的MT6797為10核，提高內(nèi)核數(shù)量能夠有效促進(jìn)手機(jī)運行速度的提升，還可以增強(qiáng)運行多個程序時的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)級別越高則性能越強(qiáng)。手機(jī)主頻決定了手機(jī)的處理速度，主頻參數(shù)和運行速度呈正比關(guān)系，但相對的主頻越高手機(jī)的耗電量也越大?，F(xiàn)階段大部分智能手機(jī)都選擇Cortex-A53、Cortex-A57以及Cortex-A72架構(gòu)。Cortex-A53屬于能效最高的架構(gòu)，主要是對手機(jī)日常任務(wù)進(jìn)行處理，因此大部分CPU都選擇這一架構(gòu)，而Cortex-A57的性能更勝一籌，但因為這一架構(gòu)相對來說設(shè)計更加復(fù)雜且新制程較為緩慢，發(fā)熱問題較大，2016年就開始被Cortex-A72所取代，此二種架構(gòu)通常來說應(yīng)用在高清視頻處理這類需求較大的設(shè)備中，通常來說能夠與A53內(nèi)核共同組成大小混合架構(gòu)。

現(xiàn)階段很多CPU都是基于ARM架構(gòu)或者取得ARM授權(quán)。ARM公司通常不會提供芯片成品，而僅僅是把技術(shù)專利向其他芯片生產(chǎn)企業(yè)授權(quán)，授權(quán)一般有兩種途徑：其一是ARM公司把CPU設(shè)計源代碼以及使用授權(quán)直接給予其他企業(yè)；其二是ARM僅僅提供指令集合授權(quán)。部分不擁有設(shè)計能力的企業(yè)能夠選擇購買ARM公司的設(shè)計源代碼和授權(quán)，進(jìn)而提早產(chǎn)品上市時間。

2.3 多媒體或繪圖處理器的手機(jī)核心芯片（GPU）

GPU即是圖形處理器，一般負(fù)責(zé)對圖形圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)運算?，F(xiàn)階段大部分手機(jī)的GPU提供商一般都是ARM、Imagination、高通以及英偉達(dá)公司。Imagination生產(chǎn)的Power VR GPU屬于明星級產(chǎn)品，諸如蘋果公司、三星公司以及英特爾公司都在使用，而讓普通大眾所熟悉的即是蘋果公司生產(chǎn)的iPhone手機(jī)和iPad平板電腦。高通公司生產(chǎn)的專屬Adreno只能夠適合高通的SOC，其中包含了近年來比較知名的Adreno400和500系列。英偉達(dá)公司屬于PC時代下的霸主，依靠其自身過去幾十年來在PC GPU研發(fā)生產(chǎn)中所積累的技術(shù)經(jīng)驗，對移動GPU開發(fā)中也取得了很好的成績，然而從Tegre K1之后英偉達(dá)公司便宣布放棄手機(jī)市場，近年來工藝水平的逐漸提升，也可能未來會從桌面級GPU簡化之后配合Tegra。

2.4 射頻芯片（RF）

射頻芯片主要是對射頻信號以及基帶信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在上行方向，射頻芯片能夠把基帶信號，變頻為指定頻段，饋入天線發(fā)射到基站；而對下行方向來說，接收從天線而來的某一頻段的射頻信號，之后下變頻到基帶，傳輸帶處理芯片予以解調(diào)。近年來集成電路集成度的逐漸提升，射頻芯片也逐漸開始向基帶單芯片以及多頻段單芯片的方向發(fā)展。

2.5 基帶芯片（BP）

基帶芯片主要是對手機(jī)通信過程中形成的數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，屬于通信芯片中非常復(fù)雜的一個組成部分?；鶐酒c運行協(xié)議軟件能夠確保某種或多種通信機(jī)制的實現(xiàn)。針對2G制式的手機(jī)來說，其能夠支持GSM、GPRS以及EDGE等協(xié)議；而針對3G制式的手機(jī)來說，基帶芯片能夠支持WCDMA、CDMA以及TDSCDMA等協(xié)議。近年來移動通信標(biāo)準(zhǔn)的逐漸發(fā)展，隨后開始產(chǎn)生3G制式的演化版本，也在很大程度上促進(jìn)了終端速率的提高，可以說是3.5G以及3.75G技術(shù)。而從2016年開始，4GLTE開始發(fā)展，全球基帶芯片廠商都主動投入研發(fā)中。中國移動在參與TD-LTE招標(biāo)過程中有超過20款終端機(jī)型中標(biāo)，其中15款就應(yīng)用高通芯片，還有5款應(yīng)用Marvell芯片，這兩家芯片生產(chǎn)企業(yè)占據(jù)了80%的市場，而國產(chǎn)芯片僅僅有4款選擇華為海思，1款選擇中興。

3 手機(jī)芯片發(fā)展前景分析

我們知道，芯片技術(shù)直接決定了移動通信的未來發(fā)展。在過去的3G時代，芯片廠商就開始了非常激烈的市場競爭，而未來的移動通信發(fā)展，誰能夠設(shè)計主導(dǎo)市場的芯片，誰就能夠獲得生存與發(fā)展。4G和5G芯片設(shè)計必須要嚴(yán)格按照以下原則：在滿足功能的基礎(chǔ)上確保成本的最低化，如此一來就要求眾多設(shè)計生產(chǎn)廠商進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，努力促進(jìn)芯片運行處理效率的提升，適當(dāng)增加功能且能夠支持各種通信協(xié)議。

現(xiàn)階段發(fā)展前景較好的技術(shù)有統(tǒng)一尋址以及CPU、GPU異構(gòu)計算。從理論上而言，CPU具備更大緩存，更適合相對復(fù)雜的邏輯計算，而GPU具備更多處理單元，能夠進(jìn)行并行計算，將二者的優(yōu)點充分結(jié)合起來，讓處理器能夠自動選擇調(diào)用，能夠?qū)崿F(xiàn)運行效率的最優(yōu)化。在X86架構(gòu)中，AMD早在多年前就開始研究，其APU體現(xiàn)出了超越同級別英特爾處理器的性能。而對于手機(jī)處理器來說，ARM在2015年推出的CCI-550總線，可以支持完全一致性，為統(tǒng)一尋址提供了基本條件，與Mimir GPU相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)HSA1.0的效果，在很大程度上提升了數(shù)據(jù)調(diào)用速度。同時ivviK5手機(jī)融入了和PC相類似的獨立顯卡，從工藝上來說有了明顯的進(jìn)步，為手機(jī)加上和PC同類結(jié)構(gòu)的GPU也為時不遠(yuǎn)。

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作者單位鄭州外國語新楓楊學(xué)校 河南省鄭州市450001