2G與3G并存時(shí)期的手機(jī)芯片發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

摘要： 手機(jī)芯片作為半導(dǎo)體行業(yè)最為活躍的市場(chǎng)應(yīng)用之一，其發(fā)展趨勢(shì)一直備受矚目。本文從讀者調(diào)查入手，通過(guò)與多家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先公司的探討，共同分析手機(jī)芯片未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：手機(jī)芯片；應(yīng)用處理器；電源管理；低功耗；無(wú)線芯片

　　如果只讓人隨身攜帶一款電子產(chǎn)品，絕大多數(shù)人的選擇肯定是手機(jī)。作為芯片領(lǐng)域最為活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，以手機(jī)芯片為主的無(wú)線芯片市場(chǎng)是IC設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的領(lǐng)域。隨著手機(jī)的普及和現(xiàn)有手機(jī)用戶對(duì)手機(jī)功能更新的需求，手機(jī)市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)10億部/年。特別是2G到3G的主要過(guò)渡期內(nèi)，因網(wǎng)絡(luò)升級(jí)而產(chǎn)生的手機(jī)更新需求將在15億部以上。iSuppli統(tǒng)計(jì)表示，全球手機(jī)相關(guān)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模2006年已達(dá)到386億美元，到2011年將增加為480億美元。圖1列出了2002~2008年世界和中國(guó)手機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展統(tǒng)計(jì)。

圖1  2002-2008年世界和中國(guó)手機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展統(tǒng)計(jì)

　　2008年上半年，《電子產(chǎn)品世界》手機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)調(diào)查結(jié)果顯示，手機(jī)芯片組、多媒體器件和電源管理是讀者最關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域，關(guān)注度均達(dá)35%以上，功能創(chuàng)新(64.4%)和成本降低(44.7%)則成為讀者關(guān)心的發(fā)展方向。而42.3%的受訪者認(rèn)為芯片產(chǎn)品性價(jià)比的進(jìn)一步提高是今后的主要發(fā)展要求，也有部分受訪者認(rèn)為能夠?yàn)樾酒a(chǎn)品提供完整的解決方案或進(jìn)一步降低功耗才是發(fā)展的主要要求(如圖2)。

圖2 受訪讀者對(duì)芯片產(chǎn)品的主要發(fā)展要求

新時(shí)期對(duì)手機(jī)芯片的新需求

　　手機(jī)芯片的技術(shù)發(fā)展離不開(kāi)市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)，追求更多功能、更小體積和更低成本等要求成為手機(jī)芯片技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。根據(jù)通信運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，2G/3G多模融合是當(dāng)前的主導(dǎo)，當(dāng)然，3G、LTE甚至4G則是未來(lái)手機(jī)發(fā)展的主要方向。相比較2G而言，由于3G網(wǎng)絡(luò)能夠提供更大的傳輸速度，使消費(fèi)者得以擁有更流暢完整的用戶經(jīng)驗(yàn)，包括在線游戲、視頻電話，移動(dòng)電視等方面，除了手機(jī)的運(yùn)算能力以外，手機(jī)服務(wù)內(nèi)容供應(yīng)商所能提供的服務(wù)內(nèi)容將會(huì)3G發(fā)展的重要推力之一。

　　展訊通信有限公司副總裁曹強(qiáng)博士認(rèn)為應(yīng)用決定了3G手機(jī)與2G手機(jī)芯片的不同需求：從芯片技術(shù)來(lái)看，半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)是更快(速度快)、更低(功耗低)、更小(面積小)，作為消費(fèi)時(shí)尚前沿的手機(jī)必然選擇最先進(jìn)的工藝。3G的應(yīng)用將使手機(jī)芯片追求更快的數(shù)據(jù)處理速度，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)多種功能，以及更高的頻率以實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)各種應(yīng)用的整合。除此之外，3G應(yīng)用還會(huì)拉動(dòng)手機(jī)基礎(chǔ)芯片的升級(jí)，比如：電源管理、存儲(chǔ)器等。由于3G用戶會(huì)長(zhǎng)時(shí)間用手機(jī)獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這將促使芯片廠商采用更加先進(jìn)的電源管理技術(shù)以滿足越來(lái)越高的功耗需求，同時(shí)，也要求基帶、射頻等芯片的功耗更低。在存儲(chǔ)器方面，信息量的增加和操作系統(tǒng)的復(fù)雜更是加大了對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。 

　　NXP手機(jī)及個(gè)人移動(dòng)通信事業(yè)部業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)與策略合作總監(jiān)Michel Windal補(bǔ)充指出，消費(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣了2G手機(jī)在待機(jī)時(shí)間和通話/運(yùn)行時(shí)間上的高性能表現(xiàn)，這是我們目前面臨的主要挑戰(zhàn)。3G手機(jī)要求更高級(jí)的計(jì)算算法，但是這些性能在第一代3G手機(jī)中都被弱化了，消費(fèi)者也因此對(duì)3G手機(jī)感到失望。電池和電源管理技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上對(duì)3G手機(jī)性能要求的飛速提高。這也是導(dǎo)致3G手機(jī)銷售未能達(dá)到預(yù)期效果的根本原因之一。通過(guò)大規(guī)模功能集成與內(nèi)置電源管理技術(shù)的結(jié)合過(guò)渡到深亞微米CMOS(45納米及更高工藝)技術(shù)，這一問(wèn)題有望得以解決。
　　
　　拓展媒體處理能力是重點(diǎn)
　　無(wú)論是基帶處理器還是應(yīng)用處理器，集成化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。Michel Windal認(rèn)為當(dāng)前基帶處理器競(jìng)爭(zhēng)的激烈性在于，RF CMOS將主導(dǎo)這些先進(jìn)技術(shù)，主動(dòng)集成GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSDPA及HSUPA等多模調(diào)制解調(diào)器，并通過(guò)控制功耗和EMI，集成高性能多媒體功能、藍(lán)牙和WiFi等多種連接功能，以及FM收音機(jī)和GPS等廣播功能?；鶐У募蓱?zhàn)略同樣在應(yīng)用(多媒體)處理器中得到部署。即使是高端的功能手機(jī)(feature phone)，最初通常采用單獨(dú)的應(yīng)用處理器，為將這些功能豐富的手機(jī)帶入產(chǎn)量巨大的中端市場(chǎng)，必須在基帶架構(gòu)中集成應(yīng)用處理器。這樣也可優(yōu)化性能與功耗需求。由大規(guī)模集成這些融合器件所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，正迫使芯片制造商們積極主動(dòng)地采用最先進(jìn)的深亞微米CMOS(45納米及以上工藝)技術(shù)。它實(shí)現(xiàn)了多種功能的全球系統(tǒng)集成：基帶功能(數(shù)字和模擬)、收發(fā)器功能、應(yīng)用處理器功能以及電源管理功能。

　　手機(jī)多媒體是2G/3G時(shí)代最重要應(yīng)用，強(qiáng)大的多媒體處理功能將會(huì)是手機(jī)消費(fèi)者的基本需求之一，3G手機(jī)、智能手機(jī)所具有的各種多媒體功能，視頻下載、在線娛樂(lè)、數(shù)據(jù)共享、視頻電話等對(duì)手機(jī)芯片提出了更高的要求，導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)GPS、圖像處理、手機(jī)電視、音視頻處理等功能芯片的需求大增。

　　多媒體應(yīng)用芯片的研發(fā)，已成為3G手機(jī)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)制勝的利器。芯片的高數(shù)據(jù)處理速度為在終端中實(shí)現(xiàn)多媒體應(yīng)用創(chuàng)造了硬件條件，同時(shí)也能把更多先進(jìn)電子設(shè)備功能融合于無(wú)線終端中。數(shù)據(jù)與內(nèi)容是3G持續(xù)不斷的推動(dòng)力，核心技術(shù)則是支持應(yīng)用的一個(gè)平臺(tái)，而給3G應(yīng)用提供核心技術(shù)支持的多媒體芯片就承擔(dān)起實(shí)現(xiàn)3G應(yīng)用的重任，也給芯片制造帶來(lái)不可限量的發(fā)展前景和機(jī)會(huì)。同時(shí)，針對(duì)需要音頻、視頻質(zhì)量，整個(gè)技術(shù)結(jié)構(gòu)都將需要得到不斷提升的市場(chǎng)需求，手機(jī)芯片領(lǐng)域也迎來(lái)了重新洗牌的機(jī)會(huì)。因此，TI認(rèn)為要想在手機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)目前和未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利位置，手機(jī)芯片多媒體功能必將成為目前手機(jī)芯片市場(chǎng)角逐的重點(diǎn)。對(duì)于芯片廠商而言，多媒體應(yīng)用處理器的處理能力以及其所能達(dá)到的效能將愈來(lái)愈重要。

　　對(duì)應(yīng)用處理器而言，最關(guān)鍵的要求是以極低的功耗實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的多媒體功能。為此，博通公司設(shè)計(jì)出一種專業(yè)的Videocore的并行處理架構(gòu)，它為實(shí)現(xiàn)極低功耗而進(jìn)行了優(yōu)化，并且使博通公司獲得了支持各種標(biāo)準(zhǔn)的或?qū)Ｓ械木幗獯a方案的靈活性，它可以與博通公司自己的或它的任何一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一個(gè)應(yīng)用處理器連接。VideoCore III (BCM2727)多媒體處理器不僅為移動(dòng)手機(jī)及高級(jí)媒體播放器提供高質(zhì)量的多媒體功能，而且獲得很長(zhǎng)的電池工作時(shí)間，而且能夠支持高清晰度攝錄機(jī)和視頻播放，高達(dá)1200萬(wàn)像素且擁有高級(jí)圖像信號(hào)處理技術(shù)的專業(yè)相機(jī)，用于先進(jìn)用戶界面的高性能3D技術(shù)，導(dǎo)航顯示以及移動(dòng)游戲，如圖3。

圖3 BCM2727功能方框圖

　　尋找功耗與性能的平衡點(diǎn)
　　隨著手機(jī)功能的日趨強(qiáng)大，更多的耗電量成為手機(jī)發(fā)展的瓶頸，如何加強(qiáng)手機(jī)功能而不以犧牲功耗為前提，成為產(chǎn)業(yè)面臨的主要問(wèn)題。這就意味著手機(jī)在對(duì)性能要求更為嚴(yán)格的同時(shí)，對(duì)功耗要求也更為苛刻，在手機(jī)芯片開(kāi)發(fā)中需要對(duì)兩者進(jìn)行平衡。相關(guān)的調(diào)查研究顯示不同的市場(chǎng)對(duì)這兩方面的要求是有差別的，比如高端市場(chǎng)對(duì)性能要求非常高，功耗要求相對(duì)弱一些；而低端市場(chǎng)對(duì)功耗要求比較高，性能要求相對(duì)較弱。

　　NXP公司認(rèn)為，尋找平衡點(diǎn)的訣竅就在于如何優(yōu)化各個(gè)高功耗子系統(tǒng)的架構(gòu)：運(yùn)用最先進(jìn)的技術(shù)來(lái)降低電源電壓，因?yàn)殡娏渴歉鶕?jù)電源電壓水平的平方值進(jìn)行等比例分配的；硬接線功能集成的耗電量通常要比基于軟件的部署少；在單一芯片上保留總線集約型作業(yè)。連接外部存儲(chǔ)器比連接芯片上的本地存儲(chǔ)器的功耗大；通過(guò)大規(guī)模功能集成減少元件數(shù)量。芯片內(nèi)部互連比芯片間互聯(lián)的耗電低；為實(shí)現(xiàn)特定功能對(duì)性能的要求，可采用動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘速度或電源電壓的電源管理技術(shù)。