手機芯片的發展歷程和前景

文/王子睿

手機芯片的發展歷程和前景

文/王子睿

隨著信息技術的快速發展，手機行業正發生著巨大的變化。在4G快速發展的今天，5G時代也即將來臨。這對全球手機芯片行業的競爭格局會產生深遠的影響。芯片屬于手機的核心零部件，是手機實現多種功能的硬件保證。因此，本文著重論述了手機芯片的發展進程，并探討了手機芯片的發展前景。

手機芯片 發展進程 發展前景

電子芯片是指內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。手機芯片是電子芯片的一個重要分支，也屬于手機的核心部件。因為手機上的所有功能基本都是依靠芯片完成的。芯片猶如手機的大腦與心臟，通過手機芯片的主要參數就能迅速了解這部手機的狀況。可見，手機的發展離不開芯片。基于此，本文從手機芯片發展現狀著手，介紹了手機芯片的關鍵構件并分析了其未來發展前景。

1 芯片發展現狀

移動芯片屬于集成電路的關鍵應用領域，具備非常廣闊的發展前景。從通信芯片出發來說，其出貨量近年來呈快速增多的趨勢，2013年上半年的數量已經超過11億片。而LTE商用發展，2G、3G以及LTE等多網共存的情況讓多頻多模逐漸變為通信芯片發展的前提條件，高通公司曾領先于行業，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廠商所不具備的優勢。同時，MTK也在2014年正式發布自己的4G八核智能手機系統單芯片解決方案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通智能手機的主要解決方案。華為公司所研發的海思半導體近年來也得到了突飛猛進的發展，麒麟芯片所使用的霸龍基帶從2014年開始就處在行業領先地位，霸龍750還能夠支持LTE Cat.12以及Cat.13UL網絡，理論上的下載速度超過600Mbps，上傳速度超過150Mbps。從應用處理芯片而言，多核復用逐漸成為設計重點，2013年上半年整個世界的多核應用處理芯片已經超過三分之二，而在四核之后，應用處理芯片也開始形成了兩種不同的升級模式：一方面是進一步增加多核復用程度，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單個核的運算處理能力來促進整體升級，具有代表性的是蘋果公司的64位ARM架構芯片。現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架構發展的實際情況來說，后者所帶來的實際效果更好。無論是八核并行調度或者64位架構應用處理芯片，都要獲得API接口和上層操作系統的支持，其設計難度也有了很大程度的增加。

2 手機芯片組成部分分析

2.1 高端操作系統與軟件處理器（AP）

目前市面上主流的AP芯片主要由CPU與GPU兩部分構成。CPU一般是對軟件指令進行執行操作，運行和用戶交互相關的軟件，CPU實際性能會直接決定應用軟件的實際執行效率和速度；GPU主要是對圖形圖像進行處理，將處理之后的數據信息呈現在屏幕上，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量。

2.2 中央處理單元 （CPU）

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

現階段很多CPU都是基于ARM架構或者取得ARM授權。ARM公司通常不會提供芯片成品，而僅僅是把技術專利向其他芯片生產企業授權，授權一般有兩種途徑：其一是ARM公司把CPU設計源代碼以及使用授權直接給予其他企業；其二是ARM僅僅提供指令集合授權。部分不擁有設計能力的企業能夠選擇購買ARM公司的設計源代碼和授權，進而提早產品上市時間。

2.3 多媒體或繪圖處理器的手機核心芯片（GPU）

GPU即是圖形處理器，一般負責對圖形圖像進行數據運算。現階段大部分手機的GPU提供商一般都是ARM、Imagination、高通以及英偉達公司。Imagination生產的Power VR GPU屬于明星級產品，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的iPhone手機和iPad平板電腦。高通公司生產的專屬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研發生產中所積累的技術經驗，對移動GPU開發中也取得了很好的成績，然而從Tegre K1之后英偉達公司便宣布放棄手機市場，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行轉換。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。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展。

2.5 基帶芯片（BP）

基帶芯片主要是對手機通信過程中形成的數字信號進行調制解調，屬于通信芯片中非常復雜的一個組成部分。基帶芯片與運行協議軟件能夠確保某種或多種通信機制的實現。針對2G制式的手機來說，其能夠支持GSM、GPRS以及EDGE等協議；而針對3G制式的手機來說，基帶芯片能夠支持WCDMA、CDMA以及TDSCDMA等協議。近年來移動通信標準的逐漸發展，隨后開始產生3G制式的演化版本，也在很大程度上促進了終端速率的提高，可以說是3.5G以及3.75G技術。而從2016年開始，4GLTE開始發展，全球基帶芯片廠商都主動投入研發中。中國移動在參與TD-LTE招標過程中有超過20款終端機型中標，其中15款就應用高通芯片，還有5款應用Marvell芯片，這兩家芯片生產企業占據了80%的市場，而國產芯片僅僅有4款選擇華為海思，1款選擇中興。

3 手機芯片發展前景分析

我們知道，芯片技術直接決定了移動通信的未來發展。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展，誰能夠設計主導市場的芯片，誰就能夠獲得生存與發展。4G和5G芯片設計必須要嚴格按照以下原則：在滿足功能的基礎上確保成本的最低化，如此一來就要求眾多設計生產廠商進一步優化設計，努力促進芯片運行處理效率的提升，適當增加功能且能夠支持各種通信協議。

現階段發展前景較好的技術有統一尋址以及CPU、GPU異構計算。從理論上而言，CPU具備更大緩存，更適合相對復雜的邏輯計算，而GPU具備更多處理單元，能夠進行并行計算，將二者的優點充分結合起來，讓處理器能夠自動選擇調用，能夠實現運行效率的最優化。在X86架構中，AMD早在多年前就開始研究，其APU體現出了超越同級別英特爾處理器的性能。而對于手機處理器來說，ARM在2015年推出的CCI-550總線，可以支持完全一致性，為統一尋址提供了基本條件，與Mimir GPU相結合，能夠實現HSA1.0的效果，在很大程度上提升了數據調用速度。同時ivviK5手機融入了和PC相類似的獨立顯卡，從工藝上來說有了明顯的進步，為手機加上和PC同類結構的GPU也為時不遠。

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作者單位鄭州外國語新楓楊學校 河南省鄭州市450001