2G與3G并存時(shí)期的手機芯片發(fā)展趨勢和挑戰

摘要： 手機芯片作為半導體行業(yè)最為活躍的市場(chǎng)應用之一，其發(fā)展趨勢一直備受矚目。本文從讀者調查入手，通過(guò)與多家業(yè)內領(lǐng)先公司的探討，共同分析手機芯片未來(lái)的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰。

關(guān)鍵詞：手機芯片；應用處理器；電源管理；低功耗；無(wú)線(xiàn)芯片

　　如果只讓人隨身攜帶一款電子產(chǎn)品，絕大多數人的選擇肯定是手機。作為芯片領(lǐng)域最為活躍的應用領(lǐng)域，以手機芯片為主的無(wú)線(xiàn)芯片市場(chǎng)是IC設計競爭最為激烈的領(lǐng)域。隨著(zhù)手機的普及和現有手機用戶(hù)對手機功能更新的需求，手機市場(chǎng)規模超過(guò)10億部/年。特別是2G到3G的主要過(guò)渡期內，因網(wǎng)絡(luò )升級而產(chǎn)生的手機更新需求將在15億部以上。iSuppli統計表示，全球手機相關(guān)半導體產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規模2006年已達到386億美元，到2011年將增加為480億美元。圖1列出了2002~2008年世界和中國手機市場(chǎng)的發(fā)展統計。

圖1  2002-2008年世界和中國手機市場(chǎng)的發(fā)展統計

　　2008年上半年，《電子產(chǎn)品世界》手機開(kāi)發(fā)技術(shù)調查結果顯示，手機芯片組、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(fǎng)者認為芯片產(chǎn)品性?xún)r(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(fǎng)者認為能夠為芯片產(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(fǎng)讀者對芯片產(chǎn)品的主要發(fā)展要求

新時(shí)期對手機芯片的新需求

　　手機芯片的技術(shù)發(fā)展離不開(kāi)市場(chǎng)需求的驅動(dòng)，追求更多功能、更小體積和更低成本等要求成為手機芯片技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。根據通信運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )的現狀，2G/3G多模融合是當前的主導，當然，3G、LTE甚至4G則是未來(lái)手機發(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，使消費者得以擁有更流暢完整的用戶(hù)經(jīng)驗，包括在線(xiàn)游戲、視頻電話(huà)，移動(dòng)電視等方面，除了手機的運算能力以外，手機服務(wù)內容供應商所能提供的服務(wù)內容將會(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博士認為應用決定了3G手機與2G手機芯片的不同需求：從芯片技術(shù)來(lái)看，半導體的發(fā)展趨勢是更快(速度快)、更低(功耗低)、更小(面積小)，作為消費時(shí)尚前沿的手機必然選擇最先進(jìn)的工藝。3G的應用將使手機芯片追求更快的數據處理速度，以實(shí)現手機多種功能，以及更高的頻率以實(shí)現手機對各種應用的整合。除此之外，3G應用還會(huì )拉動(dòng)手機基礎芯片的升級，比如：電源管理、存儲器等。由于3G用戶(hù)會(huì )長(cháng)時(shí)間用手機獲得網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，這將促使芯片廠(chǎng)商采用更加先進(jìn)的電源管理技術(shù)以滿(mǎn)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。在存儲器方面，信息量的增加和操作系統的復雜更是加大了對存儲空間的需求。 

　　NXP手機及個(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Michel Windal補充指出，消費者已經(jīng)習慣了2G手機在待機時(shí)間和通話(huà)/運行時(shí)間上的高性能表現，這是我們目前面臨的主要挑戰。3G手機要求更高級的計算算法，但是這些性能在第一代3G手機中都被弱化了，消費者也因此對3G手機感到失望。電池和電源管理技術(shù)的發(fā)展速度遠遠跟不上對3G手機性能要求的飛速提高。這也是導致3G手機銷(xiāo)售未能達到預期效果的根本原因之一。通過(guò)大規模功能集成與內置電源管理技術(shù)的結合過(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用處理器，集成化是發(fā)展的必然趨勢。Michel Windal認為當前基帶處理器競爭的激烈性在于，RF CMOS將主導這些先進(jìn)技術(shù)，主動(dòng)集成GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSDPA及HSUPA等多模調制解調器，并通過(guò)控制功耗和EMI，集成高性能多媒體功能、藍牙和WiFi等多種連接功能，以及FM收音機和GPS等廣播功能?；鶐У募蓱鹇酝瑯釉趹?多媒體)處理器中得到部署。即使是高端的功能手機(feature phone)，最初通常采用單獨的應用處理器，為將這些功能豐富的手機帶入產(chǎn)量巨大的中端市場(chǎng)，必須在基帶架構中集成應用處理器。這樣也可優(yōu)化性能與功耗需求。由大規模集成這些融合器件所帶來(lái)的挑戰，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)現了多種功能的全球系統集成：基帶功能(數字和模擬)、收發(fā)器功能、應用處理器功能以及電源管理功能。

　　手機多媒體是2G/3G時(shí)代最重要應用，強大的多媒體處理功能將會(huì )是手機消費者的基本需求之一，3G手機、智能手機所具有的各種多媒體功能，視頻下載、在線(xiàn)娛樂(lè )、數據共享、視頻電話(huà)等對手機芯片提出了更高的要求，導致市場(chǎng)對GPS、圖像處理、手機電視、音視頻處理等功能芯片的需求大增。

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

　　對應用處理器而言，最關(guān)鍵的要求是以極低的功耗實(shí)現高質(zhì)量的多媒體功能。為此，博通公司設計出一種專(zhuān)業(yè)的Videocore的并行處理架構，它為實(shí)現極低功耗而進(jìn)行了優(yōu)化，并且使博通公司獲得了支持各種標準的或專(zhuān)有的編解碼方案的靈活性，它可以與博通公司自己的或它的任何一個(gè)競爭對手的一個(gè)應用處理器連接。VideoCore III (BCM2727)多媒體處理器不僅為移動(dòng)手機及高級媒體播放器提供高質(zhì)量的多媒體功能，而且獲得很長(cháng)的電池工作時(shí)間，而且能夠支持高清晰度攝錄機和視頻播放，高達1200萬(wàn)像素且擁有高級圖像信號處理技術(shù)的專(zhuān)業(yè)相機，用于先進(jìn)用戶(hù)界面的高性能3D技術(shù)，導航顯示以及移動(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(zhù)手機功能的日趨強大，更多的耗電量成為手機發(fā)展的瓶頸，如何加強手機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(zhù)手機在對性能要求更為嚴格的同時(shí)，對功耗要求也更為苛刻，在手機芯片開(kāi)發(fā)中需要對兩者進(jìn)行平衡。相關(guān)的調查研究顯示不同的市場(chǎng)對這兩方面的要求是有差別的，比如高端市場(chǎng)對性能要求非常高，功耗要求相對弱一些；而低端市場(chǎng)對功耗要求比較高，性能要求相對較弱。

　　NXP公司認為，尋找平衡點(diǎn)的訣竅就在于如何優(yōu)化各個(gè)高功耗子系統的架構：運用最先進(jìn)的技術(shù)來(lái)降低電源電壓，因為電量是根據電源電壓水平的平方值進(jìn)行等比例分配的；硬接線(xiàn)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(xiàn)集約型作業(yè)。連接外部存儲器比連接芯片上的本地存儲器的功耗大；通過(guò)大規模功能集成減少元件數量。芯片內部互連比芯片間互聯(lián)的耗電低；為實(shí)現特定功能對性能的要求，可采用動(dòng)態(tài)調整時(shí)鐘速度或電源電壓的電源管理技術(shù)。