手机芯片的发展历程和前景

文/王子睿

手机芯片的发展历程和前景

文/王子睿

随着信息技术的快速发展，手机行业正发生着巨大的变化。在4G快速发展的今天，5G时代也即将来临。这对全球手机芯片行业的竞争格局会产生深远的影响。芯片属于手机的核心零部件，是手机实现多种功能的硬件保证。因此，本文着重论述了手机芯片的发展进程，并探讨了手机芯片的发展前景。

手机芯片 发展进程 发展前景

电子芯片是指内含集成电路的一种硅片，体积很小，又称为微电路、微芯片、集成电路。手机芯片是电子芯片的一个重要分支，也属于手机的核心部件。因为手机上的所有功能基本都是依靠芯片完成的。芯片犹如手机的大脑与心脏，通过手机芯片的主要参数就能迅速了解这部手机的状况。可见，手机的发展离不开芯片。基于此，本文从手机芯片发展现状着手，介绍了手机芯片的关键构件并分析了其未来发展前景。

1 芯片发展现状

移动芯片属于集成电路的关键应用领域，具备非常广阔的发展前景。从通信芯片出发来说，其出货量近年来呈快速增多的趋势，2013年上半年的数量已经超过11亿片。而LTE商用发展，2G、3G以及LTE等多网共存的情况让多频多模逐渐变为通信芯片发展的前提条件，高通公司曾领先于行业，它早在2012年就推出了包含所有移动通信模式的基带芯片，同时在多模多频的研究方面也具备其他诸多芯片生产厂商所不具备的优势。同时，MTK也在2014年正式发布自己的4G八核智能手机系统单芯片解决方案MT6595，而在它之后的Hello P以及Hello X系列开始成为千元左右全网通智能手机的主要解决方案。华为公司所研发的海思半导体近年来也得到了突飞猛进的发展，麒麟芯片所使用的霸龙基带从2014年开始就处在行业领先地位，霸龙750还能够支持LTE Cat.12以及Cat.13UL网络，理论上的下载速度超过600Mbps，上传速度超过150Mbps。从应用处理芯片而言，多核复用逐渐成为设计重点，2013年上半年整个世界的多核应用处理芯片已经超过三分之二，而在四核之后，应用处理芯片也开始形成了两种不同的升级模式：一方面是进一步增加多核复用程度，其中比较典型的有MTK和三星公司研制的八核芯片；另一方面是依靠增强单个核的运算处理能力来促进整体升级，具有代表性的是苹果公司的64位ARM架构芯片。现阶段这两种升级模式都得到了很多厂家的支持，而从实际的用户体验以及X86架构发展的实际情况来说，后者所带来的实际效果更好。无论是八核并行调度或者64位架构应用处理芯片，都要获得API接口和上层操作系统的支持，其设计难度也有了很大程度的增加。

2 手机芯片组成部分分析

2.1 高端操作系统与软件处理器（AP）

目前市面上主流的AP芯片主要由CPU与GPU两部分构成。CPU一般是对软件指令进行执行操作，运行和用户交互相关的软件，CPU实际性能会直接决定应用软件的实际执行效率和速度；GPU主要是对图形图像进行处理，将处理之后的数据信息呈现在屏幕上，GPU的性能在很大程度上决定了用户玩游戏或者播放视频时的速度与质量。

2.2 中央处理单元 （CPU）

CPU（中央处理器）属于整个手机的运算和控制中心，其具体性能影响到手机的实际运行速度。CPU性能一般可以从内核数量、架构类型和主频等参数看出。现阶段大部分芯片都属于八核CPU，MTK的MT6797为10核，提高内核数量能够有效促进手机运行速度的提升，还可以增强运行多个程序时的稳定性。结构级别越高则性能越强。手机主频决定了手机的处理速度，主频参数和运行速度呈正比关系，但相对的主频越高手机的耗电量也越大。现阶段大部分智能手机都选择Cortex-A53、Cortex-A57以及Cortex-A72架构。Cortex-A53属于能效最高的架构，主要是对手机日常任务进行处理，因此大部分CPU都选择这一架构，而Cortex-A57的性能更胜一筹，但因为这一架构相对来说设计更加复杂且新制程较为缓慢，发热问题较大，2016年就开始被Cortex-A72所取代，此二种架构通常来说应用在高清视频处理这类需求较大的设备中，通常来说能够与A53内核共同组成大小混合架构。

现阶段很多CPU都是基于ARM架构或者取得ARM授权。ARM公司通常不会提供芯片成品，而仅仅是把技术专利向其他芯片生产企业授权，授权一般有两种途径：其一是ARM公司把CPU设计源代码以及使用授权直接给予其他企业；其二是ARM仅仅提供指令集合授权。部分不拥有设计能力的企业能够选择购买ARM公司的设计源代码和授权，进而提早产品上市时间。

2.3 多媒体或绘图处理器的手机核心芯片（GPU）

GPU即是图形处理器，一般负责对图形图像进行数据运算。现阶段大部分手机的GPU提供商一般都是ARM、Imagination、高通以及英伟达公司。Imagination生产的Power VR GPU属于明星级产品，诸如苹果公司、三星公司以及英特尔公司都在使用，而让普通大众所熟悉的即是苹果公司生产的iPhone手机和iPad平板电脑。高通公司生产的专属Adreno只能够适合高通的SOC，其中包含了近年来比较知名的Adreno400和500系列。英伟达公司属于PC时代下的霸主，依靠其自身过去几十年来在PC GPU研发生产中所积累的技术经验，对移动GPU开发中也取得了很好的成绩，然而从Tegre K1之后英伟达公司便宣布放弃手机市场，近年来工艺水平的逐渐提升，也可能未来会从桌面级GPU简化之后配合Tegra。

2.4 射频芯片（RF）

射频芯片主要是对射频信号以及基带信号进行转换。在上行方向，射频芯片能够把基带信号，变频为指定频段，馈入天线发射到基站；而对下行方向来说，接收从天线而来的某一频段的射频信号，之后下变频到基带，传输带处理芯片予以解调。近年来集成电路集成度的逐渐提升，射频芯片也逐渐开始向基带单芯片以及多频段单芯片的方向发展。

2.5 基带芯片（BP）

基带芯片主要是对手机通信过程中形成的数字信号进行调制解调，属于通信芯片中非常复杂的一个组成部分。基带芯片与运行协议软件能够确保某种或多种通信机制的实现。针对2G制式的手机来说，其能够支持GSM、GPRS以及EDGE等协议；而针对3G制式的手机来说，基带芯片能够支持WCDMA、CDMA以及TDSCDMA等协议。近年来移动通信标准的逐渐发展，随后开始产生3G制式的演化版本，也在很大程度上促进了终端速率的提高，可以说是3.5G以及3.75G技术。而从2016年开始，4GLTE开始发展，全球基带芯片厂商都主动投入研发中。中国移动在参与TD-LTE招标过程中有超过20款终端机型中标，其中15款就应用高通芯片，还有5款应用Marvell芯片，这两家芯片生产企业占据了80%的市场，而国产芯片仅仅有4款选择华为海思，1款选择中兴。

3 手机芯片发展前景分析

我们知道，芯片技术直接决定了移动通信的未来发展。在过去的3G时代，芯片厂商就开始了非常激烈的市场竞争，而未来的移动通信发展，谁能够设计主导市场的芯片，谁就能够获得生存与发展。4G和5G芯片设计必须要严格按照以下原则：在满足功能的基础上确保成本的最低化，如此一来就要求众多设计生产厂商进一步优化设计，努力促进芯片运行处理效率的提升，适当增加功能且能够支持各种通信协议。

现阶段发展前景较好的技术有统一寻址以及CPU、GPU异构计算。从理论上而言，CPU具备更大缓存，更适合相对复杂的逻辑计算，而GPU具备更多处理单元，能够进行并行计算，将二者的优点充分结合起来，让处理器能够自动选择调用，能够实现运行效率的最优化。在X86架构中，AMD早在多年前就开始研究，其APU体现出了超越同级别英特尔处理器的性能。而对于手机处理器来说，ARM在2015年推出的CCI-550总线，可以支持完全一致性，为统一寻址提供了基本条件，与Mimir GPU相结合，能够实现HSA1.0的效果，在很大程度上提升了数据调用速度。同时ivviK5手机融入了和PC相类似的独立显卡，从工艺上来说有了明显的进步，为手机加上和PC同类结构的GPU也为时不远。

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作者单位郑州外国语新枫杨学校 河南省郑州市450001