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

摘要：手機(jī)芯片作為半導(dǎo)體行業(yè)最為活躍的市場應(yīng)用之一，其發(fā)展趨勢一直備受矚目。本文從讀者調(diào)查入手，通過與多家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先公司的探討，共同分析手機(jī)芯片未來的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(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)芯片為主的無線芯片市場是IC設(shè)計(jì)競爭最為激烈的領(lǐng)域。隨著手機(jī)的普及和現(xiàn)有手機(jī)用戶對手機(jī)功能更新的需求，手機(jī)市場規(guī)模超過10億部／年。特別是2G到3G的主要過渡期內(nèi)，因網(wǎng)絡(luò)升級而產(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年世界和中國手機(jī)市場的發(fā)展統(tǒng)計(jì)。

2008年上半年，《電子產(chǎn)品世界》手機(jī)開發(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)。

新時(shí)期對手機(jī)芯片的新需求

手機(jī)芯片的技術(shù)發(fā)展離不開市場需求的驅(qū)動，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。根據(jù)通信運(yùn)營網(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)來看，半導(dǎo)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(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)對各種應(yīng)用的整合。除此之外，3G應(yīng)用還會拉動手機(jī)基礎(chǔ)芯片的升級，比如：電源管理、存儲器等。由于3G用戶會長時(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(tǒng)的復(fù)雜更是加大了對存儲空間的需求。

NXP手機(jī)及個人移動通信事業(yè)部業(yè)務(wù)開發(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。通過大規(guī)模功能集成與內(nèi)置電源管理技術(shù)的結(jié)合過渡到深亞微米CMOS(45納米及更高工藝)技術(shù)，這一問題有望得以解決。

拓展媒體處理能力是重點(diǎn)

無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。Michel Windal認(rèn)為當(dāng)前基帶處理器競爭的激烈性在于，RF CMoS將主導(dǎo)這些先進(jìn)技術(shù)，主動集成GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSDPA及HSUPA等多模調(diào)制解調(diào)器，并通過控制功耗和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。基帶的集成戰(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，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的挑戰(zhàn)，正迫使芯片制造商們積極主動地采用最先進(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、數(shù)據(jù)共享、視頻電話等對手機(jī)芯片提出了更高的要求，導(dǎo)致市場對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)和競爭制勝的利器。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)備功能融合于無線終端中。數(shù)據(jù)與內(nèi)容是3G持續(xù)不斷的推動力，核心技術(shù)則是支持應(yīng)用的一個平臺，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，也給芯片制造帶來不可限量的發(fā)展前景和機(jī)會。同時(shí)，針對需要音頻、視頻質(zhì)量，整個技術(shù)結(jié)構(gòu)都將需要得到不斷提升的市場需求，手機(jī)芯片領(lǐng)域也迎來了重新洗牌的機(jī)會。因此，TI認(rèn)為要想在手機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)目前和未來的競爭中占據(jù)有利位置，手機(jī)芯片多媒體功能必將成為目前手機(jī)芯片市場角逐的重點(diǎn)。對于芯片廠商而言，多媒體應(yīng)用處理器的處理能力以及其所能達(dá)到的效能將愈來愈重要。

對應(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競爭對手的一個應(yīng)用處理器連接。VideoCore Ⅲ (BCM2727)多媒體處理器不僅為移動手機(jī)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)1200萬像素且擁有高級圖像信號處理技術(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)航顯示以及移動游戲，如圖3。

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)面臨的主要問題。這就意味著手機(jī)在對性能要求更為嚴(yán)格的同時(shí)，對功耗要求也更為苛刻，在手機(jī)芯片開發(fā)中需要對兩者進(jìn)行平衡。相關(guān)的調(diào)查研究顯示不同的市場對這兩方面的要求是有差別的，比如高端市場對性能要求非常高，功耗要求相對弱一些，而低端市場對功耗要求比較高，性能要求相對較弱。

NXP公司認(rèn)為，尋找平衡點(diǎn)的訣竅就在于如何優(yōu)化各個高功耗子系統(tǒng)的架構(gòu)：運(yùn)用最先進(jìn)的技術(shù)來降低電源電壓，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)。連接外部存儲器比連接芯片上的本地存儲器的功耗大；通過大規(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)特定功能對性能的要求，可采用動態(tài)調(diào)整時(shí)鐘速度或電源電壓的電源管理技術(shù)。

如果向45納米甚至以后的32納米演進(jìn)，以合理的功耗顯著提高數(shù)據(jù)處理能力已不成問題。LTE調(diào)制解調(diào)器處理器將于2010-2011年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，也必須支持遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于每秒1.2萬兆指令的峰值性能。這必須通過極具創(chuàng)新性的架構(gòu)和處理器技術(shù)，配合先進(jìn)的電源管理方法才能實(shí)現(xiàn)。展訊公司副總裁曹強(qiáng)博士認(rèn)為，通過將電源管理部分(PMU)與基帶集成為單芯片，從而降低板級功耗；并且提高LDO的工作效率，以實(shí)現(xiàn)整體功耗的降低。為降低漏電流，NXP將電源管理集成到手機(jī)基帶中，以對每個小的子系統(tǒng)中的功耗進(jìn)行微管理，還通過動態(tài)頻率或電源級調(diào)整以最低的功耗優(yōu)化性能。博通公司則認(rèn)為，目前在市場中有很多電源管理功能可以被集成到芯片當(dāng)中，但是有很多大功率功能，例如電源插座充電器，它需要較大的電壓，一般都不會放進(jìn)65納米或以下的工藝中去實(shí)現(xiàn)。我們看到那些帶有高壓要求特征的模塊與低壓部分被分開，把高壓的部分放在電源管理器上，而低壓射頻放在基帶上。不是全都可以放在基帶上，因?yàn)橄馯SB和電源插座充電器這樣一類的模塊所要求的電壓超出了深亞微米工藝所能處理的范圍。采用65納米低壓數(shù)字CMOS也可以降低手機(jī)芯片的功耗。TI增強(qiáng)型SmartReflex2不僅包含各種軟硬件技術(shù)，能夠從系統(tǒng)級解決方案解決整個設(shè)計(jì)的電源管理問題，更增加許多新功能包括Adaptive Body Bias(ABB)、Retention'Til Access(RTA)存儲器以及SmartReflex PriMer工具，將大幅提升45nm的性能與功耗平衡能力。

2G向3G過渡時(shí)面臨的挑戰(zhàn)

也許降低芯片數(shù)量是節(jié)能降耗最直接的手段，未來手機(jī)芯片低功耗技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于單芯片的功能集成。嚴(yán)格意義的單芯片是指所有電路集成在一塊芯片上。特別是針對2G和3G的入門級和中級細(xì)分市場，無論從尺寸、性能到成本，單芯片集成都是最具吸引力的技術(shù)。單芯片集成的主要挑戰(zhàn)是基帶上的射頻技術(shù)集成，對制造過程及性能而言，這是技術(shù)上的最大挑戰(zhàn)。在一部手機(jī)中帶有多種無線裝置是一個巨大挑戰(zhàn)，例如將手機(jī)射頻技術(shù)、藍(lán)牙、調(diào)頻和Wi-Fi技術(shù)都整合在非常薄且小巧的同一裝置中。將這些無線裝置安裝到手機(jī)里已經(jīng)足夠困難，何況還要獲得良好的性能，并在具有不同操作形式的同時(shí)確保他們不會相互干擾。

當(dāng)然，我們也不能忽視推動手機(jī)成本下降的不斷集成的技術(shù)將是今后很多年里的一個持續(xù)挑戰(zhàn)。手機(jī)市場最大需求是將所有的功能集成在一起。從技術(shù)上說，把射頻集成到基帶中是相當(dāng)困難的，其關(guān)鍵因素是和基帶連接到一起的手機(jī)射頻部分。系統(tǒng)集成意味著混合模擬和數(shù)字功能在同一設(shè)備中共存，即集成復(fù)雜的模擬功能，如ADC、DAC等。

展訊認(rèn)為多種不同制式的基帶將集成為多模基帶；外圍的主要元器件如射頻、存儲器、FM、藍(lán)牙、GPS等也將逐漸與基帶集成。博通公司已經(jīng)將藍(lán)牙、Wi-Fi和調(diào)頻收無線技術(shù)集成在一起，下一階段會繼續(xù)將GPS和UWB集成到芯片里。NXP繼承了Silicon Labs在收發(fā)器設(shè)計(jì)中的CMOS技術(shù)，目前正利用該技術(shù)集成基帶和RF，利用深亞微米CMOS(45納米及更高工藝)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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。目前，唯一亟待解決的只剩下天線功率放大器了(圖4)。

其實(shí)，所有的無線技術(shù)都將朝著單芯片集成的發(fā)向發(fā)展，曹強(qiáng)博士在總結(jié)未來手機(jī)發(fā)展的趨勢和挑戰(zhàn)時(shí)特別強(qiáng)調(diào)了如下三點(diǎn)：

趨勢和挑戰(zhàn)一，多模芯片的發(fā)展，GSM/GPRS/EDGE與TD-SCDMA|HSPA、WCDMA/HSPA、WIFI的多模組合芯片，對于芯片構(gòu)架設(shè)計(jì)了提出新的要求，尋找可以盡可能的復(fù)用資源，成本最低的方案，成為擺在各芯片公司面前的難題；

趨勢和挑戰(zhàn)二，65nm工藝進(jìn)行模擬和數(shù)字電路的混合設(shè)計(jì)，數(shù)字比較容易升級到65nm，模擬／RF電路比較難進(jìn)入65nm工藝；

趨勢和挑戰(zhàn)三，對于多種多媒體制式的支持，手機(jī)正在兼容越來越多的PC上的多媒體內(nèi)容，如何更多更經(jīng)濟(jì)的支持這些多媒體內(nèi)容，是芯片公司面臨的挑戰(zhàn)。一個方向是做更多的硬件加速器，一個方向是做更強(qiáng)大的MCU，靠軟件來支持不同的格式。

在體積日益縮小的支持多模無線、互聯(lián)和廣播功能的應(yīng)用中，TI認(rèn)為數(shù)字電路與CMOS收發(fā)器等先進(jìn)模擬模塊的共存要求廠商在模擬設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)，電磁干擾(EMI)問題也很棘手。這些多功能平臺系統(tǒng)之所以復(fù)雜，在于所有的輻射系統(tǒng)必須在可限定的電磁干擾范圍內(nèi)盡可能地“緊密”合作。

3G時(shí)代還將激戰(zhàn)低成本和單芯片市場

單芯片(Single-Chip)化是超低價(jià)手機(jī)用芯片的一種必然趨勢，中高階的手機(jī)用芯片為了追求功效的多樣，多半要以芯片組(2顆以上的成套芯片搭配)方式來實(shí)現(xiàn)，低價(jià)／超低價(jià)手機(jī)以成本為首要考慮，將芯片組電路進(jìn)行進(jìn)一步的整合，成為單一顆芯片。單芯片化后的好處包括精省芯片的封裝成本(從2顆芯片的各1次封裝，變成單顆單次封裝)、在手機(jī)電路板的布局設(shè)計(jì)時(shí)可以精省印刷電路板的面積及料材成本。2G時(shí)代很多基帶廠商都已推出單芯片手機(jī)解決方案。展訊公司曹強(qiáng)博士坦言降低芯片成本的途徑就是進(jìn)一步提高芯片的集成度。在降低成本的同時(shí)，芯片廠商會盡可能提供更多的功能，2G超低成本手機(jī)解決方案也已經(jīng)向拍照、多媒體應(yīng)用發(fā)展，如圖5。

為加速3G終端的普及，3G終端成本持續(xù)下降也成為業(yè)界另一個焦點(diǎn)和趨勢。除了高端智能手機(jī)外，手機(jī)芯片廠商特別是手機(jī)平臺廠商對超低成本手機(jī)的重視有增無減。隨著3G手機(jī)的開發(fā)，2G手機(jī)的成本會下降。而隨著3G標(biāo)準(zhǔn)的成熟以及中國等國家建成3G網(wǎng)絡(luò)，將出現(xiàn)低成本3G市場(特別是單芯片多模3G手機(jī))與2G市場競爭的局面。如博通高集成度單芯片解決方案內(nèi)置RF、2G和3G處理器，以及先進(jìn)的移動多媒體處理器。

多年來，單芯片移動電話一直是業(yè)界努力追求的理想。全面集成模擬、數(shù)字、基帶和蜂窩無線部分，將是一件非常難以實(shí)現(xiàn)的事情，但在無線芯片巨頭們的努力下，也許這一天已經(jīng)不再遙不可及!

寫在最后：競爭在加劇，強(qiáng)弱在分化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2010年，全球半導(dǎo)體市場的35％將屬于通信半導(dǎo)體，其中手機(jī)將占據(jù)50％以上的市場份額。2007年，由于手機(jī)市場需求持續(xù)強(qiáng)勁增長，無線產(chǎn)品的芯片銷售實(shí)現(xiàn)超過整體芯片市場的增長速度。2007年，全球無線半導(dǎo)體市場收入達(dá)295億美元，較2006年的274億美元增長了7.6％。相較之下，全球各類半導(dǎo)體的同期市場增幅僅為3.3％。

誘人的蛋糕從來不缺乏追逐者，為了搶占盡可能多的手機(jī)芯片市場相對豐厚的利潤，壯大自身實(shí)力是最直接的辦法。最近一年多的時(shí)間，手機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)并購頻發(fā)。這其中最震撼的也是最近發(fā)生的則是意法(ST)和恩智浦(NXP)無線部門的合并為獨(dú)立公司，新公司的市場份額將甩開身后混戰(zhàn)叢中的競爭者，逼近前面兩位領(lǐng)頭羊。一系列并購案的背后，折射的是無線芯片市場更為嚴(yán)酷的競爭新格局。

2007年，全球手機(jī)出貨量達(dá)11.5億部，較2006年的9.9億部增長16.1％，這使無線半導(dǎo)體市場在2007年保持較高的增幅，其中，十大供應(yīng)商中有六家實(shí)現(xiàn)了兩位數(shù)的收入增長。iSuppli全球十大無線半導(dǎo)體供應(yīng)商排名見表1。前十大無線半導(dǎo)體廠商的綜合市場占有率則提升了1.5％，在拉開與身后追趕著距離的同時(shí)，無疑留下了更為狹小的生存空間，競爭在加劇，強(qiáng)弱在分化。