手機(jī)SoC發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

王睿淇　張瑋　景寅洛　張逸群

摘要：SoC是手機(jī)中的核心，它直接決定了手機(jī)的性能。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，雖然它的基本原理和核心結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生較大變化，但是它的處理器性能、CPU主頻、內(nèi)存，通信基帶等都有了很大的進(jìn)步。該文介紹了手機(jī)SoC的基本原理、發(fā)展歷程、最新一代產(chǎn)品的特征以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：SoC;CPU;通信基帶;處理器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0292-02

1手機(jī)SoC的基本原理

SoC（Systemon Chip）即片上系統(tǒng)，是一個(gè)專(zhuān)用的集成電路，包含了完整的系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。它是手機(jī)的核心模塊，集成了手機(jī)的 CPU、GPU、DSP、RAM、通信基帶、GPS 等部件。下面主要介紹SoC中的幾個(gè)核心部件。

（1）CPU（Central Processing Unit）是整臺(tái)手機(jī)的控制中樞，也是邏輯部分的控制中心。其功能與PC中的CPU一樣，所有任務(wù)都要經(jīng)過(guò)它的處理控制才能完成。CPU的架構(gòu)對(duì)其整體性能起到了決定性的作用，使用不同架構(gòu)的CPU在同主頻下，其性能差距可達(dá)到2～5倍。此外，主頻、RAM、核心數(shù)、能耗等也是決定CPU性能指標(biāo)的重要參數(shù)。

（2）GPU（Graphics Processing Unit）的作用類(lèi)似于PC機(jī)中的顯卡。它是一塊高度集成的芯片，其中包含了圖形處理所需的元件。對(duì)于GPU來(lái)說(shuō)，它的性能由多邊形生成速率和像素渲染能力決定。在傳統(tǒng)的智能機(jī)中，所有的軟件和游戲都由CPU來(lái)處理，而如今GPU擔(dān)起圖像顯示的任務(wù)，并且還提供了視頻播放、視頻錄制和照相時(shí)的輔助處理功能，這使得CPU被大大解放，手機(jī)SoC的整體性能也有了較大的提升。

（3）DSP（Digital Signal Processing）是與手機(jī)中拍照和錄像功能密切相關(guān)的一個(gè)部件，它專(zhuān)注于處理圖像和各種音頻。DSP的主要功能是進(jìn)行難度較高的計(jì)算處理，在拍照時(shí)根據(jù)算法對(duì)畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化，比如降噪、曝光補(bǔ)償、色彩校正等。目前，DSP正在進(jìn)一步加強(qiáng)深度學(xué)習(xí)、人工智能等相關(guān)功能，這將為用戶(hù)帶來(lái)更好的拍攝畫(huà)質(zhì)和更出色的使用體驗(yàn)。

（4）通信基帶是手機(jī)終端中難度最高的核心部分，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)通信功能。基帶芯片是用來(lái)將音頻合成為即將發(fā)射的基帶信號(hào)，或把接收到的基帶信號(hào)解碼為音頻信號(hào)。此外，它還負(fù)責(zé)對(duì)輸入輸出的文字、圖片等信息的解碼和編碼。與其他芯片不同的是，基帶芯片中包含了獨(dú)立的CPU、DSP、調(diào)制解調(diào)器等部件，以減少對(duì)系統(tǒng)CPU資源的占用。

2手機(jī)SoC發(fā)展歷程

伴隨著智能手機(jī)的誕生，手機(jī)SoC也應(yīng)運(yùn)而生。2000年，摩托羅拉發(fā)布了名為天拓A6188的手機(jī)，這是世界首款真正意義上的智能手機(jī)，運(yùn)行PPSM （Personal Portable Systems Manager）操作系統(tǒng)，搭載了摩托羅拉自主研發(fā)的Dragon ball EZ（龍珠）處理器。這款處理器的主頻雖然只有16MHz，但它是第一款運(yùn)用在智能手機(jī)上的處理器，為如今智能手機(jī)的普及奠定了基礎(chǔ)。早期的手機(jī)SoC性能比較低，兼容性不強(qiáng)，功耗高。許多芯片制造廠商為了解決這些問(wèn)題研發(fā)了很多產(chǎn)品，其中主要有德州儀器，Nvidia，Marvell，Intel，高通，蘋(píng)果，三星，聯(lián)發(fā)科，海思麒麟等等。下面簡(jiǎn)單介紹幾款具有代表性的移動(dòng)SoC：

NvidiaTegra2

早期手機(jī)SoC的CPU部分多采用單核心的設(shè)計(jì)，且主頻不高。2011年，NVIDIA在CES（International Consumer Electronics Show）展場(chǎng)上，發(fā)布NvidiaTegra2片上系統(tǒng)處理器。這塊處理器基于臺(tái)積電的40nm的制程工藝，采用了ARM的架構(gòu)，集成了2.6億個(gè)晶體管，內(nèi)建了2個(gè)處理器核心，主頻為1GHz。這是世界上第一款雙核心的手機(jī)SoC，開(kāi)啟了手機(jī)SoC的多核心時(shí)代。

蘋(píng)果A7處理器

2013年秋，蘋(píng)果發(fā)布了iPhone5s，搭載了全球首款64位手機(jī)處理器，并且內(nèi)建一個(gè)M7協(xié)處理器，用以處理各種傳感器數(shù)據(jù)——加速度傳感器，指南針、陀螺儀等，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，節(jié)省了能耗。

華為海思麒麟970

2017年，華為旗下的海思半導(dǎo)體發(fā)布了麒麟970處理器，這款處理器是世界首款A(yù)I芯片，首次引入了NPU（Neural-network Processing Unit）模塊。 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手機(jī)處理器已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的運(yùn)算量。NPU——用來(lái)專(zhuān)門(mén)處理人工智能計(jì)算的芯片，將深度學(xué)習(xí)、圖像處理等相關(guān)的運(yùn)算接管過(guò)來(lái)，減輕CPU、GPU的壓力，從而降低功耗。因?yàn)镹PU的協(xié)同計(jì)算，搭載麒麟970的手機(jī)在圖像識(shí)別速度上，可達(dá)到約2000張/分鐘。

3新一代SoC發(fā)展現(xiàn)狀

目前智能手機(jī)處理器多采用ARM的架構(gòu)，并且隨著制程工藝的更新，性能越來(lái)越強(qiáng)悍，甚至可以比肩某些桌面級(jí)的處理器。最新的制程工藝已經(jīng)達(dá)到了7nm的級(jí)別。現(xiàn)如今，綜合排名前三的手機(jī)CPU也已被廣泛應(yīng)用于各大手機(jī)廠商的智能手機(jī)中，它們分別是：蘋(píng)果A12處理器、高通驍龍855處理器和華為海思麒麟980處理器。

蘋(píng)果的a12處理器是世界上第一款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和商用的7nm處理器，該芯片系統(tǒng)的緩存是自A7處理器推出以來(lái)變化最大的，此外，A12搭載的NPU也是有了質(zhì)的飛躍，它的NPU從之前的雙核直接提升到了八核心設(shè)計(jì)，并且擁有更大的CPU和更大容量的緩存結(jié)構(gòu)。

2018年，高通公司發(fā)布驍龍855處理器，這款處理器的性能可用兩個(gè)詞描述：堅(jiān)挺，持久。首先，驍龍855采用了7nm集成工藝，Kryo485CPU，其摒棄了之前的架構(gòu)，采用了1+3+4的三叢集架構(gòu)：1代表一顆主頻為2.84Ghz，是基于Cortex-A76的核心;3是指3顆中核，主頻為2.41Ghz;4指4枚小核心，主頻為1.78GHz。此外，驍龍855內(nèi)部集成了X24 LTE調(diào)制解調(diào)器，該設(shè)計(jì)可以使Android系統(tǒng)手機(jī)率先支持5G， 支持最高可達(dá)2Gbps的下行速率。

作為我國(guó)的頭號(hào)通信公司，2018年華為公司的海思麒麟980芯片一經(jīng)發(fā)布便引起了廣泛關(guān)注。該芯片采用了臺(tái)積電7nm工藝制造，集成69億個(gè)晶體管，這使得麒麟980性能比之前提升了20%，能效提升了40%。并且，雙核NPU是一項(xiàng)新的創(chuàng)新，該設(shè)計(jì)可使得處理器實(shí)現(xiàn)每分鐘識(shí)別4500張圖像，支持很多種不同的AI場(chǎng)景。對(duì)于GPU來(lái)說(shuō)，相比于之前的970，麒麟980芯片提升近一半。

4國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)

近幾年，我國(guó)的SoC在技術(shù)和質(zhì)量上都有了很大的提高，但仍面臨著更大的挑戰(zhàn)。比如功耗問(wèn)題給當(dāng)今我國(guó)SoC的發(fā)展帶來(lái)較大的限制，這個(gè)問(wèn)題使得整個(gè)器件需要做一些全新的調(diào)整，現(xiàn)行的集成電路設(shè)計(jì)思想也需要一定的改革和創(chuàng)新。今后，我國(guó)要集中精力攻克SoC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，加大力度開(kāi)發(fā)芯片軟件，增強(qiáng)對(duì)移動(dòng)通訊和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注度，因?yàn)樗麄兊娜诤蠈?huì)主導(dǎo)SoC之后的發(fā)展方向。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】