2G与3G并存时期的手机芯片发展趋势和挑战

摘要： 手机芯片作为半导体行业最为活跃的市场应用之一，其发展趋势一直备受瞩目。本文从读者调查入手，通过与多家业内领先公司的探讨，共同分析手机芯片未来的发展趋势和面临的挑战。

关键词：手机芯片；应用处理器；电源管理；低功耗；无线芯片

　　如果只让人随身携带一款电子产品，绝大多数人的选择肯定是手机。作为芯片领域最为活跃的应用领域，以手机芯片为主的无线芯片市场是IC设计竞争最为激烈的领域。随着手机的普及和现有手机用户对手机功能更新的需求，手机市场规模超过10亿部/年。特别是2G到3G的主要过渡期内，因网络升级而产生的手机更新需求将在15亿部以上。iSuppli统计表示，全球手机相关半导体产业的市场规模2006年已达到386亿美元，到2011年将增加为480亿美元。图1列出了2002~2008年世界和中国手机市场的发展统计。

图1  2002-2008年世界和中国手机市场的发展统计

　　2008年上半年，《电子产品世界》手机开发技术调查结果显示，手机芯片组、多媒体器件和电源管理是读者最关注的技术领域，关注度均达35%以上，功能创新(64.4%)和成本降低(44.7%)则成为读者关心的发展方向。而42.3%的受访者认为芯片产品性价比的进一步提高是今后的主要发展要求，也有部分受访者认为能够为芯片产品提供完整的解决方案或进一步降低功耗才是发展的主要要求(如图2)。

图2 受访读者对芯片产品的主要发展要求

新时期对手机芯片的新需求

　　手机芯片的技术发展离不开市场需求的驱动，追求更多功能、更小体积和更低成本等要求成为手机芯片技术发展的主要趋势。根据通信运营网络的现状，2G/3G多模融合是当前的主导，当然，3G、LTE甚至4G则是未来手机发展的主要方向。相比较2G而言，由于3G网络能够提供更大的传输速度，使消费者得以拥有更流畅完整的用户经验，包括在线游戏、视频电话，移动电视等方面，除了手机的运算能力以外，手机服务内容供应商所能提供的服务内容将会3G发展的重要推力之一。

　　展讯通信有限公司副总裁曹强博士认为应用决定了3G手机与2G手机芯片的不同需求：从芯片技术来看，半导体的发展趋势是更快(速度快)、更低(功耗低)、更小(面积小)，作为消费时尚前沿的手机必然选择最先进的工艺。3G的应用将使手机芯片追求更快的数据处理速度，以实现手机多种功能，以及更高的频率以实现手机对各种应用的整合。除此之外，3G应用还会拉动手机基础芯片的升级，比如：电源管理、存储器等。由于3G用户会长时间用手机获得网络服务，这将促使芯片厂商采用更加先进的电源管理技术以满足越来越高的功耗需求，同时，也要求基带、射频等芯片的功耗更低。在存储器方面，信息量的增加和操作系统的复杂更是加大了对存储空间的需求。 

　　NXP手机及个人移动通信事业部业务开发与策略合作总监Michel Windal补充指出，消费者已经习惯了2G手机在待机时间和通话/运行时间上的高性能表现，这是我们目前面临的主要挑战。3G手机要求更高级的计算算法，但是这些性能在第一代3G手机中都被弱化了，消费者也因此对3G手机感到失望。电池和电源管理技术的发展速度远远跟不上对3G手机性能要求的飞速提高。这也是导致3G手机销售未能达到预期效果的根本原因之一。通过大规模功能集成与内置电源管理技术的结合过渡到深亚微米CMOS(45纳米及更高工艺)技术，这一问题有望得以解决。
　　
　　拓展媒体处理能力是重点
　　无论是基带处理器还是应用处理器，集成化是发展的必然趋势。Michel Windal认为当前基带处理器竞争的激烈性在于，RF CMOS将主导这些先进技术，主动集成GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSDPA及HSUPA等多模调制解调器，并通过控制功耗和EMI，集成高性能多媒体功能、蓝牙和WiFi等多种连接功能，以及FM收音机和GPS等广播功能。基带的集成战略同样在应用(多媒体)处理器中得到部署。即使是高端的功能手机(feature phone)，最初通常采用单独的应用处理器，为将这些功能丰富的手机带入产量巨大的中端市场，必须在基带架构中集成应用处理器。这样也可优化性能与功耗需求。由大规模集成这些融合器件所带来的挑战，正迫使芯片制造商们积极主动地采用最先进的深亚微米CMOS(45纳米及以上工艺)技术。它实现了多种功能的全球系统集成：基带功能(数字和模拟)、收发器功能、应用处理器功能以及电源管理功能。

　　手机多媒体是2G/3G时代最重要应用，强大的多媒体处理功能将会是手机消费者的基本需求之一，3G手机、智能手机所具有的各种多媒体功能，视频下载、在线娱乐、数据共享、视频电话等对手机芯片提出了更高的要求，导致市场对GPS、图像处理、手机电视、音视频处理等功能芯片的需求大增。

　　多媒体应用芯片的研发，已成为3G手机产业的核心技术和竞争制胜的利器。芯片的高数据处理速度为在终端中实现多媒体应用创造了硬件条件，同时也能把更多先进电子设备功能融合于无线终端中。数据与内容是3G持续不断的推动力，核心技术则是支持应用的一个平台，而给3G应用提供核心技术支持的多媒体芯片就承担起实现3G应用的重任，也给芯片制造带来不可限量的发展前景和机会。同时，针对需要音频、视频质量，整个技术结构都将需要得到不断提升的市场需求，手机芯片领域也迎来了重新洗牌的机会。因此，TI认为要想在手机芯片产业目前和未来的竞争中占据有利位置，手机芯片多媒体功能必将成为目前手机芯片市场角逐的重点。对于芯片厂商而言，多媒体应用处理器的处理能力以及其所能达到的效能将愈来愈重要。

　　对应用处理器而言，最关键的要求是以极低的功耗实现高质量的多媒体功能。为此，博通公司设计出一种专业的Videocore的并行处理架构，它为实现极低功耗而进行了优化，并且使博通公司获得了支持各种标准的或专有的编解码方案的灵活性，它可以与博通公司自己的或它的任何一个竞争对手的一个应用处理器连接。VideoCore III (BCM2727)多媒体处理器不仅为移动手机及高级媒体播放器提供高质量的多媒体功能，而且获得很长的电池工作时间，而且能够支持高清晰度摄录机和视频播放，高达1200万像素且拥有高级图像信号处理技术的专业相机，用于先进用户界面的高性能3D技术，导航显示以及移动游戏，如图3。

图3 BCM2727功能方框图

　　寻找功耗与性能的平衡点
　　随着手机功能的日趋强大，更多的耗电量成为手机发展的瓶颈，如何加强手机功能而不以牺牲功耗为前提，成为产业面临的主要问题。这就意味着手机在对性能要求更为严格的同时，对功耗要求也更为苛刻，在手机芯片开发中需要对两者进行平衡。相关的调查研究显示不同的市场对这两方面的要求是有差别的，比如高端市场对性能要求非常高，功耗要求相对弱一些；而低端市场对功耗要求比较高，性能要求相对较弱。

　　NXP公司认为，寻找平衡点的诀窍就在于如何优化各个高功耗子系统的架构：运用最先进的技术来降低电源电压，因为电量是根据电源电压水平的平方值进行等比例分配的；硬接线功能集成的耗电量通常要比基于软件的部署少；在单一芯片上保留总线集约型作业。连接外部存储器比连接芯片上的本地存储器的功耗大；通过大规模功能集成减少元件数量。芯片内部互连比芯片间互联的耗电低；为实现特定功能对性能的要求，可采用动态调整时钟速度或电源电压的电源管理技术。