2g3g转换_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。
　　
　　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)。
　　
　　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。
　　
　　
　　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。
　　如果向45纳米甚至以后的32纳米演进，以合理的功耗显著提高数据处理能力已不成问题。LTE调制解调器处理器将于2010-2011年实现量产，也必须支持远远高于每秒1.2万兆指令的峰值性能。这必须通过极具创新性的架构和处理器技术，配合先进的电源管理方法才能实现。展讯公司副总裁曹强博士认为，通过将电源管理部分(PMU)与基带集成为单芯片，从而降低板级功耗；并且提高LDO的工作效率，以实现整体功耗的降低。为降低漏电流，NXP将电源管理集成到手机基带中，以对每个小的子系统中的功耗进行微管理，还通过动态频率或电源级调整以最低的功耗优化性能。博通公司则认为，目前在市场中有很多电源管理功能可以被集成到芯片当中，但是有很多大功率功能，例如电源插座充电器，它需要较大的电压，一般都不会放进65纳米或以下的工艺中去实现。我们看到那些带有高压要求特征的模块与低压部分被分开，把高压的部分放在电源管理器上，而低压射频放在基带上。不是全都可以放在基带上，因为像USB和电源插座充电器这样一类的模块所要求的电压超出了深亚微米工艺所能处理的范围。采用65纳米低压数字CMOS也可以降低手机芯片的功耗。TI增强型SmartReflex2不仅包含各种软硬件技术，能够从系统级解决方案解决整个设计的电源管理问题，更增加许多新功能包括Adaptive Body Bias(ABB)、Retention"Til Access(RTA)存储器以及SmartReflex PriMer工具，将大幅提升45nm的性能与功耗平衡能力。
　　
　　2G向3G过渡时面临的挑战
　　也许降低芯片数量是节能降耗最直接的手段，未来手机芯片低功耗技术发展的重点在于单芯片的功能集成。严格意义的单芯片是指所有电路集成在一块芯片上。特别是针对2G和3G的入门级和中级细分市场，无论从尺寸、性能到成本，单芯片集成都是最具吸引力的技术。单芯片集成的主要挑战是基带上的射频技术集成，对制造过程及性能而言，这是技术上的最大挑战。在一部手机中带有多种无线装置是一个巨大挑战，例如将手机射频技术、蓝牙、调频和Wi-Fi技术都整合在非常薄且小巧的同一装置中。将这些无线装置安装到手机里已经足够困难，何况还要获得良好的性能，并在具有不同操作形式的同时确保他们不会相互干扰。
　　当然，我们也不能忽视推动手机成本下降的不断集成的技术将是今后很多年里的一个持续挑战。手机市场最大需求是将所有的功能集成在一起。从技术上说，把射频集成到基带中是相当困难的，其关键因素是和基带连接到一起的手机射频部分。系统集成意味着混合模拟和数字功能在同一设备中共存，即集成复杂的模拟功能，如ADC、DAC等。
　　展讯认为多种不同制式的基带将集成为多模基带；外围的主要元器件如射频、存储器、FM、蓝牙、GPS等也将逐渐与基带集成。博通公司已经将蓝牙、Wi-Fi和调频收无线技术集成在一起，下一阶段会继续将GPS和UWB集成到芯片里。NXP继承了Silicon Labs在收发器设计中的CMOS技术，目前正利用该技术集成基带和RF，利用深亚微米CMOS(45纳米及更高工艺)技术，可以实现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。目前，唯一亟待解决的只剩下天线功率放大器了(图4)。
　　
　　其实，所有的无线技术都将朝着单芯片集成的发向发展，曹强博士在总结未来手机发展的趋势和挑战时特别强调了如下三点：
　　趋势和挑战一，多模芯片的发展，GSM/GPRS/EDGE与TD-SCDMA|HSPA、WCDMA/HSPA、WIFI的多模组合芯片，对于芯片构架设计了提出新的要求，寻找可以尽可能的复用资源，成本最低的方案，成为摆在各芯片公司面前的难题；
　　趋势和挑战二，65nm工艺进行模拟和数字电路的混合设计，数字比较容易升级到65nm，模拟／RF电路比较难进入65nm工艺；
　　趋势和挑战三，对于多种多媒体制式的支持，手机正在兼容越来越多的PC上的多媒体内容，如何更多更经济的支持这些多媒体内容，是芯片公司面临的挑战。一个方向是做更多的硬件加速器，一个方向是做更强大的MCU，靠软件来支持不同的格式。
　　在体积日益缩小的支持多模无线、互联和广播功能的应用中，TI认为数字电路与CMOS收发器等先进模拟模块的共存要求厂商在模拟设计和系统架构方面具有丰富经验，电磁干扰(EMI)问题也很棘手。这些多功能平台系统之所以复杂，在于所有的辐射系统必须在可限定的电磁干扰范围内尽可能地“紧密”合作。
　　
　　3G时代还将激战低成本和单芯片市场
　　
　　单芯片(Single-Chip)化是超低价手机用芯片的一种必然趋势，中高阶的手机用芯片为了追求功效的多样，多半要以芯片组(2颗以上的成套芯片搭配)方式来实现，低价／超低价手机以成本为首要考虑，将芯片组电路进行进一步的整合，成为单一颗芯片。单芯片化后的好处包括精省芯片的封装成本(从2颗芯片的各1次封装，变成单颗单次封装)、在手机电路板的布局设计时可以精省印刷电路板的面积及料材成本。2G时代很多基带厂商都已推出单芯片手机解决方案。展讯公司曹强博士坦言降低芯片成本的途径就是进一步提高芯片的集成度。在降低成本的同时，芯片厂商会尽可能提供更多的功能，2G超低成本手机解决方案也已经向拍照、多媒体应用发展，如图5。
　　为加速3G终端的普及，3G终端成本持续下降也成为业界另一个焦点和趋势。除了高端智能手机外，手机芯片厂商特别是手机平台厂商对超低成本手机的重视有增无减。随着3G手机的开发，2G手机的成本会下降。而随着3G标准的成熟以及中国等国家建成3G网络，将出现低成本3G市场(特别是单芯片多模3G手机)与2G市场竞争的局面。如博通高集成度单芯片解决方案内置RF、2G和3G处理器，以及先进的移动多媒体处理器。
　　多年来，单芯片移动电话一直是业界努力追求的理想。全面集成模拟、数字、基带和蜂窝无线部分，将是一件非常难以实现的事情，但在无线芯片巨头们的努力下，也许这一天已经不再遥不可及!
　　
　　写在最后：竞争在加剧，强弱在分化
　　
　　据统计，到2010年，全球半导体市场的35％将属于通信半导体，其中手机将占据50％以上的市场份额。2007年，由于手机市场需求持续强劲增长，无线产品的芯片销售实现超过整体芯片市场的增长速度。2007年，全球无线半导体市场收入达295亿美元，较2006年的274亿美元增长了7.6％。相较之下，全球各类半导体的同期市场增幅仅为3.3％。
　　诱人的蛋糕从来不缺乏追逐者，为了抢占尽可能多的手机芯片市场相对丰厚的利润，壮大自身实力是最直接的办法。最近一年多的时间，手机芯片产业并购频发。这其中最震撼的也是最近发生的则是意法(ST)和恩智浦(NXP)无线部门的合并为独立公司，新公司的市场份额将甩开身后混战丛中的竞争者，逼近前面两位领头羊。一系列并购案的背后，折射的是无线芯片市场更为严酷的竞争新格局。
　　
　　2007年，全球手机出货量达11.5亿部，较2006年的9.9亿部增长16.1％，这使无线半导体市场在2007年保持较高的增幅，其中，十大供应商中有六家实现了两位数的收入增长。iSuppli全球十大无线半导体供应商排名见表1。前十大无线半导体厂商的综合市场占有率则提升了1.5％，在拉开与身后追赶着距离的同时，无疑留下了更为狭小的生存空间，竞争在加剧，强弱在分化。