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移动设备的芯片,生产设计科普

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如果正在读文章的你,曾经有过配机的经历,那么对CPU、显卡、内存和硬盘这些东西一定不会陌生。事实上,移动设备(手机、平板等等)也有CPU、显卡、内存和“硬盘”这些东西,架构与电脑差距不大。

小小的手机居然放得下这么多东西?事实上,手机虽然架构与电脑完全一样,但形态上却不太一样。手机芯片集成了CPU、显卡和内存等等一系列组件,并且用最新的制程进行加工,其体积非常之小(只相当于成年人的小指指甲盖大小)。下图是iPhone 4内部的A4大小:

移动设备的芯片

图上的Flash意指闪存,对移动设备而言相当于电脑的“硬盘”。A4 + 闪存的功能即相当于整个台机之上的CPU、显卡、内存、主板和硬盘集合,小小体积,巨大能量。本文主要想为大家介绍一下移动设备芯片之上的CPU与显卡,细数各家之长,让大家明白Android所用芯片与iPhone/iPad的不同。

因为这是一个产业链

移动设备明显已经成为产业链。手机的每个部件都会有相应的供应商,音频、视频、屏幕、通信、摄像头、闪存等等。芯片自然也是一样,大名鼎鼎的高通、Nvidia、德州仪器都出售移动设置芯片;而且借此东风,还活得挺好。

如果说市面上 Android 机器所用的芯片着着实实花了你的眼,那么小编可以告诉您一句,其实它们都出自一家厂商。你震惊了吗?这家厂商就是过去不显水不露水的 ARM ,当然最近借移动设置东风,确实火了一把。

与桌面CPU不同的是,移动设备CPU只有一家寡头,那就是 ARM 。它的营销模式与 Intel/AMD 不一样的是, Intel/AMD 自己生产CPU然后出售; ARM 只授权核心技术,得到授权的厂商在进行深加工后自行联系芯片代工厂进行生产。得到ARM授权的厂商有但不仅限于高通、Nvidia、德州仪器、苹果、三星、LG、索尼爱立信。

所以,市面上那些乱花渐欲迷人眼的各种芯片,背后都只有一家ARM。ARM在移动设备上获得成功的原因有很多,营销模式是其一,极度省电是其二。它的计算能力或许不及Intel/AMD的CPU那么强悍,但是移动设备更看重的是效能比(同等电量所能支持的运算),这点ARM确实远超Intel/AMD,在次世代能够成功也就是顺理成章了。

当然,ARM的成功自然也遭到了Intel的嫉妒。Intel出产了一款叫做Atom的低功耗芯片用以对抗ARM,但“得益”于自身对市场的不熟悉以及控制功耗方面不过关,至今也未能获得成功。

CPU一家独大,但显卡却是百家争鸣

相比较于ARM在CPU领域一家独大,移动设备显卡却是百家争鸣,目前数得出来的就有PowerVR系列、AMD Adreno系列、Nvidia Tegra系列以及ARM新兼并的Mali架构。

PowerVR系列是目前移动设备上占有率最大的显卡,掌权者是Imagination公司。使用PowerVR的公司数不胜数,其中就包括苹果(iPhone 4/iPad/iPad2以及即将上市的iPhone 5)和索尼(Sony的PS Vita)。事实上,苹果公司有一部分Imagination的股份。

Adreno系列显卡昔日属于AMD旗下,但在2008年已经出售给了高通。高能同时也从ARM处得到了授权,结合两者制作出了自家的芯片MSM8xxx系列。小编会在第三节详细介绍。

而一直在桌面显卡占据半边天的Nvidia,也用从ARM处得到的授权以及自家的显卡技术,制作出了Tegra系列芯片。由于Nvidia在芯片生产上浸淫已久,其所用的制程一直领先于其它芯片厂商;但功耗却显得略高。尽管如此,它还是占领了大量Android平板。

由于PowerVR的红火,ARM也很嫉妒(高科技公司之间就是嫉来妒去),于是推出了自家的显卡架构:Mali。Mali原先是来自瑞典厂商Logipard的图形解决方案技术,后被ARM收购,现在已经获得三星、LG、索尼爱立信等厂商的青睐,在2010年的授权热门程度可说是ARM阵营第一。

芯片厂商的三个类别

总体来讲,现今芯片厂商分为三种类别:

  • 自身不生产移动设备,单纯出售芯片。典型有高通(HTC大部分芯片都是高通,Windows Phone 7/webOS目前也仅仅支持高通芯片)、德州仪器(黑莓Playbook等)。

  • 自身生产移动设备,也出售芯片。典型有索尼爱立信(自家的Nova系列芯片)、三星(魅族M8/M9芯片和iPhone 3GS芯片都是由三星提供的)。

  • 自身生产移动设备,但不出售芯片。目前只有苹果这样做。

如果读者你想要开一家类似小米手机的公司,从头来组装手机硬件的话,你会怎么做?

  • 在刚开始创业的时候,你无钱没势,最好的选择就是买高通和德州仪器的成品芯片。这样做不仅初期成本低,也适合于低端机型的定位。(如果有人认为小米手机算是高端机型,小编只能笑而不语)

  • 在积累了一段时间资本后,你会选择像三星或索爱一样取得CPU和显卡授权,为自己旗下产品定制芯片;能力之余,也会出售一些芯片。这总体而言,是属于半有钱半有势的状态。

  • 当你已经无欲无求了,一心只想为人类谋幸福的时候(大误),就会和苹果一样完完全全为自己旗下产品定制一款芯片。砍掉所有不需要的部分,加大所有强劲需求的部分,真真正正量身打造。

大部分公司还没能达到苹果的境界,当然我们要求也不能太高。

各家芯片组成

事实上,一枚芯片内部不仅仅只有CPU和显卡,但限于篇幅原因,小编只会简单介绍这两样。剩下的还有很多很重要的部件,比如总线、内存控制、DRAM内存等等;A5比其它芯片强悍之处就在于这些细节,不过小编本篇不会写太多。

德州仪器:主营本代OMAP 4以及下代OMAP 5。其架构为ARM + PowerVR,不需要特别高的频率,也能藉由精密的多核分工方式取得更佳的效能。德仪OMAP的设计概念,就是藉由多元的核心分摊Cortex-A主运算核心的负担,多媒体有专属的硬件译码核心,音效有音效的核心,相机控制也有相机的核心,另将底层运算交给Cortex-M 核心;虽然这些作法也是各家 ARM 架构应用处理器发展的方针,不过德仪还融合了独家的 DSP 数字信号处理器核心,虽然现在多媒体影音多半靠硬件译码核心处理,然而像是一些硬件译码核心无法支持的文件格式,或是最近火红的 2D、3D 转换,就能使用DSP辅助这些应用,不让主处理器的资源虚耗在这些不擅长的应用。

高通:主营本代MSM 8x60。MSM8x60的核心是基于ARM架构的变形,高通称之Scorpion,根据高通的说法,Scorpion针对电源管理方面大幅强化,相较标准的ARM架构拥有更佳的功耗表现。而图形架构方面,源自ATi行动GPU架构的Adreno又再次进化,新版的Adreno 220效能大幅超越第二世代Snapdragon的Adreno 205,并且相较Adreno 200,图形效能提升近4倍,甚至整体效能超越Tegra 2。另外,针对时下对于高质量影音以及外接显示的需求,影片的硬件译码能力也从MSM8255的720p提升到1080p,屏幕也能支持1440 x 900的WXGA分辨率,相机部份能够提供双16MP分辨率摄影镜头的支持。

Nvidia:主营本代Tegra2以及下代Tegra3。目前Android平板上的 Tegra 2 ,在架构上采用两个频率 1GHz 的 Cortex A9 为负责运算用的核心,内部整合音效处理、1080p H.264 硬件影像译码、硬件影像编码,JPEG 图形译码以及支持最高12MP相机,当然最重要的,还是整合Nvidia最引以自豪的GeForce ULP GPU,虽然GPU架构与Tegra一代大致相同,不过由于带宽以及频率提升,图形效能仍比Tegra一代强上许多。Tegra 3将于年底面市,核心更是达到恐怖的四核。

索爱:主营Nova。核心是ARM + ARM Mali,目前尚未大批铺货。大胆启用Mali确实在成本上取得了优势(同时取得ARM两项授权,授权费会大为减少),但由于Mali架构尚未进化完全,性能比起上一代PowerVR尚显不足,更比不了A5所用的PowerVR SGX543。爱立信在电信领域的经验在此芯片上显示得淋漓尽至,集成了一大批三方原件也大大减少了芯片所需要的面积(要知道Tegra 2并没有集成很多三方芯片,三方芯片需要额外一个位置摆放)。

三星:主营Hummingbird与Exynos处理器,旗下手机偶尔也会使用高通芯片。Hummingbird架构ARM + PowerVR,而Exynos则换到了ARM + ARM Mali。三星目前最火的Android手机Galaxy S II(也是目前最好的Android手机)正是用着Exynos芯片,但Mali架构的不健全导致了它无法与部分游戏兼容,性能也远远逊于Apple A5的双核PowerVR SGX543(事实上Exynos内部Mali是单核还是双核都不清楚)。

苹果:自家用的Apple A4/A5。A5在性能与省电上秒杀以上全部芯片,毫无争议当前第一芯片。究其根底,只因它是苹果为iOS量身定制的,完全不像其它厂商只能用统一的芯片,或者用着别人的系统。架构为双核ARM + 双核PowerVR SGX543,性能比起一代A4足足提升2倍与9倍;内存控制、分离总线、增大缓存也是其它芯片所做不到的大手笔。明年A6据传将是基于ARM Contex-A15的四核芯片。


苹果:因为人家是偏执狂

要脱颖而出,就得差异化,而且几乎是疯狂的、不计成本的差异化。又有几个能做到呢?这个世界只有偏执狂才能生存。

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智能手机芯片市场将成为各大芯片生产商争夺的下一个战场。而在这个战场上,尽管英特尔仍然有自身的优势,但其它厂商亦虎视眈眈。 半导体市场一直是巨人之间的争斗。目前,建造一座现代化的芯片生产工厂需要大约30亿美元,而且通常需要几年的时间才能建成。而这些体积小巧的芯片的生产工艺更是极为复杂。几十年来,众多芯片生产商为了以最低的成本生产出最复杂的产品而展开了激烈的竞争,在此过程中有多家生产商倒下,甚至被完全挤出这一市场。现在,芯片市场的争夺将变得更为激烈。在这个新的竞争时代,各家生产商必须在新兴的计算产品市场展开争夺,这些市场包括智能手机、小型笔记本,以及平板产品。在芯片市场的竞争中,多家大型芯片生产商有一个共同的对手,即英特尔。在智能手机芯片市场,这些芯片生产商使用基本相同的设计。与它们相比,英特尔使用完全不同的芯片设计,但到目前为止,英特尔所占有的市场份额还很小。由于竞争可以推动创新,因此消费者成为竞争的直接受益者,然而这对参与竞争的芯片生产商来说却造成了极大的成本支出。ARM执行副总裁伊恩·德鲁(Ian Drew)表示:“我对这种情况感到非常担心。但最终,这些芯片生产商可以推动彼此的发展,即使有人倒下,最终也会有两到三个幸存者。”ARM拥有大多数智能手机所采用的核心芯片设计专利权,并将这一专利授权许可给手机生产商。在超高效的先进芯片生产工厂方面,总部位于美国加州的英特尔一直是业内竞相效仿的模板。英特尔也是最后一个同时兼顾芯片设计和生产业务的传统芯片生产商,英特尔生产的芯片主要用于电脑和服务器产品。而其它的芯片,包括用于汽车和打印机的芯片都由主要来自亚洲的代工厂商生产,以满足负责设计和营销该芯片产品的公司所设定的不同规格。传统上讲,这些厂商在生产工艺上落后于英特尔,它们所生产的芯片在设计上更为简单。但是在移动芯片技术领域,目前各大生产商正在展开竞争,看谁的产品能耗更小,运行速度更快,成本更低。例如,芯片生产厂商GlobalFoundries就打算今年在德国德累斯顿(Dresden)开设工厂,据称这将成为全球有史以来最先进的芯片工厂。该工厂所生产的芯片最初将用于智能手机和平板计算产品,而非主流的电脑。GlobalFoundries营销副总裁吉姆·巴林格尔(Jim Ballingall)表示:“这个工厂生产出的第一批产品将赢得市场,成为真正的游戏改变产品。”GlobalFoundries是去年4月份英特尔在PC芯片领域的主要竞争对手AMD分拆芯片生产业务后成立的芯片生产代工企业。总部同样位于美国加州的GlobalFoundries已经获得了阿联酋政府将近100亿美元的投资。GlobalFoundries所拥有的大量资产给台积电、联华电子和三星电子等智能手机芯片生产商带来了巨大的压力。GlobalFoundries发出的讯息非常明确:尽管是市场新军,但该公司会竭尽全力争夺市场份额。与此同时,苹果、英伟达、高通也在基于ARM的移动芯片技术设计自己的产品,并交给代工厂商生产。虽然没有在工厂方面直接投入,但要从头开始生产移动芯片仍然需要花费10亿美元巨资。最近,鉴于此类产品能耗小,成本低,这种芯片已经不仅用于iPhone等智能手机,而且进入了其它设备。例如,苹果的iPad平板电脑就将采用ARM芯片。另外,惠普和联想新推出的小型笔记本产品也将采用ARM芯片。一些创业公司甚至开始基于这一理念研发可用于服务器的芯片。芯片产业业内人士弗雷德·维博(Fred Weber)表示:“苹果是第一家生产出既不基于英特尔芯片,也不基于微软Windows操作系统的令人激动的设备的公司。iPhone打破了人们在使用新产品方面的一些心理障碍,极大推动了消费电子产业的发展。”英伟达和高通等公司也希望自己的芯片产品能够进入尽可能多的消费电子产品,包括车载娱乐系统,可连接互联网的家庭电话等。在上周西班牙巴塞罗那的移动世界大会上,各大生产商展示了大量基于ARM芯片的产品,包括多款平板电脑和笔记本。另外,宏达电推出了基于高通ARM芯片Snapdragon的智能手机Desire,这款产品的大尺寸触摸屏非常瞩目。当然,不甘落后的英特尔也将进入智能手机芯片市场,一方面是为了扩大市场份额,另一方面也是为了打压ARM芯片生产商。分析人士称,大多上网本和部分智能手机所采用的英特尔凌动系列芯片的成本是ARM芯片的两到三倍。另外,对于大多数小型电子产品来说,凌动芯片的耗电量过大。英特尔高管则反驳说,消费者希望获得更出色的移动计算体验,因此要求芯片更加强大,同时兼容PC软件,而这两点正是英特尔的传统优势所在。负责凌动产品的英特尔副总裁罗伯特·克鲁克(Robert B. Crooke)表示:“这些产品看起来与计算机很相似,因此它需要具备我们已见过的一些功能,并提升整体性能。从数字电视、手持设备等产品的用户那里,我们看到了这种需求。”同时,英特尔财力雄厚。截至去年12月,英特尔共有超过90亿美元的现金和短期投资。克鲁克表示,英特尔的生产工艺完全可以每隔18个月左右的时间就生产出全新的芯片产品,这样产品就会更加便宜,耗电量更小。他表示,随着竞争对手不断向高端生产技艺迈进,他们可能会遇到英特尔早在前几年就已经解决的问题。与此同时,其它芯片生产商的竞争压力将迫使他们下调产品价格。克鲁克表示:“我不知道这是否会增加这些芯片生产商在未来进行投资的难度,但这种情况很有可能出现。”


为移动设备产芯片的有不少、联芯、博通、瑞微芯、联发科、高通、德仪等等、大多数厂家都被推广和兼容困扰、目前成气候的只有有限几家、联发科没出之前高通是覆盖整个高中低端市场的、性能强兼容好、英伟达德仪只做高端市场、前者凭借强力的PC端影响力受到各家游戏开发商优待、后者在功耗散热均衡上有独到手段、猎户座只有三星和个别国内厂家使用、再就是MTK、因为提供高度整合的独创芯片解决方案而名声大噪(山寨厂商买走芯片简单组装即可大大降低手机生产难度)、也因此让其在大众心目中贴上廉价劣质的标签、其实力并不比其他任何同行业厂商差、廉价却绝不低质、以其独到的低功耗soc解决方案强占低端芯片市场、兼容性低于前几家、高于其它芯片厂商

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曾经热闹的手机芯片业务正在迅速降温,继德州仪器宣布退出之后,博通公司也打起了退堂鼓。

6月2日,美国上市的博通公司宣布将放弃其手机基带芯片业务,寻求出售或者关闭。由于放弃这部分业务可以为公司每年节省7亿美元支出,这种利好消息刺激博通股价一度上涨超过10%。

智能手机出货量的爆发性增长曾推动博通公司、德州仪器等芯片企业的移动芯片业务快速发展。但是随着4G时代的到来,手机芯片市场开始出现集中化趋势。

业内人士认为,在博通公司之后,可能还有会更多企业退出手机芯片市场。

高通联发科一统江湖,双巨头时代到来

博通步德仪后尘

2012年10月,芯片企业德州仪器率先宣布退出竞争激烈的手机芯片市场,转而专注其他市场。彼时,智能手机的出货量仍在大幅增长,但过低的毛利率还是让德州仪器选择了放弃。

一年半之后,同样的理由也让博通公司选择退出。在宣布退出手机芯片市场的消息后,博通股价在周二的美股交易日中一度上涨超过10%。显然,每年节省7亿美元支出,还是打动了华尔街。

“手机芯片的投资越来越大,在华尔街的业绩压力之下,博通公司做出这样的决定很正常。”iSuppli半导体首席分析师顾文军说,受制于多模制式、知识产权以及制造工艺等因素影响,手机芯片业务面临的也挑战越来越大,博通公司退出并不意外。

在宣布退出手机芯片市场之前,博通公司实际上对于这部分业务有着很大的雄心。为了迎接4G时代的到来,该公司曾斥资1.64亿美元收购瑞萨电子公司的LTE资产,以研发4G手机芯片。

但是随着LTE芯片的研发,由此带来的成本开始大幅增加。在2013年年报中,博通公司就表示,由于加大在4G手机芯片业务上投入,公司移动和无线业务的营业利润出现了大幅下滑。

年报显示,2012年博通公司移动和无线业务实现营收38.09亿美元,营业利润为5.61亿美元,而在2013年,该部分业务实现营收39.19亿美元,营业利润却骤降至3.65亿美元。成本的大幅增长,可能最终导致博通公司下定决心,退出手机芯片市场。

“华尔街实际上很反感芯片企业做手机基带芯片业务。”手机中国联盟秘书长王艳辉告诉新浪科技,美国ADI(52.47, 0.10, 0.19%)半导体技术公司几年前就曾在华尔街的压力之下出售过基带芯片业务,因为这部分业务会大幅拉低公司整体业务的毛利率。

接盘难题

与当年德州仪器退出手机芯片市场一样,博通公司现在也面临寻找接盘者的难题。依照目前的状况来看,能够接盘博通基带芯片业务的可选企业并不多。

Ascendiant资本公司的分析师CodyAcree昨天表示,英特尔可能会收购博通的基带手机芯片业务。但在常年关注芯片行业发展的王艳辉看来,这种可能性非常小。“英特尔与博通在手机基带芯片业务上并没有很强的互补性。"他说。

资料显示,英特尔此前收购英飞凌公司的无线通信芯片业务,组建了“英特尔移动通信”部门,也在研发制造基带芯片。目前,英特尔已经推出了整合基带处理器的凌动ATOM系列芯片,可用于智能手机和平板电脑。

智能手机的芯片,一般分为基带芯片和应用芯片两大类,前者实现移动通话、数据功能,后者主要负责应用软件运行和多媒体、数据、文件处理等工作。

据不愿具名的知情人士透露,博通公司有意将手机基带芯片业务售予国内的清华紫光集团,但谈判似乎并未取得突破。紫光集团曾先后收购展讯通信和锐迪科两家手机芯片企业。

博通手机基带芯片业务目前的两大客户是三星和苹果公司。在王艳辉看来,由于基带芯片业务毛利润较低,苹果公司收购的兴趣不会很大,但三星公司却有可能将其收购。

他进一步解释称,在手机芯片业务上,三星公司的应用芯片业务较强,但是基带芯片却一直使用其他公司提供的产品。

不过更多的分析人士认为,博通公司想要为基带芯片业务找到买家实属不易。因为很难有企业愿意接手这样一个沉重的“包袱”。博通公司最坏的打算应该和德州仪器一样,在无人问津后,直接砍掉。

市场集中

随着博通公司的退出,手机芯片市场可能会迎来巨大变化。在很多业内人士看来,博通公司并不会是最后一个退出这个市场的企业,随着竞争的加剧,会有更多企业逐渐退出。最终,整个手机芯片市场出现集中化趋势。

王艳辉认为,未来手机市场将会出现“三极”,其中包括苹果公司、三星和中国手机企业军团。“未来,如果提供基带芯片业务的企业无法抓住其中任何一极,很可能就会出现生存问题。”

他表示,如果这个逻辑成立,那么包括Marvell、英特尔等在内的企业可能会面临很大的挑战,但已经建立优势的高通公司、联发科、展讯等企业可能会更有发展前景。

目前,高通公司在高端手机芯片领域奠定了领先位置,联发科在中低端市场赢得很多市场份额,展讯通信由于深耕中国市场,也获得了很好的发展。

市场研究机构Strategy Analytics的最新报告指出,2013年第三季度,全球基带芯片市场较去年同期增长10.3%,达49亿美元。高通、联发科、英特尔、展讯和博通分列基带芯片市场收入份额的前五位。高通以66%的收入市场份额继续稳居头把交椅,联发科和英特尔分别以12%和7%排在第二和第三位。

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