技术背景及发展沿革简介

（1）移动芯片的基本定义

安装在移动终端设备内部，负责完成数据运算、信息存储以及对外进行无线通信等任务的通用集成电路（IC）称为移动芯片。其中，数字基带处理器（Baseband Processor，BP，也称基带芯片）和应用处理器（AP，Application Processor，又称应用芯片）是各类移动芯片中最为复杂，也是最具代表性的，决定了移动终端设备的整体性能。本章将这两类处理器统称为移动芯片，在简要介绍其技术发展脉络的基础上，我们选择基带芯片进行专利分析。

基带芯片

基带芯片和射频芯片是移动终端处理移动信号的重要组成部分，移动终端通过射频芯片收发数据信号，通过基带芯片对接收到的或者待发送的数据信号进行处理。出于提高集成度的考虑，也有生产商将这两类芯片集成在一起，成为较为通用的移动芯片。

基带芯片负责对需要发送的数字信息进行编解码，并以基带信号的格式通过天线发射出去。这一“收”一“发”，正是移动终端与外部进行信息交互的基础功能。一般的，基带芯片分为以下几个模块：CPU处理器、信道编解码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。基带芯片是移动终端内部技术含量较高的关键集成部件，设计难度较高，全球只有极少数厂家拥有此项技术，例如高通、博通、联发科、NXP、飞思卡尔、英飞凌、德州仪器和国内的华为、展讯等^[1]。

（2）移动芯片的功能演化

1）第一代技术：保障模拟/数字语音通话核心功能

早期的移动电话采用第一代移动通信（1G）标准，其功能仅限于进行语音通话，20世纪80年代欧洲的NMT（Nordic Mobile Telephony）、美国的高级移动电话系统（AMPS）和英国的总访问通信系统（TACS）都属于这一范畴。

进入2G时代后，移动通信的核心技术标准开始从模拟语音转向数字语音，许多分立元器件开始被集成在单独一颗芯片上，移动芯片的用武之地越来越广。这时，德州仪器（TI）、飞思卡尔（Freescale）、ADI、博通（Broadcom）等专门为移动电话生产商提供基带芯片解决方案的IC供应商开始出现。

1994年，诺基亚发布型号为“Nokia 6110 GSM”的移动电话，这款移动电话采用兼容Thumb指令的ARM7TDMI处理器，该处理器是诺基亚与TI、ARM三家公司共同开发的成果。TI公司将ARM7的核心架构与自己的DSP（数字信号处理）解决方案集成在这颗处理器上，作为“Nokia 6110GSM”的基带整体解决方案。具有Thumb指令集的芯片为这款移动电话提供低功耗的16位处理器架构，与纯32位处理器相比，ARM7TDMI占用内存空间更小，功耗也更低。当时GSM网络刚刚普及，搭载该移动芯片的“Nokia 6110 GSM”移动电话迅速获得大量市场份额。

值得注意的是，这三家公司的合作方式开启了全球移动芯片发展的重要历程，它不仅促成诺基亚与ARM达成长期合作伙伴关系，还让TI公司的基带芯片被众多手机厂商所选用，也让更多的移动芯片制造商开始将目光投射到ARM这家年轻的半导体设计公司上。

2）第二代技术：支持多模通话和轻量级多媒体应用

进入21世纪，2G通信技术已经在全球得到广泛部署，从2G演进而来的2.5G（GPRS）和2.75G（EDGE）技术标准也迅速得到商业化推广，一些发达国家和地区则开始积极从事第三代移动通信技术（3G）的研究和试运营工作。这时，一些移动芯片已经开始支持多媒体应用，部分移动电话已经含有FM收音机、MP3播放器和拍照等功能。尽管这些多媒体服务的性能指标与目前的水平相去甚远，却代表了当时移动芯片的最高水平。

2007年，美国苹果公司发布了第一代iPhone移动电话，这是全球移动互联网发展史的重要里程碑。第一代iPhone搭载的应用处理器（AP）为韩国三星公司基于ARM 11内核架构所研发的S5L8900处理器，采用90nm工艺制程技术，核心频率为412MHz，运行内存（RAM）为128M。这款移动电话支持GSM语音以及2.75G（EDGE）数据通信制式（最高通信速率可达384kbit/s），采用独立的Wi-Fi芯片以及蓝牙芯片，可自动检测Wi-Fi与EDGE信号，并能在两种网络信号间自动切换。第一代iPhone采用3.5英寸的TFT彩色屏幕，分辨率为320×480像素，并配有200万像素的摄像头，有4G/8G/16G多个版本的闪存芯片，支持多点触控技术以及全功能的HTML浏览器^[2]，操作系统为苹果公司自行开发的iOS，这些处理能力都要归功于内嵌在iPhone里面的移动芯片。

仅一年之后的2008年“全球开发者大会”上，美国苹果公司又发布了支持3G通信技术的iPhone3G移动电话。新款的iPhone3G除了保持内置Wi-Fi、蓝牙2.0、200万像素摄像头等关键模块外，还支持在GSM850/900/1800/1900MHz等多个频段的语音通话，支持GSM（2G）/EDGE（2.75G）/WCDMA（3G）等网络连接方式。支持iPhone3G对外通信的是英飞凌公司（INFINEON）生产的BP芯片组。

总体而言，这一阶段的移动芯片除了要能在2G/3G移动通信技术标准间平滑切换外，还要必须能够胜任一些轻量级的移动带宽业务，例如图片下载、在线游戏、非高清音视频以及GPS位置导航等。

3）第三代技术：满足高速无线接入及多任务、低功耗处理能力

2010年以后，3G在全球得到广泛商用，4G通信技术的全球部署也被许多国家和地区提上了日程。近两年，在4G通信技术大范围部署的背景下，许多移动终端单位时间内的数据吞吐量被提升至另一个数量级，强大的无线宽带接入能力极大地点燃了市场的热情，人们对智能移动终端性能的期望也越来越高。随着无线宽带业务对消费类电子产品要求的提升，终端产品对移动芯片性能的要求也越来越高，部分厂商开始研发制造多核移动芯片，这一趋势让移动终端芯片的整体性能得到更快的提升。

2011年，苹果公司发布的iPad2平板电脑和iPhone 4S移动电话上均搭载其自行设计的A5双核应用处理器，这是苹果公司首次将多核芯片技术应用到移动终端设备上。A5处理器采用ARM公司新的Cortex-A9 MPCore（Multi-Processor Core，多核处理器）架构，集成了同步双核GPU（图形处理器），计算性能比A4高2倍，提供的图形处理性能是A4的9倍。A5双核应用处理器具有灵活的可扩展性能，能够采用高级功率管理技术控制和降低处理器的能耗，使得移动终端在散热受限以及移动电源预算紧张的情况下继续运行。(www.xing528.com)

2012年，苹果公司发布的iPhone5开始支持4G通话技术标准，该产品同样使用其自行设计的A6应用处理器^[3]（基于ARMv7-A指令集架构），并由三星公司使用32纳米的HKMG（high-k绝缘层+金属栅极）工艺生产组装。相对A5处理器，A6处理器配备双核CPU和三核GPU，渲染速度是A5的两倍，照相速度比A5提升40%，而且具备动态调整CPU电压/频率的特性。

2014年9月，华为技术有限公司在柏林举行Mate7智能手机发布会，这款手机采用海思半导体有限公司^[4]自主研发的八核处理器“麒麟K925”。该处理器内置了四颗1.8GHz的A15芯片、四颗1.3GHz的A7芯片、Mali-T628 GPU（图形处理器）和一个i3协处理器。Mate7智能手机支持TD-LTE 4G高速无线网络，支持多点触控，配有500万像素和1300万像素的一前一后两个摄像头，同时还支持光线传感、距离传感、指纹识别等多种传感器，支持3GP/MP4/WMV等多种视频播放格式。

2016年10月，海思发布“麒麟960”处理器，GPU较上一代提升180%，该芯片在Mate 9系列机型上应用后，得到了媒体和消费者的广泛关注。2017年1月，麒麟960被Android Authority评选为“2016年度最佳安卓手机处理器”。

2017年9月2日，在德国柏林国际消费类电子产品展览会上，华为发布人工智能芯片“麒麟970”，该款芯片采用台积电10nm工艺制程，能耗较上一代提升了20%。在2017年10月的德国慕尼黑，华为正式发布首款搭载“麒麟970”的华为手机Mate 10。

从各代移动芯片的功能演变过程可见，除了芯片的整体性能不断提升外，芯片内部的多核协同处理机制和对音视频编解码等高强度数字信号处理任务的支持成为主流，每块小小的移动芯片里，不单只含有CPU、GPU，还包括了拍摄、AI（人工智能）、基带等功能模块。采用这种异构计算是为了应对越来越复杂多样的应用需求，异构运算平台化对于移动设备来说是趋势，也是抑制功耗的关键技术之一。

（3）移动芯片的工艺演进

1）制程工艺

移动芯片的制程已经进入FinFET（鳍式场效电晶体，Fin Field Effect Transistor）工艺时代，该工艺因其将原本2D构造的MOSFET改为3D后很像鱼鳍而得名。2015年，台积电与三星开始在移动芯片领域应用该工艺技术并实现稳定量产。华为海思是台积电16nm FinFET工艺的首个用户，其“麒麒950”采用了台积电16nm FinFET+工艺制程。另外，苹果A9处理器分别由台积电采用16nm FinFET工艺和三星采用14nm FinFET工艺制造，三星的Exynos 7420、高通的“骁龙820”也采用三星电子的14nm FinFET工艺制造。为便于比较，将各个时期移动芯片的工艺技术和主要参数绘制如图5-1。

图5-1　全球移动芯片工艺及参数变化情况

2）芯片架构

较为主流的做法是AP和BP由不同的公司设计生产，移动终端设备的生产商在购买芯片后，将芯片与其他功能模块和零部件进行集成组装，最后制成完整的移动终端产品。个别移动芯片制造商采用“AP+BP”的集成方案，其整体功能架构如图5-2所示：

图5-2　集成BP和AP的移动芯片架构

3）代表芯片

从各大芯片厂商所公布的最新产品指标看，多核处理器已经成为目前移动终端设备的主流配置，为便于比较，将四款2017年推出的较具代表性的移动芯片性能指标列表对比如下：

表5-1　典型移动芯片的性能对比情况

综上，多数厂商CPU处理器采用8核协同运算，芯片的最高主频已经超过2GHz。不同厂家的芯片SoC设计方案存在较大的差异，一些厂商所设计的芯片只负责应用处理器功能，并没有将基带功能集成到单颗处理器上，而其他厂商则将BP也整合到了一个处理器之上。