幕后功臣 智能手机背后的半导体产业

 中国电子报、电子信息产业网  作者:
发布时间:2016-01-13
放大缩小

  2014年,三星S5和三星Note 4的销量下滑让三星敲响了警钟,中低端手机的市场份额也被国产手机瓜分得所剩无几,正当消费者纷纷揣测三星是否会走上诺基亚、Moto的旧路之 际,2015年,Exynos 7420、LPDDR4 RAM和UFS 2.0 ROM让危机下的三星重新崛起。

  CES2015上,LG G Flex 2不仅全球首发了20nm工艺打造的Qualcomm骁龙810,还搭载了由SK海力士提供的LPDD4 RAM,让这款LG的开年旗舰赢得了关注度。

  iPhone 6s如期在15年9月发布,自主架构设计处理器A9采用了三星的14nm工艺和台积电的16nm工艺联合供货,在性能和功耗上均衡极致。

  乐视的乐Max Pro搭载着14nm打造的Qualcomm骁龙820处理器现身在CES2016上,抢先在小米、OPPO、vivo、nubia等厂商前面发布这颗领先的半导体芯片。

  无论是处理器、RAM还是ROM,其实都是属于半导体产业的一部分,智能手机的背后,某种意义上来说其实就是半导体产业之间互相竞争角逐。

  三星的逆转、LG寻求SK海力士支援、iPhone几乎每年都在晒自家CPU和GPU的先进、乐视和各大国产厂商争先抢发Qualcomm骁龙820,背后都是依靠半导体产业给出的底气。像三星、Intel这些IDM厂 商本身拥有半导体业务,能够自产自销,而LG、苹果、Qualcomm、乐视、小米等厂商纵然没有自己的半导体业务,想方设法也要和生产半导体企业打好关 系,必要时候还能够凭借友商的帮忙逆袭三星和Intel,当然,苹果凭借行业的号召力和影响力,游刃有余地掌控着上下游厂商的重要资源,包括生产半导体企 业为自己服务,台积电和三星近年来纷纷抢占苹果A系列处理器订单最好说明这个问题。

  为什么半导体行业在国内如此受欢迎?

  联想先后成功收购IBM的个人电脑业务,摩托罗拉移动,IBM的x86服务器业务,在国人看来可能只是联想特别喜欢收购外企,其实不然,中国企业一直都 垂延国外的不少企业,例如半导体公司。而众所周知的是,这些资源基本上都集中在韩国、美国等国家手上。下面我们先来看看最近的半导体行业新闻。

                      仙童半导体

  熟悉半导体行业和美国硅谷历史的读者应该听说过仙童半导体(Fairchild Semiconductor),这家企业成立于1957年,为硅谷的成长奠定了坚实的基础,衍生出Intel、AMD等众多科技巨头。2015年11月, 仙童和美国安森美半导体(ON Semiconductor)达成了价值近24亿美元(每股20美元)的并购协议。据彭博社报道,近日中国华润集团、华创投资牵头的财团向仙童半导体提出 了新的收购要约,提出25亿美元(每股21.7美元)这个更高的收购价。不日就会公开这一提议。但是美国对外资收购其高科技企业十分谨慎,中国更是最严格 的审查对象。被否决的先例有清华紫光欲收购美光科技(15年年中),美光科技不仅是美国唯一生产个人电脑所需动态随机存取存储器芯片(DRAM)的制造 商,也是和SK海力士、三星电子并称的全球三大DRAM生产商之一。可见联想这十几年连续收购IBM部分业务和Moto的过程是多么艰辛。

  其它收购失败个案还包括:华为欲收购美国网络设备制造商3Com、摩托罗拉无线网络部门、美国私有宽带互联网软件提供商2Wire。这里小编不禁要问,为什么半导体行业在国内如此受欢迎?

  究其原因还是国内能够自主生产半导体的企业确实不多,资源贫乏,正如文章开篇所说,这些资源核心技术基本上都掌控在韩国和美国等国家手上。类似的例子还 有,手机和数码相机中摄像头传感器生产商主要来源于日韩和美国企业,液晶屏幕和OLED屏幕核心技术也是掌控在日韩企业手上,更别提x86架构处理器和 ARM架构处理器授权全部都来源于美国Intel和英国ARM公司,所以中国企业才需要通过收购手段间接获得这些资源和核心技术。当然,华为、中兴、清华 紫光等高新技术企业如今也有自己的拳头产品和独当一面的核心技术,在某些领域已经不需要大量进口外企的资源。

                      美光LPDDR4芯片

  半导体与手机

  回到半导体话题上,2015年,14nm的Exynos 7420处理器,LPDDR4 RAM,UFS 2.0 ROM三项半导体领域的技术革新同时出现在智能手机上,为智能手机的系统运行速度和文件传输速度带来的直接红利就是响应更快、游戏加载更迅速、更早完成传 输任务。这也是智能手机越来越成熟和受欢迎,并且能够实现更多任务的幕后功臣。

                  优秀的软件离不开先进硬件支持

  仅仅是处理器升级不行,根据木桶效应,RAM和ROM都会影响处理器极限性能的发挥,这就好比台式机领域,每过几年,轮到更新换代的时候,家中电脑一般 都不会仅仅更换处理器而已,换了处理器,可能由于主板和处理器接口不兼容,接着把主板一起更新了,然后发现RAM和ROM的配置成了整套平台速度上的瓶 颈,DDR4 RAM和SSD也会接着更换上。

  手机和PC其实有很多关联,工艺制程、架构、总线、频率等性能指标其实很多都是共通的。 半导体贯穿着智能手机和PC的大部分元件,厂商们的软件优化很大程度上是为这些半导体而服务的。以半导体的技术革新为核心基础,Android、iOS、 WP等系统平台负责搞定如何驱动这些先进硬件的问题,搭建好软件和硬件之间的交互平台,让软件开发商能够通过操作系统(API等)调用四核处理器、8核处 理器、64bit指令集等每个时代的全新技术,最后再让这些红利落在消费者用户体验上,不然那些跑分控为什么那么执着安兔兔和鲁大师呢?游戏控为什么那么 沉迷一代又一代,动画特效越来越赞,视觉冲击堪比台式机游戏的手游呢?

  让系统流畅的秘诀

  要让手机运行起来十分流畅,手机厂商可以从很多方面入手,下面小编简单介绍一下其中6个方面。

  1、iOS假后台

  iPhone部分机型直到如今依然能够凭借1GB甚至512MB RAM运行iOS,或多或少与其“假后台”的设计有关,和Android系统不同,iOS无须把应用缓存在RAM中随时调用,在多任务切换时能够直接关闭 上一个应用,在切换到上一个应用时候,其实是重新开启该应用,这一点和Android或者桌面系统Windows都有很大区别。但是iOS凭借先进的硬件 设备和深度的系统优化,让重新开启应用的时间缩短到就像Android平台切换多任务时候的迅速,这就是iOS和iPhone神奇的地方。

                 iOS假后台 

 假后台能够让系统RAM得到进一步释放,RAM的余量充足了,系统运行起来自然流畅了。

  2、提高处理器综合实力(核心数目、制程、架构、主频、兼容性)

  一般来说,其它配置相差无几的情况下,Qualcomm骁龙810处理器机型都会比Qualcomm骁龙615处理器机型流畅,而Qualcomm骁龙 615处理器又会比Qualcomm骁龙410处理器机型流畅,这里面牵扯到核心数目、工艺制程、处理器架构和主频的区别,还有不同平台处理器对应用和游 戏的兼容性也是不同的。所有这些处理器因素交叉在一起之后,最终就会反映为张三的手机总是比李四的手机流畅,一点都不卡,而且还能够多开几个程序等现象。

  3、RAM(容量、频率、位宽、通道数、代数)

  提高处理器性能是系统流畅运行的一个因素,但是存储系统也很重要,Android平台的消费者肯定比iOS平台脑残粉体验得更加深刻。单纯提高RAM的 容量,例如从昔日的1GB RAM提高到如今的4GB RAM,能够提高系统程序的并发量,缓冲更多的程序进后台,方便消费者在多款应用中频繁切换,减少重新开启应用时需要等待时间。

           iPhone 6s其实也采用了LPDDR4 RAM

  当然,RAM可不仅仅在容量上对系统运行速度有影响,和PC的内存类似,RAM(手机中运存)综合水平同样受频率、位宽、通道数和产品代数 (LPDDR3、LPDDR4等)影响,而频率、位宽、通道数、代数刚好就是决定RAM带宽的四个维度,至于计算公式嘛,免得大伙关闭浏览器,所以不公布 了。简而言之,RAM容量和RAM带宽对于系统运行速度都有一定的影响。前者表现为多任务切换时候是否卡顿,后者表现为4K视频播放时候是否流畅等更多综 合场景。

  4、ROM(UFS、eMMC等)

  存储系统除了RAM还包括ROM,而手机中ROM又分为常见的eMMC和 UFS,详细区别下文会介绍。eMMC 5.0读写速度其实相比以往机型已经有一定的提升,但是相比UFS 2.0,在加载绝大部分应用和大型游戏的时候,总是慢一点,当然,单独测试随机小文件读写速度和单个大容量文件读写速度,相比eMMC 5.0还是快上不少。那么问题来了,既然UFS 2.0那么厉害,和三星S5(eMMC 5.0)上面的USB 3.0接口相比,哪一项措施对于提高文件传输速度更有效呢?

                截图来源于一加手机官网

  5、USB 3.0(三星、ZUK)

  USB 3.0接口在三星Note 3首次引入到手机领域,之后在三星S5上配合eMMC 5.0存储让文件传输速度得到了一定的提升,三星S6回归到USB 2.0接口,但是配备了UFS 2.0存储介质,究竟是USB 3.0和eMMC 5.0的组合,还是USB 2.0和UFS 2.0的组合,为文件传输速度带来更大的提升呢?答案是后者。当然如果在技术上突破瓶颈,能够同时兼备USB 3.0接口和UFS 2.0 ROM,那么文件传输速度和系统运行速度又会进一步提升。

                   ZUK Z1上的USB 3.0接口

  打个比方,将USB 2.0更换成USB 3.0接口,对于传输速度来说其实是改善外因,消除手机和外界的传输瓶颈,而采用UFS 2.0替换掉eMMC 5.0存储介质,其实就是改善内因,消除手机自身内部ROM和处理器、RAM之间的传输瓶颈,从而做到内外兼修,合力优化手机的整体文件传输速度和系统运 行速度。

  6、系统优化(做“减法”)

  这两年尤其多厂商采纳这种方法,毕竟不是每家厂商都能够掌控着半导体技术的发 展,反而从自身角度出发优化系统内部,对手机厂商来说更显得轻松。一加手机的“氢OS”、ZUK的ZUI、IUNI的IUNI OS、魅族的Flyme都是对Android系统做“减法”的经典代表。

                   做“减法”的系统

  所谓“减法”其实就是阉割掉那些无关痛痒的功能,减少系统预装应用,减少系统过于复杂的动画效果和人机交互,减少后台应用经常自启动频率,减少开启一个 应用(例如百度浏览器)顺带将其家族应用全部一并开启(百度客户端、糯米网、百度外卖、百度地图等),诸如此类的措施,其实都是为了减少系统的卡顿,减少 刷微博和玩大型游戏时候突如其来的停顿。

  配合今期文章重点讨论的“半导体”主题,同时,由于之前在Qualcomm骁龙820相关文章中和各位分享过手机处理器架构和工艺制程等历史。今天的文章小编重点介绍一下半导体领域的另外两种很重要的芯片——RAM和ROM(也就是上面第三和第四点内容)。

  RAM和ROM发展历史回顾

  LPDDR4和UFS 2.0分别属于RAM和ROM两种不同存储介质技术,接下来我们分别回顾一下这两种技术和PC上DDR内存、SSD硬盘之间的历史演进关系。

                 三星DDR和LPDDR里程碑节点

  DDR和LPDDR其实都是DRAM,而全球三大DRAM厂商之中,又以三星和智能手机关系颇为密切,为了方便读者理解,以三星为例看看DRAM历史的 演进过程。美光和SK海力士的历史演进也类似。半导体更新迭代大致按照摩尔定律推测,而架构和工艺制程的更新成为了最主要的两条主线,处理器如此,RAM 和ROM也如此。从上面表格可得,DDR和LPDDR除了在架构上从DDR逐步更新到如今的DDR4和LPDDR4,工艺制程上也从5xnm一路更新到如 今的2xnm。

  和处理器类似,18nm和20nm只是不同厂商在同一代工艺节点上表现出来的数值误差,实则上并没有跨越两代工艺制程,另一方面,10nm和Post-DDR4只是三星的愿景,暂时还没有实现。

                  LPDDR和DDR重大历史回顾

  纵观LPDDR和DDR历史,制定固态技术标准的JEDEC协会对DDR和LPDDR两种技术提出了标准规范。将智能手机和行业标准发展关联起来,12 年5月发布的LPDDR3标准规范,13年3月的三星S4正式用上了,同年7月,三星Note 3也冲上了3GB RAM的高度。14年8月,JEDEC发布了LPDDR4标准规范,并定义最高频率为3200MHz。15年3月,MWC上三星发布了搭载LPDDR4 RAM的三星S6和三星S6 Edge,同年8月,三星发布的另外两款旗舰——三星Note 5和三星S6 edge+将RAM容量提高到4GB。

                      SSD和ROM领域

  先来解释一下上面表格出现的一些专业术语,SSD是固态硬盘,ROM是手机存储。它们两者归根到底其实都是NAND Flash,下文会详细介绍SSD和ROM之间的关联。SSD根据成本和存储颗粒寿命再细分为TLC SSD、MLC SSD、SLC SSD(相同容量前提下,上述三者一般来说成本和寿命依次提高),而U盘和SD存储卡其实也是TLC SSD的一种形态。2D NAND是早期的一种SSD内部颗粒排列技术,而V-NAND则是如今由三星主导的3D平面上全新的颗粒排列技术,通过把内存颗粒堆叠在一起来解决2D NAND闪存带来的容量限制等问题。类似技术还有3D NAND,则是由Intel和美光合资的IMFT主导。

  熟悉固态硬盘的消费者应 该知道早期的消费级SSD主要是以MLC颗粒为主流的,SLC比较昂贵,TLC未成气候,所以成本上始终无法进一步降低。TLC寿命短和易损坏的弊病导致 在2012年以前,它们一般只用在U盘和SD存储卡上,但是由于技术进步,TLC颗粒寿命得到了控制,从此出现了采用TLC颗粒的840和840 EVO SSD,进一步将成本降低,也让SSD开始走近平民百姓。

  如今除了三星,浦科特、金士顿、SK海力士等厂商也纷纷推出采用TLC颗粒 的SSD。另一方面,除了存储颗粒本身的不同,存储颗粒之间排列方式也发生了改变,从刚开始的2D平面排列上升到立体空间3D排列,也就是如今的V- NAND排列方式。不知不觉,这种排列方式已经经历了3代产品,850 PRO和850 EVO在较早前也成功升级换代,分别换上了第三代V-NAND排列的MLC芯片和TLC芯片,进一步增大了存储容量,突破4TB级别的里程碑。Intel 和美光合资公司IMFT则称类似技术为3D NAND。

                   eMMC和UFS重要历史回顾

  在ROM领域,2013年10月,JEDEC发布eMMC 5.0标准,其实同年7月底,三星已经能够量产eMMC 5.0存储产品。在业界开始准备采用UFS这种新的存储介质取代eMMC的时候,在13年9月JEDEC发布UFS 2.0标准之后,相隔不到两年,15年3月,三星就在MWC上正式发布搭载了UFS 2.0的手机。

  LPDDR4

  在介绍LPDDR4和UFS 2.0两项在RAM和ROM领域最新技术之前,我们先来介绍一下JEDEC这个组织。

  根据百度百科的定义,JEDEC固态技术协会(JEDEC Solid State Technology Association)是微电子产业的领导标准机构,作为一个全球性的组织,JEDEC所制定的标准在过去50余年的时间里,已经被全行业广泛接受和采 纳。JEDEC的主要功能包括术语、定义、产品特征描述与操作、测试方法、生产支持功能、产品质量与可靠性、机械外形、固态存储器、DRAM、闪存卡及模 块、以及射频识别(RFID)标签等的确定与标准化。所以才会有今天的LPDDR4和UFS 2.0标准出台。

  JEDEC固态技术协会 在14年8月发布的新一代低功耗内存标准LPDDR4(Low Power Double Data Rate 4),是面向低功耗内存而制定的通信标准,以低功耗和小体积著称,专门用于移动式电子产品,例如智能手机。下面我们看看台式机、笔记本和服务器领域的 DDR标准和LPDDR标准的一些区别。

                       DDR和LPDDR区别

  如上图所示,LPDDR的运行电压(工作电压)相比DDR的标准电压要低,这也符合了低功耗小体积的身份和定位,另一方面,两种标准版本迭代时间并不是一致的,DDR4相比LPDDR4标准制定和出台要早上不少。

  接着我们对比一下LPDDR3和LPDDR4之间区别,前者和LPDDR2类似,采用单通道设计,而且位宽只有16bit,理论上最高工作频率为 2133MHz。LPDDR4采用了双通道设计,即使依然是16bit的位宽,但是由于引入了双通道的概念,所以最终能够实现32bit的位宽,同时最高 工作频率提升到3200MHz,上文小编提及过,决定RAM传输带宽的几个要素之中,LPDDR4都有针对性地提高,所以带来的系统运行速度和文件传输速 度的提升也会比较明显。

  UFS 2.0

  目前市面上主流的ROM标准有两种 ——eMMC 5.0和UFS 2.0,它们都属于NAND Flash。前者有更成熟的生产工艺,后者有更强大的性能。换句话说,上面两种存储标准其实可以看作是SD存储卡和U盘的近亲,不过相比micro-SD 卡,eMMC 5.0和UFS 2.0无论是传输速度还是可靠性上都要高上不少。

  eMMC (Embedded Multi Media Card) 为MMC协会所订立的、主要是针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC目前是主流的便携移动产品解决方案,目的在于简化终端产品存储器 的设计。由于手机内部NAND Flash芯片来自不同厂牌,包括三星、东芝、海力士、美光等,当设计厂商在导入时,都需要根据每家公司的产品和技术特性来重新设计,过去并没有一种技术 能够通用所有厂牌的NAND Flash芯片。

  eMMC的设计标准,就是为了简化NAND Flash的使用,将NAND Flash芯片和控制芯片设计成1颗MCP芯片,手机客户只需要采购MCP芯片并放进新手机中,无须处理其它繁复的NAND Flash兼容性和管理问题,最大优点是缩短新产品的上市周期和研发成本,让其更快地推出市场。

  eMMC 4.4的读取速度大约为104MB/s,eMMC 4.5则为200MB/s,eMMC 5.0为400MB/s,但是因为使用的是8位并行总线,因此性能潜力已经基本到达瓶颈,以最新的eMMC 5.1规范来说,其理论读取速度为600MB/s左右,性能的大提升基本是不可能的了。

                UFS是未来的主流存储标准

  2011年JEDEC发布了第一代通用闪存存储(Universal Flash Storage,简称UFS)标准,希望能够替代eMMC。然而,第一代的UFS并不受欢迎。2013年9月,JEDEC发布了新一代的通用闪存存储标准 UFS 2.0,该标准下的闪存读写速度可以高达1400MB/s,这相当于在2s内读写两个CD光盘的数据。

  eMMC和UFS对比

                   eMMC和UFS对比

  与eMMC不同,UFS 2.0的闪存规格采用了新的标准,它使用的是串行总线,类似机械硬盘的PATA接口向SATA接口的转变,并行总线就是每一次能够传输多个二进制位数据, 而串行总线就是每一次只能够传输一个二进制位数据,看样子好像并行总线更好,实则不然,虽然上面提及到eMMC拥有8位并行总线,每一次能够传输8个二进 制位,但是如果串行总线每一次传输数据的速度足够快,并行总线传输一次的时间,串行总线已经传输了10次甚至20次,这样的话,串行总线就能够在相同时间 内传输10位甚至20位数据。

  另一方面,UFS 2.0支持全双工运行,可同时进行读写操作,读取和写入操作都有专门的通道,还支持指令队列。相比之下,eMMC是半双工,读写必须分开执行,读取和写入 操作共用同一条通道,指令也是打包的,在速度上就已经略逊一筹了。打个比方,单车道和双车道的区别不用多解释也知道哪条车道的行车更加顺畅,关键是,那条 单车道还是分时复用车道,这段时间全部车辆只能自西向东行驶,下一段时间全部车辆只能自东向西行驶,工作效率不如两条独立车道,分别引导两个不同方向的车 流。而且UFS 2.0芯片不仅传输速度快,功耗也要比eMMC 5.0低一半,可以说是日后旗舰手机闪存的理想搭配。

  eMMC和SSD关系

                        eMMC和SSD区别

  最后让我们看看台式机/笔记本/服务器上SSD和智能手机中ROM的共同点和不同之处。

  众所周知,SSD是固态硬盘,主要由主控制器、闪存芯片阵列(阵列、阵列、阵列,重要事情说三遍)和缓存组成。缓存有时候也能够集成在主控芯片内。主控 制器作用等同于手机中的处理器,负责协调闪存芯片阵列中单个闪存芯片之间,闪存芯片阵列和缓存之间,还有协调SSD和外部电路(例如台式机内存、处理器) 的数据传输。

  eMMC更像是微型版的SSD,将主控、缓存和闪存同时集合在一块芯片中,注意,只有一块闪存而不是闪存阵列,这就是 SSD和eMMC最明显的区别,另外,主控、缓存和闪存一般是通过BGA封装方式封装成一块MCP芯片,这种芯片集成度相当高,更适合塞进去体积较小的手 机中。

  总结:简简单单的一台智能手机,背后却隐藏着强大的半导体产业,毫不夸张地说,处理器、RAM、ROM、基带芯片、摄像头CMOS,还有SoC主板上大大小小功能不同的芯片,其实都来源于半导体产业。半导体产业对智能手机的发展起到推波助澜的重要作用。

  同时我们也要意识到半导体产业在我国的尴尬地位,这也是如今国产厂商经常说支持“新国货运动”的最大难关,在信息化时代,除了手机,身边电子数码产品、 智能穿戴设备、家庭影音系统等设备基本上都是以半导体为核心元件的,只有掌握了半导体核心技术,拥有自己的晶圆厂,真正做到制霸半导体产业,才有资格摆脱 半导体领域那些巨鳄对上游供应商的把控,做到自产自销,降低成本,将最先进的半导体技术推向全球,从做产品、再到做服务、最后制定行业标准。也只有在那个 时候,“新国货运动”才能够真正打响。

 


来源:手机中国            责任编辑:李佳师
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