3C王者

來源：內容來自「歪睿老哥」，謝謝。

這一刻，一個手機處理器離你的手心隻有0.5公分。

雖然你看不到它，但是四分之一炷香之後，你就會瞭解它實際是這個世界上最復雜也是最懂你的芯片。

因為你看完這篇《大話手機處理器》。

雖然我本人寫過無數篇的介紹的芯片的文章，但是我認為這篇是最費勁的。

01

當前國內芯片行業創業一片繁盛，各種初創公司層出不窮。

例如DPU賽道，GPU賽道，AI賽道，CPU賽道都是一群公司在搞。

但是沒有哪個初創公司敢挑戰手機處理器芯片，有手機大廠造芯也是也先從從做小芯片開始。

2019年全球手機出貨量在14億臺，這背後是14億個手機處理器。

這是個千億人民幣以上的生意。

一方面是巨大的出貨量，另一方面玩傢很少。

這就是扭曲的現實。

現有的幾個手機SOC廠商。

蘋果A系列，三星的Exynos系列，華為的麒麟，高通驍龍，聯發科，紫光展銳。

其他人去那裡瞭？

原因很簡單，手機處理器芯片的難度非常之大，足以擋住如此之火的芯片創業風潮。

可能瞭解的會說，手機處理器不就是買瞭一堆IP，然後組合到一起。

攢個芯片，還有優越感瞭？

手機處理器芯片，其實不僅僅是處理器，又可以稱為手機SOC芯片，這個SOC的意思是片上系統的意思。System On Chip。

SOC這個詞更加準確描述瞭手機處理器芯片功能，這是一個SYSTEM系統。包括CPU，GPU，DSP，ISP，4G/5G基帶，NPU，WIFI，藍牙,GPS北鬥，顯示系統等等。

就這，華少一口氣也說不完。

這個系統為什麼這麼復雜，還需要從手機處理器發展談起。

02

如果說蘋果是智能手機時代的王者，那麼功能機時代的王者就是諾基亞。

功能機時代提供手機SOC芯片最著名廠商就是TI（德州儀器）。

TI（德州儀器）是一傢老牌的芯片設計廠商。

提起TI，你肯定就不困瞭。

因為這個公司和集成電路芯片密切相關，其本身就是一部集成電路的發展歷史。

1954年，TI生產瞭全球第一個晶體管，1958年，TI發明瞭全球第一塊集成電路。1982年TI發佈瞭全球第一個數字信號處理器DSP。

那麼國內做數字信號處理的工程師和廠商，誰沒有用過TI的芯片。

沒有用過就不敢稱做過數字信號處理。

TI後來發佈瞭手機處理器OMAP系列，

這是是一個經典的應用處理器。

這個處理器第一個提出瞭異構的概念，就是DSP+ARM處理器。

這種處理器結構一下贏得瞭手機廠商的青睞，因為可以處理各種無線通信的數字信號處理業務，保證通話的質量，畢竟功能機時代的手機最重要的功能就是打電話。

瞄準核心訴求，TI的DSP能力誰能匹敵。

2004年底諾基亞推出其第一款Series60平臺手機—6630時，用的就是TI公司的傑作—OMAP1710。

OMAP1710當中包含的程序處理器型號為ARM926，最大工作頻率可以達到 220MHz，與此同時， ARM926的一級緩存已經提升為32KB，達到瞭前一代處理器的2倍，依舊支持JAVA硬件加速，因此TI宣稱OMAP1710比前一代處理器又有瞭40%的性能提升。

OMAP1710采用瞭Low-voltage 低電壓技術，制程的減小也就意味著工作電壓的下降，而普通待機狀態下的耗電量僅為10mAh，可謂節能高手。

而隨著諾基亞產品線的不斷壯大，OMAP 1710用過的諾基亞手機又多少？

天上的星星數不清，用OMAP1710的諾基亞的手機也不好數，6630、 6680、6681、E50、E60、E61、E62、E65、E70、N70、N71、N72、N73、N80、N90、N91和N92等等。

一款SOC運行那麼多產品線和堅挺這麼長時間，這個是智能機時代的手機SOC所不能想象的。

當然TI後面也不斷推出更新一代的SOC處理器。

TI賦能瞭諾基亞，諾基亞也成就瞭TI功能機芯片之王。

一代功能機芯片之王TI占據瞭手機處理器的60%以上的份額，這個是如今的高通也望塵莫及的。

通話質量好，待機時間長，憑借優異的實力，TI成就瞭諾基亞背後的男人。

03

看到TI的在移動領域的順風順水，其他廠商也想在這個領域分一杯羹。

那些廠商都有誰？

這個名單就很長瞭，並且都是大牌廠商，英特爾，飛思卡爾，marvel，高通等等。

英特爾 xscale系列很早出現瞭。PXA210就是這已系列的集大成之作。

PXA210是intel基於ARM指令集的一款芯片，其內部叫做strongARM。

英特爾使用ARM指令集，沒有想到吧。

英特爾在移動領域下手也很早，並且性能很強，應該是那個時代性能最強的手機處理器。

但是打個電話，發個短信，誰需要一個性能這麼強的處理器。

哎，來得早不如來的巧。

生不逢時。

最後，還是老朋友比爾.蓋茨來幫忙瞭。

為瞭一同打開手機市場的局面，微軟同時推出瞭一款面向移動端的系統，WINCE。

就是PXA210+WINCE，要復制PC端X86+WINDOWS的輝煌。

這個是一個多普達的2006年的智能手機產品，Intel PXA + WINCE的組合。

坦白說，沒有掀起什麼風浪，隻是在某些小型渠道流行過一陣。

電腦上的文件，例如WORD，MP3，MP4，在手機上直接能打開，音頻，視頻播放都沒有問題，在當時並沒有掀起購買的風潮。

英特爾和微軟不約而同的看到瞭未來智能手機的雛形。

智能手機時代就是一個蓋世英雄，早晚踏著七彩祥雲來拯救芯片廠商。

英特爾和微軟猜到瞭開頭，卻沒有猜到結尾。

因為另一個人猜到瞭，那個人叫做喬佈斯。

雖然英特爾產品性能領先，但是在功能手機時代，並沒有太高的性能焦慮。

英特爾還按照PC業務那套打法，陽春白雪，不接地氣。

2005年全球手機應用處理器市場總計達8.39億美元，德州儀器占69%，高通占17%，英特爾隻占7%的份額，

因為移動領域遠沒有INTEL的PC端和服務器端掙錢，INTEL把PXA手機業務賣給瞭MARVEL，退出瞭這個領域。

陽春白雪的英特爾走瞭，更接地氣的芯片公司來瞭。

2005年，一傢最初本來是研發光驅芯片的公司，完成瞭GSM樣片的開發，同時為瞭賣芯片，手機應用處理器和GSM處理器整合到一起，提供瞭MTK芯片的解決方案，同時提供瞭一整套的SDK。

這傢就是聯發科，其創始人蔡明介也被稱作”山寨機“之父。

在沒有Andriod系統之前，每個廠商都要開發一套手機界面，對於小廠來說還是有一些難度的。

聯發科推出一站式手機解決方案，將手機芯片和軟件平臺預先整合在一起，這一下子就讓手機廠商制造手機門檻降低太多瞭，一時間造手機跟開餐館一樣簡單。

2007年，中國手機牌照取消，深圳一下子冒出瞭無數的手機小廠商。

時勢造英雄，還是英雄造時勢？

從聯發科和山寨機來看，都趕上瞭歷史的大勢，也創造瞭屬於他們的時代。

華強北的廠商依靠著聯發科這套解決方案，大殺四方，盆滿缽滿。

山寨機最瘋狂時，年銷售到瞭1億部。

MTK芯片成就瞭華強北，也成就瞭聯發科。

英雄和時勢彼此成就。山寨機雖然遠去，但江湖上從來沒有停止過這些傳說。

04

2007年，喬佈斯發佈瞭第一代iPhone，它的3.5英寸全觸控屏幕、金屬機身以及iPhoneOS真正推開瞭智能手機時代的大門。

這款iPhone 3G用的三星的SOC處理器，S5L8900。

S5L8900采用90nm工藝制造，主頻在412-620Mhz，內部采用ARM11。

最重要的集成一個GPU，PowerVRMBX-lite。

GPU是智能手機時代的標準配置，並且有著超過CPU的重要性。Imagination的PowerVR是嵌入式GPU的領導者。

英特爾的PXA系列也被授權PowerVR MBX的GPU。

高通自己收購ATI移動GPU部門Imageon，將其改名Adreno。這個時候還在摸索階段，不成氣候。連和ARM的Mali對比處於下風。

用瞭三星的處理器，蘋果搞成瞭一代IPHONE。

而蘋果也點燃瞭三星做處理器之火。

趁熱打鐵，三星推出的Exynos系列，成為智能手機SOC最重要的玩傢之一。

當世界出現蘋果手機時，其他的手機廠商開始焦慮，如何對抗蘋果手機以及IOS。

WINCE是沒有掀起什麼水花，這個系統太像WINDOWS，理念和操作都是。

難堪大用。

Andriod應運而生瞭。

其實Andriod最早並不是google開發的，Andriod是安迪·魯賓創建的Andriod公司開發的，

安迪.魯賓也被稱為Andriod之父。

安迪.魯賓是一個大神級的技術人員，但是卻不是一個優秀的經理人。接近開發完畢時候，公司也是財務極度緊張，一度需要依靠借債度日。

這個已經不是安迪.魯賓的第一次創業瞭，早在2002年，安迪.魯賓和他的朋友們成立瞭一傢名為“危險（Danger）”的公司，發明瞭一款可上網的智能手機叫做Sidekick。

2002年初，魯賓在斯坦福大學給矽谷工程師講課，其間談到瞭Sidekick的研發過程。

他的聽眾中有兩個人，下課後，這兩個人走到魯賓身邊查看Sidekick，被這個可以上網的新玩意兒深深吸引。對啊，正經人誰不喜歡上網。

這兩個人就是谷歌創始人拉裡·佩奇和謝爾蓋·佈林。

有瞭這層背景，Andriod公司又缺錢，2005年8月份Andriod被Google收購，這是google最成功的收購之一。

2007年，Andriod很快就推出瞭第一個版本，並且創建瞭開放手機聯盟。

Andriod以開源形式服務於全球手機廠商，但是Andriod隻是一個操作系統。

但是，當時卻沒有一傢硬件手機公司支持。

機緣巧合，HTC（宏達）出現瞭。

宏達最早開始做智能手機代工，老板是王雪紅，2008年收購瞭多普達，但是實際上多普達和宏達是一傢人。

一個代工，一個自有品牌，玩的就是PXA+WINCE。

玩過WINCE的宏達看到Andriod，就像看到陌生的老朋友，夢中的新情人，一定要搞成。

那就和WINCE說拜拜吧。

HTC的首席執行官周永明，2002年和魯賓最初創辦的公司Danger洽談過代工制造Sidekick手機，和魯賓是老相識。

衣不如新，人不如舊。

安迪.魯賓想起瞭周永明，魯賓承諾周永明與HTC合作。而HTC也派人接近50名工程師直接在google總部工作。

最終有瞭世界上個第一款Andriod手機。

這款Andriod手機，成就瞭HTC的在Andirod時代的短暫的輝煌，也帶火瞭智能機時代的SOC王者。

2008年，HTC推出全球首款安卓手機T-Mobile G1，成為第一個站在蘋果iOS系統對面的安卓挑戰者。

這款手機采用瞭高通的MSM720 處理器。

本來在高通的這款處理器不是專門為Andriod開發的。

最早是用在WINCE上的。

對這款芯片熟門熟路的HTC用高通芯片第一個來做瞭Andriod手機。

高通MSM7201A采用瞭雙核的解決方案（采用ARM11+ARM9雙核構架），內部3D圖形處理模塊，還有3G通信模塊。同時圖像模塊高分辨率的圖像以及視頻播放，流媒體功能表現也很出色

從通信一路走來的高通，終於搞明白智能SOC應該怎麼來做瞭。

大小核，GPU，集成通信模塊。一直沿用至今，成就瞭一代曉龍。

而後續跟進的廠商的開發Andriod的智能手機，在選擇手機SOC時，不約而同的選擇瞭高通。

以通信起傢的高通，對於通信非常在行，畢竟CDMA的專利權等都在自己手裡，集成通信處理器完全不再話下。

反觀原來的霸主TI，則有兩個劣勢：

一方面：TI處理器無法覆蓋全部網絡制式，導致采用OMAP芯片組的制造商購買瞭德儀處理器還要額外購買基帶芯片，這樣既增加瞭生產成本，又增加瞭功耗，市場份額大減。

另一方面：手機處理器更新換代非常之快，TI采用自己制造，其實和英特爾非常類似，如果自己設計，自己制造，就會有高制程工藝的需求，TI的制程是難以滿足手機處理器對工藝無節制的索取的。

基帶搞不定，節奏跟不上。

進入智能機時代，TI的份額一降再降。

2012年，TI決定放棄OMAP系列處理器，未來將會把重點投資從移動芯片領域轉移到包括汽車生產和工業設備等更廣泛的市場。

TI和諾基亞，難兄難弟，不離不棄。

一起消失在智能機時代。

而也成就瞭高通 Android領域第一霸主的地位。

HTC成就瞭高通，卻沒有成就自己。

2017年，HTC的手機業務已經奄奄一息，谷歌宣佈將斥資11億美元收購HTC公司的手機業務。

除瞭專利外，其中一個重要因素就是，HTC推出瞭第一款Andriod手機。還有HTC曾經派50人駐場一起開發，那些一起戰鬥的激情燃燒的歲月，沒有白費。

十年之前，我不認識你，你不屬於我，我們一起建功立業。

十年之後，Andriod日出磅礴，HTC已經沒落，是在一起也是永遠分別。

05

推出瞭第一代iPhone之後，就像打開瞭智能手機未來之門。

很快蘋果就開始體會瞭智能手機SOC和之前最大不同瞭，那就是智能手機對性能無盡的索取。

智能手機，既是裝在口袋裡的電腦，也是遊戲機，還是照相機，是一切娛樂的集大成者。

如果娛樂關鍵時刻頻繁卡頓，手機的伴侶人類，體驗就會很差。

體驗很差就會移情別戀。

更好的手機值得更優秀的處理器，蘋果自研的處理器就走上瞭日程。

蘋果並沒有芯片研發基礎，但是這個不是問題。

2008年，蘋果公司出手收購P.A.Semi，一傢面向嵌入式設備的芯片廠商。

這是一次平平無奇的收購。

但是卻因此得到瞭一位大神Jimkeller。Jim keller當時在P.A.Semi做技術負責人，這次收購的結果就是他入職蘋果。

就是那位以AMD的ZEN之父而聞名天下的Jim keller。而當時他還隻是一個優秀的芯片設計師Jim keller，還不是享譽世界的芯片大神Jim keller。

jim keller就這樣成為蘋果公司的員工。在蘋果工作期間，Jim keller主持設計瞭A4、A5兩代移動處理器，用在iPhone4/4s、iPad/iPad 2等設備上。開啟瞭蘋果自研手機處理器的之路。

Jim keller 采訪回憶說，自研的處理器讓喬佈斯非常滿意。

除此之外，所以Jim keller在蘋果時，就在手機SOC項目中開始大核架構的設計。

當需要處理器更強大時，有兩種方法可以做到：一種方式是基本結構做得更大，簡單說就是一個大核。第二種是調整功能，搞一堆小核。明顯前者的難度更大，也更有效，因為不是所有程序都可以並行到多核上執行，就有某些設計廠商設計出”一核有難，七核圍觀“的場景

蘋果SOC處理器一直以更少的核數，提供給用戶更強性能體驗。

從此蘋果的SOC一直成為瞭手機SOC芯片性能的天花板。

一直被追趕，從未被超越。

但是蘋果SOC處理器一直沒有集成通信處理器。這也是被人詬病的部分。

蘋果的手機一直使用的英特爾的基帶，所以一直被詬病信號不好。

但是說句公道話，信號不好，不是因為手機SOC和通信基帶分離的原因，更可能是基帶芯片本身的設計就會差一些。

比起高通以通信起傢的SOC廠商來說，英特爾的儲備更薄弱一些。

2019年，蘋果收購瞭英特爾的基帶業務，最後一塊拼圖完整瞭。

但是IPhone12 用的還是高通的基帶。

拼圖完整瞭，什麼時候能夠拼上還需要一段時間。

人生不如意十之八九。

強如蘋果，亦有遺憾。

06

作為整機廠商，蘋果自研芯片開瞭個好頭。

後面就有更多廠傢踏上瞭這條路。

華為來瞭。

2011年，餘承東調任華為終端業務董事長，開啟瞭華為搞高端手機之路

自研處理器隻是其中一個環節。

2012年，華為發佈瞭K3V2，號稱是全球最小的四核ARM A9架構處理器。集成GPU，40nm制程工藝，這款芯片得到瞭華為手機部門的高度重視，直接商用搭載在瞭華為P6和華為Mate1等產品上面，可謂寄予厚望，要知道當初華為P6是作為旗艦產品定位。

但由於其芯片發熱過於嚴重且GPU兼容性太差等，使得該芯片被各大網友所吐槽。

自己設計的芯片，含著淚也要的用到自己手機裡，被用戶一臉嫌棄。

經過瞭幾輪迭代，到麒麟9系列時，已經逐漸漸入佳境。

2017年9月2日，在德國柏林國際消費類電子產品展覽會上，華為發佈人工智能芯片麒麟970。同年10月16日，首款采用麒麟970的華為手機為Mate 10在德國慕尼黑正式發佈。

麒麟970不是華為最牛的芯片，但是確是華為帶給整個手機SOC智能時代的標志。

從麒麟970開始，華為首先在手機SOC芯片中集成瞭一個以前從來沒有的部件，NPU。

現在手機內部集成AI加速部件稱為瞭共識，當時在當時，基本上很少人能夠認識這其中的意義。

第一款華為采用瞭寒武紀的IP，後面逐漸轉向瞭 Da Vinci 達芬奇架構。

幾天後，加載NPU的蘋果A11仿生也發佈瞭。

英雄所見略同，智能手機SOC的“人工智能”時代開始瞭。

華為麒麟970的NPU（神經網絡處理器）、Google Pixel2內置的IPU（圖像處理器），以及蘋果A11 Bionic，都是實現上述功能特性的專用硬件解決方案。

手機芯片處理器，除瞭多核CPU，多核GPU，DSP，ISP，基帶，顯示，安全等等。

現在NPU也來加入進來瞭。

手機攝影已經進入瞭“計算攝影”的時代，可以給用戶提供更好的拍攝體驗，但是就是需要更為頻繁的AI的運算。

2020年，華為海思被而美國禁止在中國臺灣的臺積電流片，麒麟9000也成為瞭一代絕唱。

華為SOC最先引入瞭NPU，引領智能手機真正進入“人工智能”時代。

手機“人工智能”仍在發展，華為的處理器卻不能出新瞭。

人面不知何處去，桃花依舊笑春風。

華為人總說：燒不死的鳥是鳳凰。

期待鳳凰涅槃時。

07

時至今日。

手機SOC芯片已經到瞭5nm。

面臨著三大問題，設計復雜，成本增加，功耗難以控制。

最早的手機SOC就是CPU，現在早已超出瞭CPU的概念。

一眾廠商不斷加料。

TI在裡面加瞭DSP。

高通和聯發科集成瞭通信處理器CP。

三星高通英特爾各傢又分別添加GPU。

華為蘋果又帶來的NPU。

多個ISP引入，競賽般支持瞭2個/3個/4個CMOS攝像頭。

CPU也是一樣，從單個CPU，從雙核，大小核，四核，六核，到現在8核。

ARM架構 A8A9到A78，A79，直到現在的 X1；從ARM A8的雙發射，A78的四發射，X1變成瞭五發射。

GPU從ARM的MALI，高通曉龍的AdrenoGPU，蘋果用過多年的imagination的powerVR、

這些子系統，包括CPU，GPU，影像，AI，存儲，無線，安全等等；

通常在芯片的介紹或者手冊上，這些都是孤立的存在。

但是，一個SOC上最核心還有IP的互聯和數據流向，這些一般是通過總線和各種DMA模塊來實現的。通過總線連接各種IP子系統，同時各種通用DMA或者定制DMA模塊進行數據流的交換。這些才構成瞭整個復雜的SOC系統。

非常考驗集成能力，還帶來成本增加。

這些成本增加，一方面是面積增加，另一方面而在7nm以後，制程的提升，單個晶體管的成本反而增加瞭。

一次性投入，IP費用，MASK費用都在增加。

全都在漲價，隻有全球手機銷量在減少。

一個手機SOC接近八九十個平方mm2，這個是在7nm或者5nm來算的。這麼大的芯片，如果是同等類比AI芯片，預計要幾十瓦。而手機SOC芯片的功耗在幾瓦，休眠功耗就更小瞭。

如何控制手機SOC的功耗是手機SOC的核心問題，主要就是時鐘控制，電源關閉，電壓調節三種手段，甚至電壓頻率動態調節等多種手段。

下圖是一個典型三從集功耗性能分析圖，綠色為小核，藍色為中核，紅色為大核。橫坐標為性能提升，縱坐標為能耗增加。

通過在合格功耗表格，不同負載下運行不同的核。關閉其他的核就有一些依據。

工程師都知道，在小負載下運行在小核，負載再增加，運行在中核，更高的負載，隻能運行在大核。單線程模式下。但是在什麼負載運行在那個核上，比較經濟，通過這個圖就能看出來。。

隨著單線程性能的提升，同時也有性能的增加，如何保證性能增加的同時，盡可能運行在一個合理的功耗，這一切調整芯片固件調整有關系。也是考驗各個廠傢底層優化能力的部分。

目前幾款5nm處理器，用戶不約而同反饋功耗比較大，是“火龍”。

目前看，隨著集成度增加，在低制程工藝下，越來越多的功耗的問題就可能層出不窮。

用戶體驗的“柔順絲滑”的帶來瞭性能焦慮和電池焦慮。

性能的問題逐漸解決瞭，電池的問題卻更突出瞭。

不服跑個分的時代還沒有走遠。

不要成為“火龍”的需求卻一直存在。

08

手機SOC引領著手機的發展。

蘋果，三星，高通，華為，聯發科等等，每年發佈的芯片時刻都是芯片設計業界一流高手對決。

高手對決三個要素，快，勇，智。

高手對決要快，平均12個月迭代一款百億晶體管量級的芯片。

芯片錯過一時，手機就錯過一代。

高手對決要勇，7nm，5nm都是手機SOC芯片需求催著制程的發展，

復雜的集成度但是還要嚴酷的低功耗，低制程是必然卻又未知的選擇，是芯片制程工業未知領域的趟路人。

高手對決要智，多路ISP到集成NPU，手機SOC產品定義從未完成過。

如何保持特色，在性能，功耗，體驗上得到用戶的認可，成為最懂用戶的芯片。

手機處理器作為手機的大腦，在不斷進化，成為人類最親密的助手。

而沉迷手機的人類則在不斷退化，越來越依賴手機。

這是一個有趣卻又諷刺的現實。

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