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智能手机突围战:发现芯片和5G硬件创新的突破点

作者:      发布于:2019-05-21      来源:  

  

 2018年对于智能机市场来讲,并不算是一个好年景。中国手机市场作为全球最大市场,出现了超过12%的负增长,再加上其他发达地区需求疲软,使得全球手机市场首次出现下滑。

原因不难窥见,自苹果iPhone用大胆的设计、全新的模式重新定义手机之后,这十余年里手机厂商遵照定制机的白皮书,制造了大量外形类似、性能功能相近、价格低廉的产品,这对整个行业来说并不是好事。用户开始抱怨“千机一面”, 换机周期延长,换机市场总体需求下降。

手机OEM厂商是时候该思考——如何从用户角度去做创新?

去年,手机工业设计在全面屏、水滴屏和摄像头上做了很多改进和革新,但这些技术演进没有真正触动到终端用户的刚需。今年初,折叠屏手机的出现让大家看到了手机硬件创新的希望。另据IDC预测,2019年,手机厂商对拍照成像技术的投入会继续加大,主摄+3D+广角或长焦,将成为旗舰机型的标配。预计到年底,15%的手机将搭载支持3D建模的硬件及相应的AR应用,有20%以上的机型将搭载屏下指纹技术。

此外随着5G网络全面铺开,以及新兴社交、视频类应用的普及,也刺激手机硬件进一步升级换代。长远来看,智能手机依旧会是用户获取信息资源、接入万物互联、运用AI技术的控制与联接核心。

更强大的处理器、更快的5G、拍得更清楚更远的摄像头、传感器的新应用、更快的充电时间……哪一种硬件创新能让智能手机行业重现往日辉煌?本期封面故事,《电子工程专辑》采访了多家智能手机供应链中的厂商,来从他们的回答中找找答案。

摩尔定律之外的处理器升级

移动处理器是整个手机硬件设计的核心,去年各大厂商纷纷迈进7纳米时代,然而随着摩尔定律的失效,移动处理器需要在工艺以外的层面进行更多的功能差异化设计。去年12月,Qualcomm推出了全球首款支持数千兆比特5G连接的骁龙855移动平台,此外还用AI和沉浸式扩展现实(XR)推动体验升级

Qualcomm产品市场总监秦牧云表示:“OEM厂商基于强大处理器开发的产品,可以呈现出丰富的差异化创新特性。举例来说,在5G方面,小米、OPPO、一加、中兴通讯、努比亚、三星和LG等在内的全球多家手机厂商在MWC 2019期间正式发布或展示了采用骁龙855的首批5G智能手机,这些手机可以支持手机数千兆比特速度、超低时延和超高可靠性。此外,vivo全新子品牌iQOO手机还利用Snapdragon Elite Gaming支持更好的游戏体验。”

Qualcomm产品市场总监-秦牧云

对于排名前三的手机厂商苹果、华为和三星都自己做处理器,小米也在自研处理器这种趋势,秦牧云认为,回顾整个无线通信领域的发展史,终端厂商自主研发芯片的情况并不鲜见。此前摩托罗拉、三星、诺基亚等厂商都自行开发过手机芯片,诺基亚还曾开发过CDMA和WCDMA芯片。“在一定程度上,当OEM厂商的规模足够大,他们就会希望能更好地控制自己的供应链,因此选择进入芯片设计领域,而在每一家公司的基因当中都有这家公司的核心竞争力。Qualcomm相信,那些专注于驱动技术发展的企业往往会是市场的赢家。”他说道。

不同的企业有不同的核心竞争力,有的企业善于做消费类产品,有的企业善于做软件,还有的善于做应用。就像Qualcomm专注无线半导体领域,所有业务都围绕无线技术和高性能低功耗计算展开。“Qualcomm始终坚信技术正在快速变迁,那些想要赢得市场的企业需要选择最好的技术。以三星为例,他们拥有自己的芯片解决方案,但在一些渠道一些市场中,他们还是会选择骁龙芯片组来维持足够的竞争力。”秦牧云表示。

摄像头三大责任:拍得清、远、美

作为手机的眼睛,摄像系统一直以来都是智能手机终端用户最重要的关注点之一,从近期新发布的旗舰机型来看,摄像头的数量已经发展到了三摄,升降式摄像头也大行其道。多摄像头主要在单摄像头的应用场景基础上,完成特定使用场景的优化,例如夜景。升降式摄像头则主要为了突破现有智能手机外观设计,用算法或AI增强来提升用户体验。

5G商用、核心处理单元计算能力和显示技术的不断增强,为高质量视频应用普及铺平了道路,也成为图像传感器以及后端图像系统不断发展优化的原动力。豪威科技中国/印度区销售副总裁Stephen Wang表示,2019年主要看好手机摄像头和图像传感在3个方面的应用:

1)小像素高解析度。基于最新的0.8um超小像素技术的高分辨率传感器,把高解析度图像普及到中高端手机,让用户近看远看都清晰;
2)2K/4K视频专用芯片。随着视频社交应用的爆炸式成长,提高视频质量已经成为业界的共识。2018年底的超高清2K/4K视频专用传感器得到了市场积极反馈,今年将用从1080P到4K提供全线解决方案,把安防应用的超大像素、高速高质视频图像带到手机;
3)多种规格产品组合,实现不同功能。随着双摄以及三摄的普及,除了高端主摄像头以外,2M,5M, 8M,13M与16M又通过广角、景深以及潜望功能应用,激发了第二个增长点。豪威与主摄战线形成强协同,全面提供前摄+后摄、双摄、三摄产品组合。

Stephen Wang认为消费者对摄像系统本身的需求主要体现在三个方面:1. 拍得清;2. 拍得远; 3. 拍得美。“所有的创新也是紧密围绕着这三个基本点来解决客户痛点。” 他说到,“随着双摄与三摄系统的普及,在通常日光下拍得清跟拍得远的问题已经基本得到解决,随着我们基于超小像素,超高分辨率的图像传感器的上市,配合双摄或三摄系统,完美实现多倍光学变焦,能让用户在不损失清晰度的情况下拍得更远更美。”

Qualcomm则从CPU、GPU和DSP方面来提升拍摄体验,首次将计算机视觉和计算摄影功能移植至硬件ISP上进行处理,推出全球首个计算机视觉ISP(CV-ISP)——Spectra 380 ISP。它除了带来速度的提升,还实现了4倍功耗降低,支持HDR10+视频拍摄。秦牧云以对象追踪的速度为例,“如果我们想要在1080p视频中进行对象追踪,CV-ISP的处理速度可以比DSP的快11倍,因此对象追踪可以实现1080p 60fps和4K 30fps。”

不仅仅用于解锁的3D传感

3D脸部解锁功能也会被应用在更多的智能手机上,随着市场的接受程度越来越高,其便利性也被支付应用所注意和采用。另外3D技术会逐渐被应用于精准建模,从只有正面的侦测发展到在背面也加上一个3D模块来做环境侦测和其他技术的支持,例如AR、MR、VR的应用及和现实生活的连接。

手机厂商正在思考用不同的光谱技术将食物安全、颜色校正、甚至生理状况监测放入到手机中,而随着全面屏手机的被认同和逐渐普及,屏下侦测调光的需求也逐渐变强。对此,艾迈斯半导体(ams)大中华区3D方案和器件产品线策略市场总监蔡郑志强表示:“ams推出符合客户需求的TCS3701提供了业界最高的感知度和准确性来支持OLED全面屏,不需要预留边框给传感器。另外,由于有了光谱芯片和生物识别检测这些新技术的导入加持,可预见的是手机不仅仅是通讯的工具,也会转化成一个传感器的载体,让我们的生活更便利。”

ams大中华区3D方案和器件产品线策略市场总监蔡郑志强

5G,重振手机行业就靠你了?

2019年被誉为5G商用元年,就像4G手机当年引爆市场需求一样,不少手机厂商寄望通过5G重振其业务。但因为5G频点更高,带宽更宽,对器件的要求和4G不同,其对于功率放大器(PA)的线性度要求更高,高频一直是射频行业设计的难点。

5G商用部署相比十年前的4G目标和复杂性也差异巨大,面临着全新格局。在整个通信链路中,除了调制解调器外还包括很多器件,包括射频收发器、滤波器、开关和PA等射频前端(RFFE),还有天线。尤其是5G毫米波部署中,需要在终端上支持大量天线。

秦牧云表示:“从6GHz以下频段到毫米波频段,Qualcomm可以提供从调制解调器到天线的完整5G多模解决方案和器件。我们预先完成了这些器件的集成、测试和优化工作,手机制造商不需要在终端设计上花费大量时间,可在较短时间内完成产品研发、生产和优化,并且兼顾产品的轻薄外形和良好性能。”

截止到今年1月份,Qualcomm已宣布获得30余款5G终端设计,而这些5G终端设计中大多数都是来自全球OEM厂商搭载骁龙855和骁龙X50 5G调制解调器的智能手机。此外,几乎所有这些5G终端设计都采用了Qualcomm射频前端解决方案。

Qorvo在5G领域也投入巨大,其全套5G发射链路发案预计今年量产。Qorvo中国区移动事业部销售总监江雄(Locker Jiang)表示,其方案涵盖了5G新的频点N41、N77/78和N79,兼顾手机企业对发射功率,电流消耗和尺寸要求的同时,也满足中国移动对SRS、Power class 2和NSA/SA 的需求。

Qorvo中国区移动事业部销售总监江雄(Locker Jiang)

“不仅在5G,Qorvo新的Phase 6和天线调谐方案还将在4G旗舰机上使用,在技术上解决了更多复杂CA的需求。” 江雄补充道,“Qorvo的全新5G芯片模块可以支持APT模式下100MHz带宽,帮助客户降低手机设计和生产难度。小型化的模块,也可以减少对应面积,为客户手机电池提供更多的空间。”

折叠屏是趋势,但普及为时尚早

虽然业界对折叠屏和5G的关注度最高,但这两项功能还不容易在2019形成市场增量的引擎。敦泰科技(FocalTech)前瞻产品处总监-贡振邦(Eric Kung)认为,高端手机在2019的换机动能可能来自5G,但中低端机型则更关注外观及功能性,其中外观颜值的趋势不外乎有刘海或水滴的异型切割全面屏,转移成盲孔或通孔的全面屏。

敦泰科技(FocalTech)前瞻产品处总监贡振邦(Eric Kung)

2019年可以称得上是折叠手机元年,MWC上三星、华为以及TCL都演示了折叠手机的量产雏型。从使用者的角度看,贡振邦认为目前折叠手机在价格上还远远不够亲民性,但这不足以对其未来发展造成阻碍,毕竟里面有太多新硬件与技术。

江雄也认为,折叠屏手机的外观会吸引部分高端用户,当前的难点在价格昂贵,屏幕成品率不高。但他表示:“这确实是智能手机的发展趋势。随着柔性屏将来的大量使用,手机可以呈现出更为多变的外观。对天线的设计也会提出新的挑战。”

早在大约十年前,柔性AMOLED显示屏就以“不会破的显示屏”吸睛,之后则以“可折叠的显示屏”来吸引应用。但直到最近几年,柔性AMOLED模块才开始具备触控功能,应用上为了让AMOLED更薄能弯折,也不再使用传统玻璃盖板。这两个应用需求令触控技术与过去在LCD屏上所面对的条件完全不同。贡振邦举例说明:“当盖板厚度减小, 手指跟触控电极的距离更近, 所造成的触控电极上的电容变化效应便大不相同, 在非持握时的触控稳定性受到影响。当为了要让模块变薄同时还要能够实现小曲率半径的多次弯折,触控电极的位置必须要更接近显示电极,如此显示屏的信号也会更容易耦合到触控电极,形成噪声,影响产品的触控体验。”

据敦泰科技的观察,2019年LCD显示屏In-cell结构的渗透率会快速上升,AMOLED也快速进入国内中高端智能手机市场。依据显示屏体的不同,各产品线也推出不同的新产品以及技术来满足客户的新需求。LCD方面, 触控显示整合单芯片(IDC)在更高屏占比以及挖孔屏的趋势下,除了提供完整的COF(Chip on Film)方案外,在挖孔屏上依然有很好的显示以及触控体验,能协助客户实现窄边框以及高性价比产品。

“敦泰的柔性触控研发已经进行了五年以上,今年可折叠触控方案也将在可折叠手机上量产。可折叠手机尚属于新的产品类型, 除开发不同于LCD的触控芯片硬件外, 敦泰还将面向AMOLED的未来新应用需求, 与终端客户一同开发系统层面的新技术, 实现除了硬件之外的系统差异化。”贡振邦表示,“在AMOLED屏方面, 敦泰触控芯片已经在2018年搭配国产AMOLED面板在手机终端量产, 2019年Q1将与三星AMOLED一起与国内手机终端客户完成高端智能手机的量产。功能上可支持屏下指纹唤醒、游戏快速响应等。此外针对屏下指纹,除既有已量产的电容式指纹产品外,敦泰AMOLED及LCD的屏下指纹技术预计今年上半年会提供给客户验证。”

快充及无线充电技术

智能手机续航一直是个难题,在电池密度和材料无法突破瓶颈的情况下,快速充电成了手机厂商热捧的功能。目前市场上主流的快充方案有许多,但基本都采用低压高电流、高压低电流、高压高电流的思路来解决。对于快充方案的选择,要具体看客户的需求。

Dialog半导体公司电源转换业务部市场营销副总裁Scott Brown认为,较低的电流(小于3A)可以使用标准的低成本USB Type-C充电线,其成本自然相对较低。功率高于3A的方案要求使用相对较贵的专有线缆或USB Type-C电子标记线缆,可以支持最高5A的功率。传统的快充技术是将更高的功率传输到手机中,但是用这样较高的电压对电池充电会导致发热问题。

Dialog半导体公司电源转换业务部市场营销副总裁Scott Brown

低电压、高电流解决方案,也称为“直充”,可以有效地将更多电量传输到电池中,通过克服高压充电的一些热限制来实现更快地充电。不过,由于直充应用需要将功率做到3A以上,则需使用专有线缆或USB Type-C电子标记线缆,因此其成本相对较高。

“Dialog的所有电源转换产品都具有一个数字内核,可以集成许多复杂的保护功能,包括多层过流保护、过压保护和输出引脚软短路检测等。” Scott Brown介绍道,“不同的手机OEM厂商使用多种不同的快充协议,一些OEM厂商提供支持多种快充协议的便携式电源适配器。USB-IF提出的USB PD标准被很多人视为该市场标准化的机会,长期来看这有可能成为现实。目前,许多手机制造商还在继续开发自己的快充协议,其中一些协议建立在USB PD标准之上,但Dialog支持几乎所有快充协议。”

安森美的重点一直是更小、更高能效的电源方案、负载管理、接口和保护方案,安森美半导体模拟方案部策略营销高级总监Matthew Tyler表示:“快速充电和无线充电当前只是高端智能手机的专利,但我们预期这种功能将在中低端手机中普及。这其中的关键是充电采用的连接器标准,USB Type-C极大地提高了手机的充电能力,我们希望手机厂商在接口选择上更多地向USB Type-C转变。”

安森美半导体模拟方案部策略营销高级总监Matthew Tyler

在无线充电方面,Dialog于2016年战略性投资了Energous。后者的WattUp技术不同于电磁感应式或谐振无线充电系统,它可在一定半径范围内对多个设备以各种角度进行无线充电,这对手机用户来说是种非常奇妙的使用体验。在2018年初,美国联邦通信委员会(FCC)通过了对Energous中场(Mid Field) WattUp发射器参考设计的认证,中场发射器充电距离可达3英尺(约0.9米),这也是FCC第一次将设备认证授予远距离无线充电设备。未来Energous将瞄准远场(Far Field)无线充电发射器,届时充电距离可达到15英尺(约4.6米)或更远,让无线充电像Wi-Fi一样布满整个房间。

今年2月,Qualcomm也面向无线充电推出Quick Charge技术,最大程度地减少输电损耗和终端内的热量积累,并提高电池使用寿命,进而保护终端并改善用户体验。“对于5G手机而言,Qualcomm 5G PowerSave技术基于联网状态下的非连续接收(3GPP规范中的C-DRX特性)技术,能够提高5G移动终端的电池续航能力,让其续航可以媲美目前的千兆级LTE终端。”秦牧云说到。



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