性能、体积、功耗……谁在制约掌上魔方

科技的发展不再是仅仅满足人们现有的需求，而是点燃人们潜在的欲望。手机也不再是简单的通话工具，而是成为一个创意超出你我想像的掌上魔方。它不仅集成了游戏、照相、上网、MP3、FM、GPS功能，而且在不久的未来还可以播放高清电视，或具有遥控功能，甚至成为一个时刻记录人体生理变化的贴身保健医生。这些功能对手机器件的性能、体积、功耗都提出了苛刻的要求。

性能、体积一直是半导体厂商关注的重点，包括高通、TI、Broadcom等在内的手机芯片供应商一直致力于芯片处理能力、支持功能以及集成度的提高。在性能方面，手机目前不仅支持音乐、视频和网页浏览等先进功能，据悉到2009年支持1080p画质将成为手机的标准功能。在体积方面，更领先的工艺以及芯片电路架构的改进，不仅缩小了手机内单个器件的体积、而且把更多传统分立器件和模块集成到了一起，相继推出的单芯片方案更大大节省了占板空间。因此，仅从性能和体积来看，半导体芯片不仅能满足手机现有的功能，还能催生包括高清电视、生命记录仪等其他新功能的集成。

相比性能和体积方面的进步，功耗方面的技术演进却显得力不从心。多功能、高性能意味着包括处理器、接口、显示、存储等在内的整个系统需要进行大量、高速的数据转换和传输，而这必然导致功耗的增加。缓解这一问题的主要途径有两种：降低功耗和改进电池。

降低功耗要从芯片级和系统级两个层面进行考虑。在芯片级主要通过改进工艺和材料来降低功耗。工艺的进步不仅可以提高芯片的性能和集成度，而且可以允许器件工作于更低的工作电压，而更低的工作电压则意味着更低的功耗。但是完全依靠改进工艺来解决功耗问题是不现实的，因为静态漏电流的增大抵消了部分工艺进步的好处，而且漏电流问题会随工艺进步变得愈发严重。另外，为降低芯片本身的功耗，业界也正在RF、存储、电源管理、接口、显示及其背光、驱动等部件的开发上进行材料和工艺的改进与努力。

从系统级的角度来降低功耗的主要途径包括选择合适的半导体器件架构、采用精简的硬件电路设计和算法、进行合理的软、硬件分割，以及采用智能的电源控制和管理等。虽然手机中集成了更多的功能，但是很多时候这些功能并不需要同时运行，因此并不要求处理器在所有时间全速运行。而处理器的工作电压和工作频率与功耗密切相关，如果能根据实际需要，通过闭环控制对处理器工作电压和工作频率进行合理的调节，从而为处理器合理定义不同的工作模式，就能够有效地降低处理器功耗。另外对于存储器、显示屏，根据系统运行不同功能的需要通过软件进行智能而不是定时的刷新，对降低功耗也有好处。

以上降低功耗的策略复杂而坎坷，人们寄望于通过电池来根本解决。但不幸的是电池功率密度的提高一直进展缓慢。同时，为了迎合手机超薄的趋势，电池厂商甚至还不得不以牺牲电池容量来换取电池体积的缩小。另外，紧锣密鼓的新能源开发虽然宣称已有突破，但并没有给业界带来太多的实际意义：由于体积和转换效率的问题，利用太阳能电池板的光能手机在很大程度上仍然停留在概念阶段。而对于燃料电池，安全性仍是制约其进入手机的关键问题。

为避免集成众多多媒体功能的手机出现“木桶效应”，也许我们应减慢芯片性能、体积等方面的步伐，全心专注于功耗问题的解决。但是手机是一个非常成熟的产业，激烈的红海竞争态势使得终端厂商必须给自己的产品不断添加更多的功能以作宣传的噱头。而上游半导体厂商不断提高的芯片性能迎合并加剧了终端厂商的竞争，功耗和功能之间的矛盾将在手机产业中永恒存在并不断深化……因此经济学的“需求一供给”理论在这里却成了一个悖论，供给的驱动力不是来自于消费者的需求，而是很大程度上来自于竞争的需要。本期的封面故事就是向您展示，芯片供应商围绕支持HDTV的手机，在技术上所做的努力。不管作为消费者的您是否感兴趣，但作为工程师，相关的最新技术仍会让您有所收获。