Qualcomm智慧型手機晶片戰略徹底分析

歷經過去幾年的高速發展，智慧型手機已成為隨處可見的消費性電子產品，而且未來數年還將延續快速普及的大趨勢。根據市場顧問公司 Strategy Analytics 的預估，2011 年至 2015 年全球智慧型手機累計銷量將達到 40 億台；2011 年第三季中國大陸地區智慧型手機出貨量較上一季成長 58%，達到 2400 萬台，也讓中國正式成為全球第一大智慧手機單一市場。晶片製造商 Qualcomm 無疑是智慧型手機崛起大趨勢的重要推手，2012 年將問世的 Snapdragon S4 系列晶片更將再次改變外界對高階手機晶片性能的認知。想要了解 Qualcomm 智慧型手機晶片戰略徹底分析？請看手機王網站分析報導。

▲隨著消費者對智慧型手機性能的要求越來越高，2012 年 Snapdragon 系列晶片組將成為市場上主流產品的首選。

智慧型手機處理晶片性能大幅提升

智慧型手機及平板電腦的快速發展，也讓相關硬體廠商嗅到龐大商機；在所有零組件之中、CPU（Central Processing Unit，中央處理器）無論對於電腦、還是智慧手機都是關鍵所在，其運算頻率、架構特性和核心都決定其其性能的高低。與 PC 桌上型電腦不同的是，智慧型手機的應用處理器晶片都是稱為「SoC」系統整合晶片，晶片內包括了處理通用運算 CPU、處理圖形顯示的 GPU 以及記憶體控制器（memory controller）等模組，更高階的 SoC 晶片還整合信號解碼晶片、GPS 晶片等。目前市場上的主流產品如「Apple A5」、「TI OMAP 4」、「NVIDIA Tegra 2」或「Qualcomm Snapdragon Scorpion」都是 SoC 系統整合晶片。


▲得益於重要客戶如 HTC、SAMSUNG、LG 產品出貨快速成長，Qualcomm 在 2011 年獲得了巨幅成長、旗下 MSM 系列晶片出貨量達到了創記錄的 4.83 億片。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

由於在運算性能及低功耗要求上取得平衡，目前市場上多數智慧型手機都採用由 ARM 授權生產的 RISC 架構處理晶片，各家晶片廠商也冠上了不同的款式名稱，但可從晶片架構上來區分其性能高低。從 2008 年開始，ARM 開始授權設計更具有彈性的 Cortex AX 系列架構，與採用 ARMv6 指令集的 ARM 7（目前多用於白牌手機晶片）、ARM 9、ARM 11（目前僅存在於入門級智慧型手機晶片）系列相比，採用 ARMv7 指令集的 Cortex A8 系列運算性能大幅提升 3 倍、對比過 Apple iPhone 3G 和 iPhone 3GS 性能的使用者應該深有感觸。而 Cortex A9 架構更促成了雙核處理器晶片的誕生，智慧型手機的功能也進一步增加。


▲與 PC 桌上型電腦不同的是，智慧型手機的應用處理器晶片都是稱為「SoC」系統整合晶片。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

Qualcomm 提供智慧型手機完整設計解決方案

要討論智慧型手機晶片廠商，就不能不提到在 2011 年巨幅成長、旗下 MSM 系列晶片出貨量達到了創記錄的 4.83 億片的全球通信晶片市場的領導廠商 Qualcomm！1985 年由 7 位有識之士在 Irwin Jacobs 博士於美國聖地牙哥的家中創立的。Qualcomm 英文名稱為「Quality Communications」的縮寫，清楚說明了公司創辦人希望讓高品質的通訊科技，能成為推送整個社會發展的動力。身為全球最早致力現代無線通信商用和產業化的廠商，Qualcomm 推出 CDMA 商用無線通信系統、並開創性的解決了一系列從理論模型建立到電路系統實現、最後到無線系統網路部署的幾乎所有關鍵工程難題，並由此形成龐大的專利保護壁壘。目前的 UMTS / CDMA / TD-SCDMA 通信格式幾乎很難完全繞過 Qualcomm 的專利，早期 GSM 規格專利結構，以主要專利持有人之間的低成本、或免費交叉許可為基礎，這種結構使少數幾家通信巨頭壟斷市場，並阻礙了新廠商的加入，進而減少消費者的選擇。而 Qualcomm 在 CDMA2000 和 WCDMA 規格的通信市場上，推動低於手機批發價格 5% 的專利費，幫助超過 135 家授權廠商打入行動通信市場，可說是全球邁入 3G 通信時代的重要推手。


▲由於在 TDMA / CDMA / OFDM / MIMO 所有領域的基頻接收、以及抗干擾演算法方面顯著領先其他競爭對手，Qualcomm 與絕大多數手機品牌都有業務合作關係、這連帶增加了綑綁銷售智慧型手機完整解決方案的可能性。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

與 TI 德州儀器及 Intel Marvell 相比，Qualcomm 還算是 RISC 架構處理晶片的後進者。德州儀器（TexasI nstruments）很早就開始供應包括 NOKIA、MOTO、HTC 品牌智慧型手機所需的處理器晶片，從一開始運算速度為 132 MHz 的 OMAP 710 到如今雙核心 OMAP 4 系列晶片。德州儀器的產品能相容包括 Linux、Windows CE、Palm、Symbian S60、Windows Mobile 在內的各種作業系統。過去 Intel 擁有的手機晶片部門 XScale 也曾推出以高性能為特色的 RISC 架構晶片，著名的 PXA 270 晶片更大量用於包括 Palm 650 在內的智慧型手機。但是在智慧型手機市場前景一片大好的時候，Intel 卻出人意料的將 Xscale 高價賣給了 Marvell、也斷送了繼續在 ARM 架構晶片市場存在的後路。


▲除了在 Android 作業系統陣營大受歡迎之外，Qualcomm 的解決方案目前也是 Windows Phone 作業系統陣營內的主流。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

過去 Qualcomm 在智慧型手機處理晶片的名聲不若 TI 或 Intel 那麼響亮，但由於在 TDMA / CDMA / OFDM / MIMO 所有領域的基頻接收、以及抗干擾演算法方面顯著領先其他競爭對手，Qualcomm 與絕大多數手機品牌都有業務合作關係、這連帶增加了綑綁銷售智慧型手機完整解決方案的可能性。由於產品涵蓋入門、中階及高階市場並同時支援 Android 作業系統與 Windows Phone 作業系統，加上重要客戶如 HTC、SAMSUNG、LG 產品出貨快速成長，Qualcomm 在 2011 年獲得了巨幅成長、旗下 MSM 系列晶片出貨量達到了創記錄的 4.83 億片，旗艦產品 Snapdragon 處理器更是憑藉高處理性能及出色的圖形處理能力，成為 Android 作業系統和 Windows Phone 作業系統陣營中最受歡迎的智慧型手機處理晶片：目前有超過 300 款已發佈的智慧型手持裝置選擇使用 Snapdragon 平台，還有 350 款新產品正在設計中、超過 30 家合作夥伴共推出超過 225 款採用 Snapdragon 處理晶片的 Android 作業系統智慧型手機。


▲智慧型手機處理晶片性能在過去幾年大幅成長，這也是智慧型手機普及的背後動力之一。

簡化產品命名有利於消費者識別

隨著消費者對智慧型手機性能的要求越來越高，2012 年 Snapdragon 系列晶片組將成為市場上主流產品的首選，Qualcomm 也決定更改晶片命名方式讓消費者更容易識別。未來 Snapdragon 處理晶片將分為 4 種等級：System 1（S1）、System 2（S2）、System 3（S3）與 System 4（S3）。Snapdragon S1 系列晶片組強調性能與電池壽命的平衡性，處理晶片內整合運算速度達 1GHz 的 CPU 與 Adreno 200 圖形顯示晶片。Snapdragon S2 系列晶片定位給高效能智慧型手機與平板電腦產品使用，處理晶片內含市場上運算速度最高的單核行動 CPU Scorpion（運算速度可達 1.4GHz）以及 Adreno 205 圖形顯示晶片。Snapdragon S3 系列晶片定位於強調多工與遊戲表現的中高階手持裝置，處理晶片擁有高於 S2 系列兩倍與高於 S1 系列 4 倍的圖形顯示效能、並含有運算速度高達 1.5GHz 的雙核 Scorpion 處理器。


▲目前已確定率先換用 Krait 新核心架構的 SoC 晶片為雙核 1.5GHz（最高極限頻率可達 1.7 至 2.0 GHz）處理晶片 MSM8960。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

剛於 2011 年 11 月發表的 Snapdragon S4 系列晶片涵蓋雙核與 4 核應用處理器兩種設計方案，該系列基於 Qualcomm 自行研發、有別於 ARM 標準架構的「Krait」架構與 28nm 製程工藝。根據 Qualcomm 官方文件數據，「Krait」架構處理晶片的 DMIPS / MHz 性能參數為 3.3，對比相同運算頻率的 Cortex A9 架構競爭對手快了約 30%，運行相同任務時「Krait」架構的功耗也較低（265mW），而上一代 Scorpion 架構的功耗為 432mW。若再考慮更高的運算頻率及四核心架構設計，Qualcomm 對 Snapdragon S4 性能的承諾（可比上一代產品減少 65% 耗電量，以提升電池續航力，並同時提升 150% 運算效能）並非沒有根據，目前已確定率先換用「Krait」新核心架構的 SoC 晶片為雙核 1.5GHz（最高極限頻率可達 1.7 至 2.0GHz）處理晶片 MSM8960，外界對即將問世的新產品線非常期待。


▲Qualcomm 的產品線覆蓋完整的市場級距，未來更全力支援 4G 通信規格。（圖片來源：brightsideofnews.com）

圖形顯示功能更上一層樓

影響智慧型手機整體使用體驗的，並非只有處理晶片內的 CPU（Central Processing Unit 中央處理器），負責 3D 與平面圖形處理的 GPU（Central Processing Unit 圖形處理器）也非常重要！前面提到 SoC 系統整合晶片內，已包含 CPU 與 GPU 在內的各種控制模組，因此如何搭配成為影響智慧型手機遊戲性能的關鍵。最好的例子就是 HTC Hero 使用的 MSM7200 處理晶片，雖然運算頻率可達 528MHz，但由於晶片內 GPU 採用 2005年的技術（ATI Imageon 2300），因此其 3D 圖形性能表現一般。而後繼機種 HTC Legend 使用的 MSM7227 處理晶片雖然僅將運算頻率提升至 600 MHz，但晶片內的 GPU 換用全新設計的 Adreno200 內核、因此其 3D 圖形與遊戲效果大幅提升。

目前在智慧型手機領域最常見的 GPU，不外乎 Adreno 和 PowerVR SGX 兩大系列，其中 Adreno 系列是在 Qualcomm 收購 AMD 手機圖形晶片部門 ATI Imageon 之後，加速整合進入該廠 SoC 晶片產品內，而研發 PowerVR SGX 系列的 Imagination Technologies 公司則採用開放授權模式，因此得到了包括 Apple、SAMSUNG、TI 甚至 MTK 聯發科等 IC 設計團隊的大力支持。在性能對比上，過去 PowerVR SGX 系列更強調圖形填充率、而 Adreno 系列更偏重於多邊形生成率，所以 Adreno 內核更適合用在影像動態模型更複雜的遊戲中，但是在高解析度螢幕及色彩絢麗的遊戲畫面下則稍顯吃力。最重要的是由於 Apple 及 iOS 軟體開發工具對 PowerVR SGX 系列的大力支持（至今每一代 iPhone 皆採用該系列圖形處理內核），所以大多數手機遊戲都針對 PowerVR SGX 內核進行最佳化設計，而 Android 平台的遊戲又大多移植自 iOS 平台，所以才會有使用者反應採用 PowerVR SGX 內核的 SAMSUNG 智慧型手機其遊戲效果優於 HTC 同等級產品（採用 Qualcomm 處理晶片及 Adreno 內核），處理晶片運算頻率只有 550MHz 的 MOTO Droid（採用 TI OMAP 處理晶片及 PowerVR SGX 內核）運行遊戲的速度卻與 HTC Desire 不相上下等現象。

▲得益於在各領域強大的硬體性能，目前已有超過 300 款已發佈的智慧型手持裝置選擇使用 Snapdragon 平台。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

針對過去外界對 Qualcomm 處理晶片頗為詬病的「圖形顯示晶片性能較差，導致遊戲性能不及對手」劣勢，Qualcomm 也積極迎頭趕上。Snapdragon S4 系列晶片首款產品：換用 Krait 新核心架構的處理晶片 MSM 8960 將整合最新一代 Adreno 225 圖形處理內核。根據 Qualcomm 官方文件數據，Adreno 225 晶片的性能相當於 Adreno 205 的兩倍，其圖形處理能力應與 Apple iPad 2 採用的 PowerVR SGX543MP2 圖形處理內核相當，不但運算頻率提升到 400MHz、來自於台積電的 28 奈米等級晶圓製程工藝更有效提升了節能效果。目前所有 Adreno 2XX 系列的圖形顯示核心均採用 DirectX 9.0 格式，Qualcomm 表示未來將在適當的時機推出擁有專利、支援 DirectX 11（D3D11） 的圖形核心，屆時 Adreno 225 內核的 3D 圖形顯示性能又將更上一層樓。

隨著硬體性能的不斷提升，越來越多軟體廠商也開始針對 Adreno 內核進行最佳化設計。由於 60% 以上的智慧型手機用戶經常在手機上玩遊戲，Qualcomm 也與包括 Electronic Arts Inc.、Gameloft Inc.、Glu Mobile Inc. 在內的眾多主流智慧型手機遊戲公司緊密合作以帶來更好的遊戲體驗。2011 年 6 月問世的 GamePack 是專門提供給 Snapdragon 處理器的用戶下載的精選遊戲名單，包括 Tripwire Interactive 公司出品的《狂暴天球》（The Ball）、NAMCO BANDAI Games 出品的經典遊戲《小蜜蜂》（GALAGA）30 週年特別版等大作都在名單之中，使用者還可藉由 Snapdragon Game Command 應用軟體更方便下載所喜愛的遊戲。


▲2011 年 6 月問世的 GamePack 是專門提供給 Snapdragon 處理器的用戶下載的精選遊戲名單，目前已經包括許多聞名的遊戲大作。（圖片來源：Qualcomm 官網）

不僅是中高階智慧型手機所使用的處理器，Qualcomm 也在潛力不可小覷的入門級智慧型手機所使用的處理器市場努力耕耘，市場調查機構預估 2009 年至 2014 年之間，中階及入門級智慧型手機的年出貨量將增加 9 倍之多，而這些產品大多選擇使用著名的 Qualcomm MSM 722X 系列晶片，明年 Qualcomm 與台灣廠商 MTK 聯發科將在入門級智慧型手機用處理器市場展開激烈競爭，筆者也將在日後專門撰文進行仔細分析。


▲不僅是中高階智慧型手機所使用的處理器，Qualcomm 也在潛力不可小覷的入門級智慧型手機所使用的處理器市場努力耕耘，包括推出主打輕省應用的 Brew 作業系統。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

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