手机SoC发展历程及现状

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2024年5月2日发(作者：)

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手机SoC发展历程及现状

作者：王睿淇 张玮 景寅洛 张逸群

来源：《电脑知识与技术》2019年第13期

摘要：SoC是手机中的核心，它直接决定了手机的性能。经过近二十年的发展，虽然它的

基本原理和核心结构并没有发生较大变化，但是它的处理器性能、CPU主频、内存，通信基

带等都有了很大的进步。该文介绍了手机SoC的基本原理、发展历程、最新一代产品的特征

以及未来的发展趋势。

关键词：SoC;CPU;通信基带;处理器

中图分类号：TP393 ; ; ;文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0292-02

1手机SoC的基本原理

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SoC（Systemon Chip）即片上系统，是一个专用的集成电路，包含了完整的系统并有嵌入

软件的全部内容。它是手机的核心模块，集成了手机的 CPU、GPU、DSP、RAM、通信基

带、GPS 等部件。下面主要介绍SoC中的几个核心部件。

（1）CPU（Central Processing Unit）是整台手机的控制中枢，也是逻辑部分的控制中心。

其功能与PC中的CPU一样，所有任务都要经过它的处理控制才能完成。CPU的架构对其整

体性能起到了决定性的作用，使用不同架构的CPU在同主频下，其性能差距可达到2～5倍。

此外，主频、RAM、核心数、能耗等也是决定CPU性能指标的重要参数。

（2）GPU（Graphics Processing Unit）的作用类似于PC机中的显卡。它是一块高度集成

的芯片，其中包含了图形处理所需的元件。对于GPU来说，它的性能由多边形生成速率和像

素渲染能力决定。在传统的智能机中，所有的软件和游戏都由CPU来处理，而如今GPU担起

图像显示的任务，并且还提供了视频播放、视频录制和照相时的辅助处理功能，这使得CPU

被大大解放，手机SoC的整体性能也有了较大的提升。

（3）DSP（Digital Signal Processing）是与手机中拍照和录像功能密切相关的一个部件，

它专注于处理图像和各种音频。DSP的主要功能是进行难度较高的计算处理，在拍照时根据算

法对画面进行优化，比如降噪、曝光补偿、色彩校正等。目前，DSP正在进一步加强深度学

习、人工智能等相关功能，这将为用户带来更好的拍摄画质和更出色的使用体验。

（4）通信基带是手机终端中难度最高的核心部分，主要负责移动通信功能。基带芯片是

用来将音频合成为即将发射的基带信号，或把接收到的基带信号解码为音频信号。此外，它还

负责对输入输出的文字、图片等信息的解码和编码。与其他芯片不同的是，基带芯片中包含了

独立的CPU、DSP、调制解调器等部件，以减少对系统CPU资源的占用。

2手机SoC发展历程

伴随着智能手机的诞生，手机SoC也应运而生。2000年，摩托罗拉发布了名为天拓

A6188的手机，这是世界首款真正意义上的智能手机，运行PPSM （Personal Portable Systems

Manager）操作系统，搭载了摩托罗拉自主研发的Dragon ball EZ（龙珠）处理器。这款处理器

的主频虽然只有16MHz，但它是第一款运用在智能手机上的处理器，为如今智能手机的普及

奠定了基础。早期的手机SoC性能比较低，兼容性不强，功耗高。许多芯片制造厂商为了解

决这些问题研发了很多产品，其中主要有德州仪器，Nvidia，Marvell，Intel，高通，苹果，三

星，联发科，海思麒麟等等。下面简单介绍几款具有代表性的移动SoC：

NvidiaTegra2

早期手机SoC的CPU部分多采用单核心的设计，且主频不高。2011年，NVIDIA在CES

（International Consumer Electronics Show）展场上，发布NvidiaTegra2片上系统处理器。这块

处理器基于台积电的40nm的制程工艺，采用了ARM的架构，集成了2.6亿个晶体管，内建

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了2个处理器核心，主频为1GHz。这是世界上第一款双核心的手机SoC，开启了手机SoC的

多核心时代。

苹果A7处理器

2013年秋，苹果发布了iPhone5s，搭载了全球首款64位手机处理器，并且内建一个M7

协处理器，用以处理各种传感器数据——加速度传感器，指南针、陀螺仪等，减轻了CPU的

负担，节省了能耗。

华为海思麒麟970

2017年，华为旗下的海思半导体发布了麒麟970处理器，这款处理器是世界首款AI芯

片，首次引入了NPU（Neural-network Processing Unit）模块。 随着人工智能技术的发展，传

统的手机处理器已经不能满足日益增长的运算量。NPU——用来专门处理人工智能计算的芯

片，将深度学习、图像处理等相关的运算接管过来，减轻CPU、GPU的压力，从而降低功

耗。因为NPU的协同计算，搭载麒麟970的手机在图像识别速度上，可达到约2000张/分钟。

3新一代SoC发展现状

目前智能手机处理器多采用ARM的架构，并且随着制程工艺的更新，性能越来越强悍，

甚至可以比肩某些桌面级的处理器。最新的制程工艺已经达到了7nm的级别。现如今，综合

排名前三的手機CPU也已被广泛应用于各大手机厂商的智能手机中，它们分别是：苹果A12

处理器、高通骁龙855处理器和华为海思麒麟980处理器。

苹果的a12处理器是世界上第一款实现量产和商用的7nm处理器，该芯片系统的缓存是自

A7处理器推出以来变化最大的，此外，A12搭载的NPU也是有了质的飞跃，它的NPU从之

前的双核直接提升到了八核心设计，并且拥有更大的CPU和更大容量的缓存结构。

2018年，高通公司发布骁龙855处理器，这款处理器的性能可用两个词描述：坚挺，持

久。首先，骁龙855采用了7nm集成工艺，Kryo485CPU，其摒弃了之前的架构，采用了

1+3+4的三丛集架构：1代表一颗主频为2.84Ghz，是基于Cortex-A76的核心;3是指3颗中

核，主频为2.41Ghz;4指4枚小核心，主频为1.78GHz。此外，骁龙855内部集成了X24 LTE

调制解调器，该设计可以使Android系统手机率先支持5G， 支持最高可达2Gbps的下行速

率。

作为我国的头号通信公司，2018年华为公司的海思麒麟980芯片一经发布便引起了广泛

关注。该芯片采用了台积电7nm工艺制造，集成69亿个晶体管，这使得麒麟980性能比之前

提升了20%，能效提升了40%。并且，双核NPU是一项新的创新，该设计可使得处理器实现

每分钟识别4500张图像，支持很多种不同的AI场景。对于GPU来说，相比于之前的970，

麒麟980芯片提升近一半。

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4国内现状及未来趋势

近几年，我国的SoC在技术和质量上都有了很大的提高，但仍面临着更大的挑战。比如

功耗问题给当今我国SoC的发展带来较大的限制，这个问题使得整个器件需要做一些全新的

调整，现行的集成电路设计思想也需要一定的改革和创新。今后，我国要集中精力攻克SoC

发展的关键技术，加大力度开发芯片软件，增强对移动通讯和互联网的关注度，因为他们的融

合将会主导SoC之后的发展方向。

参考文献：

[1] 张岩，张鑫.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2015.

[2] 李兵，骆丽.SoC技术现状及其挑战[J].北京交通大学电子信息工程学院，2005（8）.

[3] 魏少军.未来SoC技术发展的几个特点[J].Business业界风云，2008（10）.

【通联编辑：光文玲】

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