现在性能拉满的手机芯片 原来是被它牵着鼻子走的?
  • 托尼
  • 2022年05月17日 00:08
  • 0

近几年买手机啊,只要你不太懂数码产品,就会被厂商们贴出来的配置,给晃的五迷三道的。

什么什么神兽处理器啊、认证过的屏幕啊、大像素摄像头啊、大容量电池啊、闪充超充之类的,密密麻麻一大串。

现在性能拉满的手机芯片 原来是被它牵着鼻子走的?

厂商们这样做多半是出于营销和宣传目的,往好了说呢,也确实让大众了解到了一台手机到底由哪些部件组成的。

可要是把时间倒退 12 年啊,买手机别说看芯片型号了,去买手机能不被迪 X 通的销售忽悠倒,都算本事。

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那这个问题就很有意思了,在手机硬件配置信息还没有那么发达的过去,人们用的手机里,装的都是些啥芯片呢?

说出来你可能不信,从古至今每一代的手机芯片,都与通讯协议标准的升级换代,不无关联。

换句话说,手机芯片其实是通讯协议标准下的产物。

谁有能力掌握每一代通讯协议的关键升级点,谁也就有能力把控住手机芯片的主导权。

这回托尼就从手机通讯协议为引线,好好来和大家唠唠,世界手机芯片这一路走来的风风雨雨。

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在手机被发明出来之前啊,车载电话就是真正意义上的 “ 移动电话 ”。

这玩意儿听着很高大上,但说穿了就是把一套固定电话装置给塞进了汽车,让当时有钱的富人们可以享受边开车边打电话乐趣。

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嚯,这趣味要是放到现在乐一乐,被抓到就是扣 2 分罚 200 块。。。

1947 年,也就是晶体管被发明出来的同一年,贝尔实验室的工程师道格拉斯林格( Douglas H.Ring ),为车载电话设想了一套的名为 “ 蜂窝网络 ” 的系统。

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简单来说,道格拉斯所提出的蜂窝网络原理,就是将信号以一个个六边形的蜂窝为单位,覆盖一整片大区域。

再由电台,将这些无线信号与整个信号网络连接起来。

当有设备在不同蜂窝之间移动的时候,可以做到无缝的频率切换,以达到移动通讯的效果。

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然而那时候的车载电话设备不仅笨重,效率还非常拉胯,据说最早的时候只支持三个人同时在线,往往打一通车载电话要等上半个多小时。

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尽管蜂窝的想法能大大改善车载电话的服务体验,可那会儿的城市的通讯设施还撑不起这套系统,贝尔实验室只能做一些小范围的研究实验。

时间来到 1973 年,摩托罗拉的工程师马丁库珀( Martin Cooper  )发明了世界上第一台手持电话机 DynaTac 8000X 的原型机。

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直到这时,蜂窝网络技术才再次出现出现在人们的视野中。

1983 年,摩托罗拉才正式把这台 “ 大哥大 ” 鼻祖手机 DynaTac 8000X,带到了世人面前,进行公开销售。

那个时候官方售价 3999 刀,估摸着现在的价格大概是 9000 多刀。。。

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别再笑现在的厂商发布会念 PPT 耍猴了哈,除了价格贵之外,这台手机从发布到量产,那可是拖了 10 年。

相信聪明的差友已经猜到了,摩托罗拉多花的这十年时间,其实是在用来铺设蜂窝网络所需要的信号基站。

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前前后后的十年间,摩托罗拉在这上面烧了大概有 10 亿美元。

而这么多的基础设施建设经费砸下去,只为满足当时 DynaTac 8000X  “ 充电 10 小时,通话 35 分钟 ” 这台手机续航的通话需求。。。

连信号塔都自己搭,自不必说,DynaTac 8000X 手机里的芯片也都是摩托罗拉自家产的。

曾经有人把这台手机的老祖宗拆开来看过,里面塞着一堆竖着插的集成电路板。

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具体用的是啥型号的芯片,网上记载的资料也已经很难找到了。

但大致上是由接收和发射信号的射频芯片以及对信号进行编码解码的基带芯片所组成的。

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那时候的芯片的集成度还没那么高,大哥大里面的布局,就和现在的小型电脑机箱似的。

但不可否认,这就是现在手机芯片的雏形。

尽管摩托罗拉牢牢占住了 “ 手机发明者 ” 的名号,但当时 1G 网络的通话质量其实比想象中的要差。

这是因为,1G 网络采用的还是模拟信号,这玩意的优势在于传输方法简单,信号传输很容易实现。

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而越是容易成功的东西,就越是不靠谱,模拟信号在传输过程中的抗干扰性会很差,还会受到各种噪声的干扰,通话距离越远,通话质量就越差。

另一方面,模拟信号在传输过程中也很容易遭到窃听,而且几乎没有阻碍。

想象一下,如果有那么一个商业间谍,盯上了某位老板的大哥大,只要他想,那这个老板晚上和哪个情人在哪家餐厅吃几分熟的牛排,估计都能被听的一清二楚。

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除非老板也和谍战片里的地下工作者一样,全程当谜语人,用暗号和对面交流。。。

总之,模拟信号已然无法满足那时候人们对于通讯的需求,手机急需找到一个更靠谱的通讯解决方案。

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手机芯片真正开始蓬勃发展,要等到 1990 年后进入的 2G 网络时代。

这时候,数字信号一步步替代了模拟信号。

数字信号厉害的地方,在于它可以将一段信号先打碎成 “ 0101 ” 的二进制编码,再以这样的离散形态将信息传输出去。

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等远处的设备接到之后,再将这些数字信号重新解码成我们人耳能听到的音频,完成信息传输。

如此一来,信息传输的抗干扰性不但有保证,信息的保密性也会增加。

所以当时 2G 网络往数字信号的方向上发展,势在必得。

另一方面,第一代通讯协议的确立,已经让摩托罗拉占尽了先机,但凡有运营商想用 1G 的技术,就得给摩托交专利费。

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交专利费都还是小事,1G 网络最大的问题,在于当时每个国家之间的通信制式都还没统一,打电话打不出国,做不了漫游。

欧洲几个国家的电信运营商一合计,感觉到了这是个好机会。

2G 不但能将通话质量、通讯范围都提升一个大台阶,关键还可以重新定义世界的通讯标准。

毕竟谁不想像始皇帝统一度量衡那样统一全球的手机通讯制式呢?稳赚不赔。

于是他们撇开美国和摩托罗拉,坐到一起,自己整了一个叫 GSM( Global System for mobile Communication )的新标准。

990 年,第一版 GSM 标准完成,最初的 GSM,在整个欧洲提供了 900MHz 的单一无线电频段,在提升了通话安全的同时,还增加了手机的短信( SMS )功能。

慢慢的,在全球范围内大部分国家都开始使用 GSM 标准,到 1998 年,GSM 在全球范围内的用户已经超过了一亿。

顺带一提,在 1994 年的时候,中国移动在福建省率先开通了国内第一个 GSM 数字移动电话,也就是后来的 “ 全球通 ” 服务。

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要知道在当年,如果你拥有一台能打电话、能发短信的黑白屏幕手机,感受绝不亚于现在拥有一台昂贵的折叠屏手机。

如果你是一个大学生,隔壁室友可能要拿着电话卡下楼到公共电话亭前排队,给自己心爱的姑娘打电话,而你在宿舍阳台就能做到了。

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可以说从 2G 开始,手机才正式进入到了家家户户。

但想要实现 2G 数字信号带来的那么多好处,光靠之前 1G 时代的基带芯片肯定是不够的,还需要进行一波数字信号到模拟信号的转换。

毕竟声音信息还是得变成音频,人耳才能听的懂嘛。

这里的 “ 数模转换 ” 工作,就需要一块专门的协处理器芯片来搞定了。

在这时候,半导体大佬德州仪器,就看准了这个机会,推出了大名鼎鼎的 OMAP 系列手机处理器。

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这款处理器可以说是写进教科书的典中典。

OMAP 第一次提出了异构计算( Heterogeneous computing )的概念,简单来说就是 “ 术业有专攻 ”,专门的芯片去处理特定的功能。

比如要处理声音信息,那就让能处理声音信息的芯片来干这个活。

德州仪器将一枚 DSP ( 数字信号处理器 )芯片集成在了 OMAP 处理器上,很好的解决了手机在通话过程中的延迟和回音问题。

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这项技术一下让打电话的体验上了一个大台阶不说,德州仪器批量生产的 OMAP 处理器,也让厂商们造手机的成本降了下来。

由此,更多的厂商进入了手机市场,手机也变得不再那么高高在上,变得越来越普及。虽说 2G 给手机通话带来了质的飞跃,但在通话方面还是有不少的问题存在。

比如因为带宽有限,声音信号会压缩到一定频率以内,损失一部分的高低频,所以那时候经常会出现电话里的人声和现实中人声听感不一致的情况。

要是你之前听到有人说过类似 “ 以前电话里的声音不是本人的声音,是电脑模拟出来的 ” 这种话,那托尼今天就在这里辟谣了哈。

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声音还是本人的声音没毛病,只不过因为压缩损失了一部分的高低频,所以电话里的声音会听起来怪怪的。

除了给 “ 打电话 ” 这个最基本的功能加好音质 Buff 之外,2G 的标准还催生了各家厂商对于手机其他功能的钻研。

毕竟那会儿做手机的公司多啊,只有卖点多,才能吸引人来买。

收音机啊、贪吃蛇啊、拍照、彩信、地图导航啊之类的功能,都是从那时候开始慢慢塞进手机的。

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那么自然,功能塞的多,手机里的芯片就要塞的越多。像什么 NPU( 网络处理器 )、RAM( 内存 )、DSP ( 数字信号处理器 )、Codec ( 编码器 )等一堆芯片,就陆陆续续都被集成到了应用处理器中。

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而在 2G 时代把这些芯片玩的最明白的,是德州仪器和诺基亚。

当年德州仪器提供给诺基亚的神级处理器 OMAP1710,采用了 90nm 的工艺,覆盖了 Linux、Windows Mobile、Nucleus、Palm、Symbian OS 等手机系统,并支持 2D 图形加速。

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这款处理器搭载了诺基亚不下 10 款经典机型,包括了6630、6680、N71、N72、N91、N92、E61、E62 等等,可以说是造就了诺基亚王朝辉煌的巅峰时期。

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诺基亚在功能机时代的经典之作无数,要说给托尼留下深刻印象的,那一定是 N-Gage 系列。

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酷似游戏掌机的手机外形,再加上内置的《古墓丽影》、《索尼克》等小游戏,算得上是 “ 游戏手机 ” 的鼻祖了。

另一方面,日韩系的手机也在这个阶段大放异彩。

像爱立信为索爱手机开发的 A200 系统搭载的 DB 系列芯片,又或者像是 LG 与赛普拉斯半导体合作的 PSoC 架构,都是这段时间的产物。

红极一时的 LG 巧克力手机,采用了高通的 MSM6500 基带芯片  ▼

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那段时间的 2G 手机,大致上就是手机厂商提出需求,半导体厂商再根据需求来定制手机的系统和芯片。

而像同时期英特尔给 PDA 设备做的 XScale 核心系列处理器、三星的 S3C24 系列处理器,也都都是 2G 时代移动设备端的佼佼者。

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2G 时代手机的百花齐放,或许芯片还尚未站上台面成为主角,但这些积极的合作,显然为之后手机 SoC 的独立发力,打下了一个很好的基础。

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大家也许在好奇,2G 时代的高通在忙些啥,怎么托尼全程都没提它?其实啊,2G 时代的高通也是想制定标准的,但它没用 GSM 网络用的 TDMA 技术,而是转向了更难搞的 CDMA 技术。

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事情是这样的。

通信标准说到底,就是一个比谁摇的人多、比谁说话声音大的体力活。

当初欧洲联合起来成立的 GSM,可是拉了诺基亚、爱立信、西门子、阿尔卡特等电信业巨头,才在世界范围内建立了话语权。

高通从一开始就选择了开发难度比较高的 CDMA,并鸡贼的申请了所有与之相关的专利,想把标准制定的主动权抓在自己手里。

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其实 CDMA 很早就被证明,系统容量是 TDMA 的十倍以上,无奈技术成熟的太晚、2G 对于数据量的需求也没那么高,就陷入了一个不上不下的情况。

这边等高通一通鼓捣完 CDMA,人家那边 GSM 队伍已经拉起来了,就算 CDMA 的技术比 TDMA 要好,先入咸阳者为王,市场早就被 GSM 给分完了。

CDMA 在美国主场,倒是有斯普林特和威瑞森两家运营商的支持。 ▼

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在这个节骨眼上,高通就只好卧薪尝胆,准备在 CDMA 上死磕到底。所谓 “ 念念不忘,必有回响 ”,没成想这憋大招,真让高通的 CDMA 成了 3G 时代的主力标准制式。

3G 网络最大的优势,就是它的网速,2G 网下载最快速度只能达到 15-20 KB/s。而 3G 网能拉到 120KB/s-600KB/s 以上的下载速度,前后翻了有 30 倍。

人们下盗版歌到手机里的习惯变成了云音乐,看球赛从图文直播转变为了视频直播,对于手机的使用有了天翻地覆的变化。

托尼那会儿还在上高中,上课时经常偷偷在地下和同桌买流量,一起看 NBA 的季后赛直播,老爽了。

天翼 3G 快不是没道理的。▼

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这时候掌控了 2G 通信标准的 “ 欧洲战队 ” 发现,3G 标准的设定,好像已经没办法绕开 CDMA 。更要命的是,之前 CDMA 的所有专利都被高通给买断了。。。

这意味着,他们如果想要继续搞 3G,就只能向手里捏着一大把 CDMA 专利的高通交专利费,业界俗称 “ 高通税 ”。

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当然也不只有高通能做 3G 基带,那时候还有一家叫英飞凌的芯片公司,也在做 3G 基带,并给势头正猛的苹果 iPhone 供货。

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英飞凌从苹果第二代 iPhone 3G 开始,就为他们提供 3G 的基带芯片,然而他们因为技术不成熟,导致 3G 版 iPhone 故障率飙升。

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所以从第四代 iPhone 4S 开始,苹果把基带芯片全部换成了高通,而之后苹果和高通之间有来有回的专利官司,就是后话了。

而像手机在线视频、视频通话这样的功能,也随着 3G 网络的到来,慢慢普及开来。

3G 时代的视频电话虽然能打,但用起来是一卡一卡的 ▼

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也正是从这时会儿开始,高通开始上道了,渐渐尝到了基带芯片的甜头。既然高通把基带芯片的专利牢牢握在了手里,那手机厂商只要想做一台 3G 手机,无论怎么样都逃不过给高通交 “ 入伙费 ”。

高通主动给手机厂商们提供了一条龙的 3G 手机处理器整合方案,他们开始开始捆绑销售手机应用处理器和基带芯片。

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这下可让不做基带芯片的德州仪器吃了个暗亏。德州仪器的 OMAP 虽然不知道要比高通的应用处理器高到哪里去了,但最大的问题是不包基带芯片,需要厂商自己另外再采购调试。

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这对于手机厂商来说,调试的成本可要远远高采购集成芯片的成本,就算高通的手机处理器性能稍差一点,也不是啥关键问题。

毕竟塞班系统和早期的安卓,还都没那么看重性能,3G 作为手机的卖点,反而比较重要。

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在抓住了这次机会之后,高通正式在手机芯片行业内站稳了脚跟。3G 标准建立的档口,也是手机从功能机全面转入智能机的时间点,手机厂商们对于处理器性能的需求实际上是越来越高的。

这段时间,不光光是高通,像三星、苹果、联发科等半导体企业,也都不遗余力在自主开发手机芯片。

苹果首次在第一代 iPad 上实用了自研的 A4 芯片,后续 iPhone4 也用上了 A4 ▼

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比较可惜的是,德州仪器因为诺基亚在进入智能机时代之后萎靡不振,也因为高通在手机芯片的份额越来越高。

在 2012 年德州仪器宣布推出 OMAP5 手机处理器之后,便默默的退出了手机芯片市场。

这枚处理器到最后还是没能上市 ▼

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话又说回来,在失掉了 3G 的主动权之后,“ 欧洲战队 ” 没有善罢甘休,在 4G 时代到来之前,他们用尽一切办法,想从高通手中夺回主动权。

你高通不是独占 CDMA 嘛,那我干脆就快点制定一个 4G 标准,无论怎么样都不能只让你一家收保护费。

于是 “ 欧洲战队 ” 又双叒成立了一个叫 LTE 的组织,与中国合作,以 OFDM 这项核心技术牵头,来对抗高通。

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这波操作也确实让高通在通讯专利这块让出了蛋糕。一方面当时高通要应对欧盟的反垄断调查,腾出手来处理和苹果的专利官司。

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另一方面美国国内的 IBM 和英特尔也对于高通独占 CDMA 协议很不爽,自己搞了一个叫 WiMAX 的新协议,不带高通玩。

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毕竟一家公司独大的局面,是谁都不愿意看到的。可惜那时候 WiMAX 的技术成熟度大大落后于 LTE 的 LDD 与 TDD,并没能扛起对抗 LTE 的大旗,最后 4G 标准的话语权,还是落到了 LTE 身上。

此消彼长间,中欧最终成为了 4G 协议标准的最大获利者。虽说在 4G 标准这块儿高通被版本针对了,可他们在手机芯片的制造上,算是建立起了自己绝对的话语权。

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要知道在 4G 时代只要提起安卓手机,就不可避免的会聊到高通的芯片,这两者之间几乎成为了固定搭配。

总之从骁龙 800、810、820 到逐渐趋于稳定高效的 835、845,高通开始为越来越多的旗舰手机提供自家的高端芯片,也在业内建立了自己良好的口碑。

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与此同时,像 QC 快充协议、手机最高像素、视频编码格式、屏幕分辨率/刷新率等手机软硬件支持,也随着芯片的更新迭代而越来越丰富。

高通固然在这段时间里出尽了风头,但其他的科技公司也不是吃素的,你高通能造的手机芯片,我们也行!

苹果自研的 A 系列芯片就不说了,像华为的海思麒麟、联发科的Helio、三星的猎户座等叫得出名字的手机 SoC 芯片,也开始在这段时间走进了人们的视野。

曾经的国产之光联发科 Helio ▼

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各大手机品牌在这段时间依靠着硬件和堆料迅速崛起,百花齐放,甚至在手机发布会上,我们还能见到厂商宣传手机相机对比专业相机的名场面。

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从这个时候开始,人们对手机性能有了更高更快的追求。

手机正渐渐脱离出它的固有产品设定,越来越多的人会把关注点放在了手机还能干什么上来。

厂商们也已经意识到,一块给力的手机处理器,将会在你卷我卷的手机市场中,给自己带来多大的优势。

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如果说 4G 的通讯协议对手机芯片发展的影响没那么直接,那么 5G 的到来可以说是再一次重新定义了手机芯片的秩序。

而 5G 时代的规则制定者,是中国的华为。

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想要成为信息通讯的制定者,那就拥有那么一项通信协议上的技术,华为给 5G 带来的这项技术和信道编码有关,叫极化码( Polar code )。

极化码是一种全新思路的信道编码方式,由土耳其科学家 Erdal Ar?kan 在经过了 30 年的苦心钻研后提出的。

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它在信息学上是一个重大突破,相比传统的 Turbo 码和 LDPC 码能够逼近香农极限,而极化码在理论值上找到办法达到了香农极限。

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具体用的是什么方法做成的,凭托尼这颗小脑袋那是完全整不明白,但确实让信息学界的科学家们大为震撼。

当时并没有人觉得,极化码会成为未来实践落地的 5G 标准,但华为却觉得极化码是一个入局 5G 协议标准的好机会。

没想到在 2016 年 3GPP 举办的通信行业标准制定会议上,通过了由 LDPC 码和极化码来共同承担 5G 通信行业的标准。

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由此,华为 all in 极化码,在 5G 的基础设施建设、基站铺设、自研芯片上全面发力,掌握了世界迈入 5G 时代的主动权。

2019 年,华为推出了内置 5G 基带的 7nm 工艺的麒麟 990,那会儿同时期的高通骁龙 855,用的还是外挂 5G 基带的方案。

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外挂 5G 好还是内置 5G 好的确各有说法,但在全世界进入到 5G 时代的过程中,华为毋庸置疑的开了个好头。

那段时间,托尼以为这会是中国引领世界通讯行业的美好开始。可谁也想不到,之后为了打压华为在 5G 领域的领导地位,美国竟然会抄起专利大棒,对华为进行了全面的技术封锁,硬生生把它从 5G 引领者的位子上拽了下来。

后面的事情,大家也都知道了。海思芯片造不了,5G 芯片不能用,到头来新手机还只能拿高通的 4G 芯片救急。

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无处话凄凉。。。唏嘘归唏嘘,目前来说 5G 对于大部分人来讲,使用场景也都没有很明确。

托尼觉得,除了在人多的会场、展会能体验到 5G 带来的信号优势外,其他的使用场景和 4G 网络并无太大的差别。

5G 速度快是快,走掉的流量费用也是实打实的。

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诚然,如今的 5G 作为一个新特性,如果一台手机它不具备,反而会被人认为这是性能方面的缺失。

在 2022 年,一台手机编一编故事可以砍掉充电器,但要是没有 5G,好像总不是那么回事儿。

它作为一项前沿通信技术的迭代,我们还身在其中。往后会怎么样托尼不知道,但它确实还在牵制着手机以及手机芯片的前进方向,就让我们拭目以待吧。

现在性能拉满的手机芯片 原来是被它牵着鼻子走的?

托尼相信,手机的发展以及手机芯片的未来还不止如此。

世界经济论坛曾在 2015 年预言,到 2023 年左右,人类可能会研发出世界上第一块植入人体的手机芯片,真正做到让手成为 “ 机 ”。

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愿景是很美好,但托尼觉得,也许植入式手机的上市本身,一定也是更随着某个通讯标准一起诞生的。

是 6G 还是 7G,这就不得而知了。不过按现在全世界缺芯片的情况来看,植入式手机上市恐怕还要等上个十来年。。。

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未来会是 “ 元宇宙 ” 也好,赛博朋克也罢,手机都会作为一台人类离不开的设备,存在于我们整段人生之中。

它就像是人类在身体机能之外的一部分延申一样,不断在帮助我们探索、连通这个越来越多变的世界。当交流和沟通的成本越来越低,手机也会变得越来越扁平化。

真到了那个时候,或许通讯本身,也会变成一种基本人权吧。

图片、资料来源:

The Atlantic:The 1947 Paper That First Described a Cell-Phone Network

Tech Insider:History Of Cellphones And How Drastically They‘ve Changed

What's Inside?:What's inside World's First Cell Phone?

上海汽车博物馆:车载电话,它的出现比你想的还要早。

知乎:@五矩 半导体界的隐世老人:德州仪器的得与失

B站:@利利川《世界手机处理器发展史》


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