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          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程

          2016/7/5 16:28:57??????點擊:

          【前言】

          智能手機,已經成為我們日常生活中不可或缺的一個重要元素。出門不帶錢包沒事,不帶手機就總感覺缺少了一點什么。手機可以替代錢包(各種Pay,你懂的),但是錢包卻無法取代手機??鋸堃稽c來說,手機甚至已經成為了我們身體的一個“器官”。

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程

          我們每天在手機上花費大量的時間,因而挑選一部適合自己的,值得買的高性價比手機,就顯得尤為重要了。然而,目前色魔張大媽上關于手機研發制造的深度技術分析文章還比較少,而剛好我對于這方面又略知一二。

          于是就利用手頭獨一份的內部資料到張大媽來發(pian)原(jin)創(bi)。希望這篇文章,能夠從一個業內人士的角度出發,拋磚引玉,科普一下目前手機制造和研發的一些現狀。限于篇幅和本人的水平,只能算是蜻蜓點水式的淺析。希望可以為大家挑選合適的,最值得買的手機提供一些有幫助的參考信息吧。

          【幾大不同的流派】

          先來看國內手機生產的幾大門派。這里我簡單粗暴地將手機的設計與生產制造企業,分為四大類別。當然,這其中并不絕對,偶爾也會出現一些交集。例如有時候,品牌廠商會將產品先交給IDH設計,然后再交給EMS企業代工。所以具體的情況,還是要依照具體的機型來分析。

          1.國內IDH轉型ODM

          IDH是一個通訊行業內的名詞。所謂IDH,就是Independent Design House的縮寫。顧名思義,就是指獨立的設計公司,這類公司的主要業務模式是基于不同的芯片方案平臺,設計PCBA并交付給手機品牌廠商。它們一般是由小團隊創業而來,慢慢發展壯大。近年來,傳統的IDH已經逐漸消失殆盡,取而代之的是具有了自己的生產制造能力的IDH。比較有代表性的廠家有聞泰,華勤,龍旗等。

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          這些自建工廠的IDH,可以理解為是一種類似ODM的合作關系。那ODM又是什么呢?ODM(英文:Original Design Manufacturer的縮寫),指由采購方委托制造方,由制造方從設計到生產一手包辦,而由采購方負責銷售的生產方式,采購方通常會授權其品牌,允許制造方生產貼有該品牌的產品。

          聞泰早在2007年就開始自建工廠,而其他幾家位于上海的IDH,包括華勤和龍旗,也在2010年發生蘇州時代華龍事件后,開始全面轉型ODM。具體的出貨排名如下,聞泰,華勤,龍旗排名前三,研發中心基本都集中在上海張江。大家可以注意一下出貨量,前兩名加起來已經超過一億臺,相當可觀:

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          代表機型:紅米Note3。

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程紅米Note3就是龍旗出品,典型的ODM方案產品。事實上,小米除了旗艦機型外,其他的比如紅米系列,基本都交給聞泰和龍旗兩大IDH來負責,后文會具體展開說明。

          2. 一線EMS代工大廠

          EMS是Electronic Manufacturing Services的縮寫,也就是電子加工服務。這里所謂的一線EMS大廠,主要是指以富士康、仁寶、和碩等臺系廠商為代表的一線代工大廠。當然也包括偉創力、比亞迪這種少量的非臺系代工大廠。這些大型代工廠,前幾年主要的業務是幫客戶設計和制造電腦和電視等產品。隨著傳統PC市場和消費電子市場的萎縮和移動市場的擴張,代工廠的產品的結構也有了相應的調整。手機所占的比例不斷提升,目前營收的占比已經超過了50%。這種代工模式其實很早就出現了,比較典型的代表有幾年前仁寶代工的諾基亞Lumia 800,而MOTOROLA很多高端定位的手機則是由偉創力生產的,MOTOROLA的低端機則會交給富士康、比亞迪來制造。

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          目前市場上熱銷的不少手機,都是來自這些代工大廠。比如樂視的大多數手機,就來自仁寶。樂視手機創立一年來,總出貨量已經突破1000萬臺,可見一線代工廠也是手機制造的重要組成部分。下圖是樂視手機總裁馮幸,親赴仁寶江蘇昆山廠,給優秀員工頒獎。圖片來自馮幸的微博:

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          代表機型:

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程樂2/樂2 Pro均來自仁寶。上一代的樂1S也是來自仁寶,目前已經成為樂視手機出貨量最大的機型。千元機具有快充功能,的確算是一大賣點吧。

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程樂Max2則出自和碩,上一代的樂1PRO也是來自和碩。樂視的高管團隊可謂是明星陣容,引入原聯想手機副總裁馮幸擔任手機部門總裁,空降魅族的馬麟負責eui,代工廠選擇和碩仁寶兩大臺系EMS。不過其BSP方面是一個短板,后文會做詳細展開。

          iPhone也是這種模式,主要由富士康和和碩生產,但是蘋果的研發是由總部自己負責,位于美國加州,屬于典型的OEM。而國內廠商則多半直接交給代工廠負責硬件方案,如樂視交給和碩,這就屬于ODM。

          3. 自研加自有工廠

          這個應該不難理解,就是研發和制造都是品牌廠商自有的,這種模式相對來說控制力最強。

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程

          典型的代表是國內的藍廠(vivo)和綠廠(OPPO),研發和生產都布局在廣東。包括早期的諾基亞,也是這種模式。來看看國內品牌廠商的自研機型出貨比例:

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          藍廠綠長100%完全自研,所以說藍廠綠廠能在中國取得成功,也不是完全依靠市場手段,研發和生產也有助益。小米除了旗艦機型,如小米5,采用自研方案外,其他都交給ODM負責,與小米類似的有魅族。當然,魅族的情況還有點特殊,由于魅族不肯給高通交專利費,所以關系鬧得很僵,最近因為這事還打官司了。所以之前聯發科全網通基帶還沒到位時,魅族一些采用高通方案的全網通機型,只能通過IDH來曲線交付。想自研的話,高通根本就不配合。要配合可以,先把欠我的幾億專利費給交了。

          華為則基本是一半一半。旗艦的華為品牌機型,如Mate系列,P系列,包括幫谷歌生產的Nexus系列都是自研的,TIS/TRP指標都挺不錯的,射頻性能堪比蘋果和三星的旗艦。畢竟是用來出口打品牌的,歐美的運營商入網測試可不是鬧著玩的。而榮耀、麥芒等系列則有不少型號是交給了ODM。對于華為手機,還有一個比較簡單的判斷方法,一般海思Kirin方案的平臺,都是華為自研的。聯想采用的也是與華為類似的策略,高端旗艦自研,其他交給ODM。

          此外,國內還有一家自研比例較高的廠商,這就是中興。ZTE主要有南京和上海兩個研究院,除了少數NUBIA機型是ODM外,ZTE品牌的機型基本都是自主研發的。

          代表機型:ZTE/中興 C880A Blade A1

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程最高端的AXON天機系列自然不用說,肯定是自研的無疑了。比較神奇的是,中興就連最低端機型,如Blade A系列,也是南京研究院自研的,生產則是交給了位于深圳的中興自家的工廠。這一點和其他國內品牌廠商形成了鮮明的反差,畢竟不論是華為、小米、魅族還是聯想,基本都將自研和自產的資源都投放在高端旗艦機型上。中興主要的營收來自海外市場,之前對國內市場并不是很重視,現在發力國內市場后,感覺機型還是挺有競爭力的。當然現在Blade A系列已經出第二代Blade A2了,CPU從MT6735改為MT6750,性能略有提升。

          順便一提,可能是國資背景的關系,天機多次被作為國禮贈送外賓。習大大和彭麻麻用的貌似也是中興手機。至于是不是定制版,增加了安全性就不知道了。有粉絲團的微博照片為證:

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          4. 國內二線代工廠

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          顧名思義,所謂國內二線的代工廠,說的是出貨量無法與一線代工廠相提并論,相對而言資源和實力也沒有一線那么強大的代工廠。二線代工廠所代工的品牌,一般來說也不是非常知名。

          代表機型:

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程PPTV的手機,基本都是深圳一家二線代工廠出品。與蘇寧達成戰略合作后,基本在蘇寧的門店都能看到這款產品。至于這個手機的表現嘛,呵呵... 講個笑話,這只手機拍出來的視頻是3GP格式的...

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程這個不用多介紹了吧,原來準備是給中天信代工。中天信破產后,交給了松日數碼。其實錘子也想找富士康代工,但是奈何出貨量太小,富士康不是很樂意給錘子分配過多的資源。

          【真機研發舉例】

          說完了四大門派,我們來以一臺真機的研發實例,看看手機的基本組成。手機的研發生產,都是有嚴格的時間表的。一般以半年為一個周期,這與PC業界非常類似,周期的長短基本都是由最上游的芯片廠商(英特爾,高通)來決定的。大廠由于人力財力資源更為雄厚,因此研發速度更快一些,同樣時間內產品的完成度也更高。

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          整個Project從立項(Kick-Off),到真正大規模量產(Mass-Production)上市,當中也要經過EVT(Engineering Verification Test,即工程驗證測試)、DVT(Design Verification Test,即設計驗證測試)和PVT(Pilot-Run Verification Test,即小批量試產驗證測試)這三個階段。而DVT和PVT階段生產的機型,就是我們通常所說的工程機。整個過程是由產品經理(PM)協調研發工程師(R&D)共同完成的。整個流程與筆記本電腦的研發較為類似。下圖就是產品經理手上的研發周期控制表,可以看到軟硬件是同步開發的:

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          限于NDA協議的原因,無法放上最新的機種,甚至是一些還在保密年限內,但實際早已EOL的機種。這里以一款筆者所在的工廠,N年前為某泰國移動運營商定制的機型來舉例說明。機型雖老,但用來說明原理是綽綽有余了。

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          這是一款主打移動支付的全鍵盤手機:

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          正面和底面的渲染圖,標明了主要按鍵和接口。雙卡雙待,還支持電視功能:

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          真機是長這樣的。有點像黑莓,但是售價只有黑莓的幾十分之一:

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          先來看爆炸圖(Exploded View),可以發現手機的構成,主要是由機構件(ME Parts,主要是外殼、框架等),電路板,屏幕、鍵盤等外設,以及電池、揚聲器等附件組成。而整機的主要成本,則主要集中在PCB上,一般占六成以上??傮w上來說,手機的組成和筆記本電腦有些相似,可以觸類旁通。這也是為什么,幾大筆記本電腦的代工廠,都可以輕松切換到手機代工制造業務。

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          這臺手機采用的是聯發科的MT6253方案。MTK的方案集成度較高,而這片MT6253更是把基帶、射頻和電源管理都集成到了一起。所謂射頻部分,是指負責信息發送和接收的部分。而基帶部分,簡單來講就是信息處理的部分。電源管理,顧名思義就是負責整機的各個部件的供電管理和電池充電的芯片。這張PPT說得非常到位:

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          采用MT6253方案的整體框圖(Block Diagram),這張圖看起來就十分清楚了。MT6253中集成了射頻收發器,可以通過射頻功放進行信號收發。同時,也集成了PM IC,負責供電以及電池的充電。Baseband部分的連接和總線也都做了清晰的標注:

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          來看看這款手機的電路板的正面和背面的Placement?;鶐В˙B)、射頻(RF)、藍牙(BT)、電視(TV)等模塊都分別做了標注。Block Diagram上標注的主要元件在PCBA上都比較容易找到:

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          GSM通信部分的電路圖,我特別標注了一下,收(RX)發(TX)路徑其實非常清晰,信號通過SKY77547這顆PA進行放大,接收時先放大再通過聲表濾波器:

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          對應的元件在PCBA上的分布:

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          藍牙部分的電路圖,上方虛線框中是供電部分的電路(BT Power),左側是帶通濾波器(Band-pass Filter),標準的50歐姆阻抗匹配:

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          整個藍牙模組在PCBA上的布局:

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          以上內容可能太過專業了,不做深入展開了。來看看實體的內置GSM天線吧,位于機殼底部。注意看右側的兩個金屬觸點,是用來與主板相連的。這種FPC天線算是老古董了,現在很少見到:

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          這個是NFC天線,貼在機殼背部,主要用于支持移動支付。同樣有兩個長方形的金屬觸點,用來與主板相連:

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          限于NDA保密協議,只能用幾年前的古早機型了,但是其實整體的概念是相通的??赡苡腥藭fMT6253嚴格意義上來說并不是真正的智能手機解決方案,那么再舉一個高通方案的例子吧,其實整體的組成是比較類似的。這里以一款基于高通MSM7225方案的產品為例,這個可以算是真正的智能平臺方案了,同樣是比較早期的產品。(關于MSM7225,大家可能沒什么概念,這里舉個例子,火腿腸的G8野火采用的就是MSM7225,當然這臺機器并不是G8 Wildfire)??梢园l現,高通并沒有把PM IC也一并集成到CPU里,而是采用了一顆獨立的PM7540,集成度相對來說沒有MTK那么喪心病狂:

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          具體的PCB Placement,都有詳細的交代:

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          一般來說,芯片廠商如高通,聯發科會提供參考設計資料和建議的周圍電路方案,代工廠的研發工程師需要做的就是基于這些參考設計,做出合適的方案。當然,對于出貨量比較大的廠商,芯片上市的初期IC廠商會特別派駐工程師,提供更全面給力的技術支持。以上的這些知識對于普通用戶來說,可能已經過于深入了。因而對基帶及射頻部分,更深入的原理和組成,不再做更詳細的說明了。

          其實,普通用戶更關心的是手機性能怎么樣,信號好不好,網速快不快等。關于手機最基本的通訊功能,天線的性能,各個頻段下的TIS/TRP等參數(TIS:天線在不同頻段下的接收靈敏度,體現手機天線對網絡信號的接收及解析能力。TRP:天線在不同頻段下的發送靈敏度,體現天線對手機信號發射的能力和質量,可側面反映在同等網絡環境下進行業務時手機的發射功率情況,該項性能越好手機所需的發射功率越低,輻射越?。?,以及其他方面的表現,筆者的建議是可以看看中國移動每隔半年左右發布的《終端質量報告》,網上都能下載查看到PDF版本。會對市面上銷售的近百款不同價位段的手機進行天線性能的評測,報告全篇大約是100多頁。對于普通用戶來說,還是有相當的參考價值的。

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          【總結】

          限于文章的篇幅,只能做比較粗淺的介紹。其實很多方面都可以做深入的展開。當然,硬件并不是手機的全部。例如亞馬遜Fire Phone的硬件就相當出色,但是其他方面就略有不足了。軟件也是手機非常重要的一個組成部分。出于業余白帽子的習慣,筆者比較關注系統的安全。例如,Android陣營中,三星的Knox就比較有意思,它以Container的形式保證隱私數據的安全,其實是基于ARM的TrustZone來實現的,使用完整的TIMA架構。國內的不少廠商,包括360手機的360OS中的財產隔離系統,其實都是類似的設計,筆者之前也專門寫文章分析過。

          大開眼界!一臺手機的硬件研發全過程

          除了數據安全,各廠商的系統的UX/UE交互的演進也很有意思。有很多有意思的可以談的內容,比如Martias Duarte對于Android交互的改進,又比如Abigail Sarah Brody到華為之后,EMUI的變化等等,之前我還投稿給ifanr,寫過從N900到N9硬件和系統交互改變這方面的文章。再后來,還和當時在Samsung負責UX的林敏老師,通過微博進行過多次探討。也多次發推和Peter Skillman交流N9的交互邏輯,和Damian Dinning交流諾基亞手機的相機設計和圖像算法,可惜現在諾基亞已然被微軟收購,從maemo進化而來的MeeGo,也已經被三星收購而打造成了TIZEN系統。