1、论山寨手机与 Android 联姻的技术基础,By Sunny Cheng and Kan Deng ,山寨手机的兴起,离不开 MTK (联发科)。MTK 为手机制造提供了一揽子解决方案,其中既包括硬件,也包括软件。软件方面最重要的,是操作系统。MTK 方案的软件的稳定性非常高,一方面是因为其硬件系统变化不大,另一方面,得益于 MTK 在系统软件上投入的巨额的资金和大量的人力。MTK 采用的操作系统是 Nucleus RTOS。Nucleus 的优势主要在于占用 CPU 时间短,以及占用 Memory 空间少。随着手机硬件的发展,Nucleus 的优势不再那么重要,而日益突出的问题,是需要功
2、能更强大的手机操作系统。,2007 年 11 月,Google 发布 Android OS,剑指手机操作系统市场,并开源免费。 两年来,Android 获得了相当热烈的市场回应。有没有可能用 Android 取代 Nucleus,实现山寨手机的升级换代?,这个问题不容易回答,因为涉及到的方方面面比较多。,1. MTK 的下一代硬件1,既能支持 Android,也能支持 Windows Mobile。为什么 MTK 没有选择人气正旺,而且免费开源的 Android,反而选择联姻 WinMobile 呢2?,2. 2009 年 3 月,微软与 MTK 宣布结盟,共同开发针对中国 TD-SCDMA
3、手机市场的芯片3。时至今日,8 个月过去了,为什么没有实际成果?,3. MTK 有没有意愿采用 Android,替代 Nucleus 和 WinMobile?,4. MTK 下一代软硬件系统,能不能重现今日风光?,5. 其它公司有没有意愿利用 Android 的强势,为下一代手机制造提供一揽子解决方案,从而取代 MTK 的市场地位?,6. Google 免费提供 Android 的长远打算是什么?有没有雄心挺进硬件行业,甚至打造自有品牌的手机?,当然,“有没有意愿”这种问题,只有相关企业的高管才知道答案。我们这里只关注技术方面,的可行性,以及利弊分析。,Hardware Engineer 是硬
4、件工程师,Software Engineer 是软件工程师,那么桌上放着示波器和逻辑分析仪的 Software Engineer 是什么呢?是 Firmware Engineer 固件工程师,或者Embedded Engineer 嵌入式工程师。最近有幸与一位有过数年市场经验的固件工程师讨论了以上问题,把讨论的内容整理成文,方便大家共同切磋。,Figure 1. 传说中的 Google 自有品牌手机,Courtesy http:/ 联发科 MT6516 智能手机芯片。(http:/ )2 联发科 MT6516 为何不支持 Android。(http:/www.free-voip- ),3 Mi
5、crosoft and MediaTek to develop smartphone chipsets.(http:/- ),【1】MTK 亮相的历史背景,如果说 1960 年代是大型机(Mainframe)的时代,1970 年代是小型机(Microcomputer)的时代,那么 1980 年代无疑是个人电脑 (PC)的时代,而 1990 年代则是互联网的时代。2000 年以后呢?或许是移动互联网的时代。,与电脑的发展历程类似,移动互联网的发展轨迹,看来也同样是以硬件的改进为先导,软件的繁荣紧随其后,带动整个行业的井喷式的爆发性增长。,Figure 2. 第一代手机,俗称大哥大。,Courte
6、sy http:/ 年代,手机开始商用。第一代手机俗称大哥大,特点是无线网络通讯信道中传输的是模拟信号。传输模拟信号有两个缺点,一是耗电,二是同一频段能够同时容纳的用户数量少。因为耗电,所以手机必须携带大块的电池,导致体积庞大,形如板砖。街头流氓打架时,常常捡起地上的板砖砸人,如果随身携带着大哥大, 情急之时也可以把大哥大当板砖用。,Figure 3. 以 DSP 为核心的第二代手机的硬件架构 4。,Courtesy http:/ 很难使用类似的协议与控制。,第二代手机的核心,是数字信号处理器,DSP(Digital Signal Processor)。第二代手机的硬件架构,如 Figure
7、3 所示,分为三部分。,1. 射频芯片组 (Radio Subsystem)。它负责调制-发送,以及接收-解调无线信号。无论是发送还是接收,射频芯片组只处理模拟信号。,2. 模拟基带芯片组 (Analog Baseband)。这个芯片组中,主要包括两个功能块,射频接口(RF Interface),以及音频接口 (Audio Interface)。,射频接口负责把从射频芯片组接收来的模拟信号,转换成数字信号,转发给数字信号处理器(DSP),以及把 DSP 输出的数字信号,转换成模拟信号,转发给射频芯片组以便发送。,音频接口负责把从麦克风接收来的模拟信号,转换成数字信号,然后转发给 DSP 做进一
8、步处理。同时,它也负责把 DSP 输出的数字信号,转换成模拟信号,然后转发给喇叭以便播放。,3. 数字基带芯片组 (Digital Baseband)。这个芯片组主要由两部分构成,数字信号处理器(DSP),以及微控制器(Microcontroller)。,DSP 的主要任务是进行语音处理,例如去除噪音和语音矫正等等。此外 DSP 还负责,对语音数据流的压缩解压,不同格式之间的编码解码和转换,还有加密解密等等。 如果单块DSP 芯片的功能不够,还可以借助于其它专用芯片(ASIC)。,微处理器负责两个任务,1. 处理无线通信协议,2. 运行手机操作系统。,当一位用户拨号呼叫另一位用户时,首先要建立
9、一个通话通道,连接主叫方与被叫方。双方对话的语音数字信号,在这个通话通道里传输。七号信令系统负责建立这个通话通道5。为了保证信息安全,以及提高系统效率,采取了分离控制流与数据流的做法,也就是说,七号信令系统是一套独立的系统,游离于承载语音数字 信号的通话通道之外。,七号信令由一系列协议组成,与有线网络协议的 ISO 七层模型大致对应,参见 Figure 4。微处理器负责处理七号信令的第一层到第三层协议,MTP1,MTP2,MTP3。,Figure 4. Comparison SS7 Protocol Suite and ISO Protocol Model 6Courtesy http:/ N
10、ucleus RTOS,负责处理如何开机/关机/锁机,屏幕显示,音量控制,响铃与震动等等外围动作。此外,还负责手机各个功能模块的运行调度 (Scheduling),以,及不同进程间的数据交换(IPC)。虽然 DSP 在手机中的地位非常重要,但是 DSP 仍然接受手机操作系统的控制。,微控制器处理的数据,存放在 Flash 存储器中。,第二代手机的核心任务是实时通讯,表现为通话与短信两种功能。围绕实时通讯这个核心,操作系统具体协调各部分的工作。与用户的交互手段,依赖于十几个按键,以及一小块单色液晶显示屏。1998 年开始销售的 Nokia 5165,是第二代手机的一个经典,参见 Figure 5
11、。,Figure 5. 第二代手机,Nokia 5165,1998 年,Courtesy,http:/ Trends in Hardware Architecture for Mobile Devices.(http:/www.inf.fu-berlin.de/inst/pubs/tr-b-04-17.abstract.html ),5 Signaling System 7, SS7. (http:/en.wikipedia.org/wiki/Signaling_System_7 )6 Comparison SS7 Protocol Suite and ISO Protocol Model.,
12、(http:/ ),【2】 手机 OS 成为核心,手机凭借通话和短信这两项基本功能,积累了用户,开拓了市场。但是用户的需求是永无止境的,对于手机制造商来说,紧跟用户需求,拓展手机功能,是机会也是挑战。,1988 年第一款数码相机,在日本上市。数码相机的关键是感光芯片。最初的数据相机,使用的是 CCD 芯片。1990 年代初,美国宇航局的科学家 Eric Fossum 发明了 CMOS 感光芯片,体积更小,感光效果更好。如果把 CMOS 感光芯片集成到手机上去,那么手机就可以兼具照相机和摄像机的功能。,但是事情没有那么简单,给手机配上镜头以及 CMOS 感光芯片只是起步,接下去还有其它问题需要解
13、决。1. 微控制器的处理能力需要加强。2. 操作系统需要增添相应的驱动程序,同时改进任务调度的机制。3. 多媒体播放器,在液晶显示屏上(LCD)显示照片,播放视频,同时协调扬声器同步播放视频的声音。4. 不仅可以在手机本地存储并显示照片和视频,还要支持连网,支持用户上传和下载多媒体文件。,1997 年,硅谷工程师 Philippe Kahn 制成了世界第一台具有摄像功能的手机。与相机手机同时出生的,是他的女儿。Philippe 用手机给襁褓中的女儿拍了照片,并转发给 2000 多名亲友,这是人类历史上,第一次用手机拍摄,并通过移动网络散发的照片7。,从此,多媒体成为手机不可或缺的功能。此外,手
14、机还添加了日历,记事本,计算器,音乐播放器等等功能。以及 Java VM,以便运行用 J2ME 编写的程序。还有 WAP,用于访问互联网。,第二代手机的使命结束了,取而代之的是第三代手机,也就是所谓功能手机(FeaturePhone)。如果说,对于第二代手机而言,DSP 是核心,操作系统是配角。那么自从 FeaturePhone 以来,操作系统的功能大大强化了,地位也上升了,由配角熬成了主角。,Feature Phone 的 OS 有多种选择。其中,Symbian 长期占据 Feature Phone OS 市场的半壁江山8,曾几何时,Symbian OS 叱诧风云,一言九鼎,俨然是手机操作系
15、统领域的霸主。举个例子,从严格意义上来说,Symbian OS 是操作系统内核(Kernel)。同一套内核可以支持多种 GUI 图形界面,当年曾经出现过 S60,MOAP 和 UIQ 三种 GUIs,其中 UIQ 被索爱 (SonyEricsson)热捧。作为手机制造商,索爱是 Nokia 的竞争对手。坊间传说,Nokia因为恨屋及乌,决定打压 UIQ。2008 年,Nokia 指使 Symbian Foundation 出面宣布,今后 Symbian OS 只支持 S60 一款 GUI。被冷落的 UIQ 别无选择,只好关门大吉9。,Figure 6. Mobile OS marketshar
16、e recent history 10,Courtesy http:/ Apple 的 iPhone OS,第二冲击波来自 Google 的 Android,此外还有 Palm 的 WebOS 凑热闹,参见 Figure 6。有评论认为,,1. Symbian 老矣,很难逃脱日薄西山的命运。,2. iPhone 特立独行,走精品路线,成为时尚风向标。,3. Android 稳扎稳打,免费开源,走群众路线,将来最有可能成为手机 OS 的主流,取代Symbian 的盟主地位。,4. WinMobile 偏安一隅,虽不大富,却也小康。,5. WebOS 喧嚣一时,如昙花一现。,6. RIM 的未来在
17、于投靠强人门下。假如自立山头,则前途暗淡。不仅自毙,而且有可能殃及热销中的黑莓手机(BlackBerry)。,Nucleus OS 在哪里?这是一个被市场遗忘的角落。,Figure 7. Nucleus OS Functional Modules 11,Courtesy http:/ Nucleus 成为昨日黄花?Figure 7 描述了 Nucleus 内部各个功能块。Nucleus本身有不可回避的技术限制,例如没有虚拟内存,而且不分 Kernel Space 和 User Space,系统和应用程序运行在同一个空间中。这对于 Feature Phone 来说,问题还不是很大,但是对于 Sm
18、artPhones 来说就非常致命了。因为如果应用程序不受限制,那么恶意程序就可以钻空子,获取整个操作系统的控制权,为非作歹。典型的案例就是死机短信,恶意操作致使整个操作系统崩溃。,但是在 2000 年,MTK 借力 Nucleus,从一家默默无名的 IC Design House,发展成为 2009年一季度世界第 20 名芯片销售大户,参见 Figure 8。更重要的是,MTK 颠覆了传统的手机制造产业链。,MTK 最初靠什么发家?技术上有什么优势?商业模式上有什么优势?且听下回分解。,Figure 8. Top 20 Semiconductor Sales Leaders, Q1, 200
19、9 12,Courtesy http:/ Philippe Kahn created the first camera phone in 1997.(http:/en.wikipedia.org/wiki/Philippe_Kahn ),8 Mobile OS market share. (http:/en.wikipedia.org/wiki/Mobile_operating_system )9 UIQ history.,(http:/en.wikipedia.org/wiki/UIQ , http:/en.wikipedia.org/wiki/Symbian_Foundation )10
20、iPhone and Android in two-horse smartphone OS race.,(http:/ Nucleus OS modules.,(http:/www.mentorg.co.jp/products/embedded_software/nucleus_rtos/mainColumnParagraphs/2/content_files/file/ill-nucleus.gif),12 Chaos reigns in top 20 semiconductor company ranking.(http:/ ),【3】手机是怎样生产出来的?,要说清楚 MTK 在商业模式上
21、有什么优势,以及 Android 对于 MTK 未来的手机开发会有什么影响,首先得了解手机从设计,开发到生产的整个过程。,让我们先来看看手机的生产过程。在生产制造环节,山寨手机和正牌手机的区别其实不大。,1. 装配主板,大多数电子设备的制造过程,实际上就是按照设计图纸把各部分部件组合在一起,手机也不例外。手机的主要部件有:1. 硬件主板,目前大部分的手机是单板结构,2. 天线,3. 键盘,4. 显示屏,5. 外壳。其中主板是关键部件。各个手机制造商的技术能力不同,在手机制造产业链中的定位也不同。有实力的厂家会从 Gerber 文件开始,自己生产 PCB 板。 而不具备 PCB 生产能力的小厂,
22、可以向其它厂家订购已经生产好的 PCB 板。Figure 9 是一款 MTK出品的 PCB 板。,Figure 9. 一款 MTK 出品的 PCB 板 13,Courtesy http:/ PCB 板以后,就可以着手印刷和贴片。随着技术发展,老式的过孔型的 PCB 板已经几乎绝迹,现代 PCB 板大部分采用表面贴装技术。贴装工序分三步。,1. 把 PCB 板送入印刷机,印刷机把焊锡(Solder Paste)通过模板印刷在需要焊接的部位,参见 Figure 10。,2. 把印刷好焊锡的 PCB 板送入贴片机,贴片机把元器件贴装在 PCB 板上,Figure 11。小的元器件是装在大盘上,大一些
23、的从塑料管中送进贴片机的,Figure 12。,3. 把贴好的板子送入回流焊机,经预热,加热后,元器件就焊装在 PCB 板上了。Figure 13显示的是焊接好的主板。,Figure 10. 印刷机把焊锡通过模板印刷在 PCB 板需要焊接的部位 13,Courtesy http:/ 11. 贴片机把元器件贴装在 PCB 板 13,Courtesy http:/ 12. 贴片机近景,小的元器件装在大盘上,大一些的从塑料管中送入贴片机 13,Courtesy http:/ 13. 焊接好的手机主板 13,Courtesy http:/ 生产线上配备多种自动设备,检测各个工序是否工作正常。Figur
24、e 14 显示的是手机生产线上的一个产品质量显示器。,2. 焊接好的手机主板被送入测试台,测试台给手机主板加电测试,Figure 15。,3. 如果各项指标合格,就可以进入下一工序,安装系统软件。没通过的就需要手工检验和修复,Figure 16。举个例子,有的 IC 是正方形的,贴的时候有可能被转了 90 度。,Figure 14. 手机生产线上的一个产品质量显示器 13,Courtesy http:/ 15. 测试台给手机主板加电测试 13,Courtesy http:/ 16. 手工检验和修复 13,Courtesy http:/ 烧录系统软件,硬件制造结束并检验合格后,下一步是烧录手机系
25、统软件。手机系统软件是以 Flash Image的形式,存放在工作站里面。把手机主板,通过串口或者 USB 口,与工作站相连。然后启动工作站里的安装程序,把系统软件烧到手机主板上的闪存 里,Figure 17。一台工作站可以同时烧录几十台手机裸板。,Figure 17. 手机系统软件安装工作台 15,Courtesy http:/ 装配外围设备,有一些部件,是无法使用回流焊机这样的自动设备,需要手工处理。Figure 18 显示的是在主板上手工焊接手机话筒。有些零部件不需要焊接,手工装配,或者拧螺丝即可。Figure 19,装配无须焊接和螺丝的手机部件。Figure 20,装外壳。Figure
26、 21,手工贴手机编码串号。,Figure 18. 手工焊接手机话筒 14,Courtesy http:/ 19. 手工装配无须焊接和螺丝的手机部件 14,Courtesy http:/ 20. 手工装配手机外壳 14,Courtesy http:/ 21. 手工贴手机编码串号 14,Courtesy http:/ 校准和检测,手机组装结束以后,还需要检测辐射量,发射功率,待机时间等等,另外还有一些部件校准,例如天线。Figure 22 估计是在校准天线。Figure 23 在测试声音。大厂会用更专业的检测仪器,Figure 24.,Figure 22. 可能是在校准天线 14,Courtes
27、y http:/ 23. 测试声音 14,Courtesy http:/ 24 更专业的检测仪器 16,Courtesy http:/ ,http:/ ,http:/ 打包出厂,前叙工序都完成以后,就可以打包出货了,Figure 25。,Figure 25. 打包准备出厂的山寨机 14,Courtesy http:/ 主板设计,或者 Gerber 文件,或者 PCB 板。,2. 系统软件。,3. 需要组装的全部元器件的清单(BOM List)。,4. 配套的外壳。,1,2 属于设计,3,4 属于采购,一旦得到了软硬件的设计方案,以及 BOM List,就可以从市场上采购,备料,然后就可以开始制
28、造了。问题是,谁提供软硬件的设计方案以及 BOM List 呢?,Reference,13 山寨手机制造大揭秘。,(http:/ 山寨新闻调查。,(http:/ nid=34721-2645440990215816570-2655961375168415098)15 友利通手机高层领导访谈记实。(http:/ Metrico for mobile device performance assessment。(http:/ 手机产业链与 Design House前文说到,生产手机以前,制造厂家需要预先得到软硬件的产品级设计方案,然后按照设计方案亦步亦趋地做,就可以制造出手机了。软硬件的产品级设计
29、包括以下内容,,1.2.3.4.,主板设计,或者 Gerber 文件,或者 PCB 板。产品级的系统软件。需要组装的全部元器件的清单(BOM List)。配套的外壳。,谁负责这些设计呢?答案:大厂有自己的设计部门,例如 Motorola,Nokia 等等。小厂可以外购设计,不仅芯片厂家能够提供设计服务,而且还可以求助专业的设计公司(DesignHouse)。Design House 根据芯片厂家提供的手机参考方案,完成手机的产品级设计然后卖给手机生产厂家。照理说,合乎常理的顺序是手机经销公司确定手机功能,然后联系制造厂商定货,制造厂商把设计任务交给 Design House,Design Ho
30、use 确定需要什么样的芯片后,向芯片厂商定货。即,经销商 - 制造厂商 - Design House - 芯片厂商。但是早期的手机制造产品链不是这个顺序,而是正好反过来。芯片厂商制造芯片,提供手机参考设计,然后向 Design House 兜售这些芯片和参考设计。Design House 把参考设计完善成产品级的设计方案后,推销给制造厂商。制造厂商生产出手机后,通过营销公司向市场推销。即,芯片厂商 - Design House - 制造厂商 - 经销商。为什么会造成这种首末倒置的现象?据传,有人问发明汽车的亨利福特,为什么不重视市场调查,福特的回答是这样的,“如果我问大家想要什么?他们会说,
31、他们想要一匹跑得更快的马。(If Id asked people what they wanted, they would have asked for a better horse.)17”。无独有偶,引领新潮的 Apple 公司的 CEO,Steve Jobs,在谈到 Apple 公司的创新理念时,他说,“Apple 公司的设计宗旨很简单,就是做一个 Apple 员工自己喜欢的产品”。在技术迅速发展的领域,研究引导制造,制造引导市场。专业设计公司,Design House,不是一个全新的概念。中国手机的 Design House,从曾经昙花一现,到如今惨淡经营,大起大落只有不到短短 10
32、年的时间。中电集团的 CECW (CEC Wireless),从 99 年开始与荷兰 Philips 合作,到 2001 年卖下 PhilipsR&D 设立中电赛龙,成为中国第一家手机 Design House18。从那以后尤其是 2002 年,国内 Design House 一度雨后春笋般成立的,2003 年以后引起广泛注意。除中电赛龙外,国内比较有名的 Design House 有,经纬科技,龙旗,德信。微软曾经大力扶持德信,动机或许是企图以此改变微软对台湾的 HTC 的过渡依赖,也可能是打算控制住 Design House,而 Design House 是手机制造产业链的龙头,控制住龙头
33、就,影响了整个产业链。但是不幸的是,德信并没有如愿成长起来。倒是 HTC,踏踏实实,一步一个脚印,迅速做大。例如从 HTC TouchFlo 开始,HTC 向 Shell 方面发力。当时大家都觉得奇怪,WinMobile 的 Shell 已经很不错,作为微软的协作厂商,HTC 为什么要搞重复建设呢?当 HTC Hero 亮丽出场以后,一切都得到了解释。人无远虑,必有近忧,如果德信当年预见到软件的力量,像 HTC 一样,花大力气积累技术实力,或许时至今日,就不会把自己的陨落归结于产业链升级等等这些外因了。,2003 年度,国内 Design House 的利润率曾经高达 70%。但是好景不长,一
34、年以后,2004年平均利润率下降至 35%左右。各个 Design House 为了扭转败局,改变了以往的商业模式,转而采用对制造厂商更为优惠的方式。以往 Design House 的商业模式是,一手交钱一手交设计方案,收取开发费。现在的模式是,根据销量提成的模式,与制造厂商分摊手机销量不畅的风险。但是,形势进一步恶化,到了 2005 年,由于更多的公司掌握了手机设计技术,Design House 的平均利润率,进一步下降到 23%19。Figure 26 列举了 2006 年国内主要手机厂商及 IC 供应商。,Figure 26. 2006 年中国主要手机厂商及 IC 供应商 20,Cour
35、tesy http:/ Design House 冬天即将来临的时刻,2006 年,MTK 方案进入市场,并且迅速挤兑了其它 Design House 的市场份额,使得国内 Design House 的平均利润率,2006 年跌至 15%,2007 年是 5.1%,而 2008 年可能只剩 3%19。,令人疑惑也令人感兴趣的是,眼看着 Design House 的严冬即将来临,MTK 却似乎极具抗寒能力,而且在其它企业面临萎缩的形势下,MTK 却异军突起,2006 年一举占据了国内手机芯片市场的 40%,见 Figure 27。他们的独门秘笈是什么?,Figure 27. 2006 年 MTK
36、 芯片方案占中国市场 40%份额20。,Courtesy http:/ 的董事长蔡明介,早年是台湾第二大半导体企业,台联电的打工仔。1995 年,台联电调整业务方向,要把蔡明介所在的 IC 设计部门剥离出去,分炉吃饭。蔡明介就这么被逼上梁山,开始了创业的历程。经过一番波折以后,联发科(MTK)于 1997 年成立。塞翁失马,焉知非福,不到两年的时间,MTK 就赚到了第一桶金。,联发科起家靠的是 CD-ROM 芯片。CD-ROM 的读盘速度以 150KB/秒为基数,当时大多数CD-ROM 的数据是 4 倍和 8 倍,即 4x150KB/s 和 8x150KB/s。MTK 迅速推出 20 倍机型,
37、顺利确定了市场地位。,从 1999 年底开始,蔡明介频频访问美国加州,他注意到 Intel 的增长率放缓了,只有 5%,而高通的增长率却高达 26%。他意识到,为手机设计 IC,前景看好。主意拿定以后,立刻采取行动,他从 Rockwell 挖来了手机基带芯片专家徐至强。徐上岗以后,2001 年,MTK正式开始无线通信芯片的研发。 2003 年底,第一款 MTK 基带芯片研发成功。,产品研制出来以后,接下去就是营销。MTK 的营销方式称为“Turnkey”,即把手机的关键组成部分,芯片,操作系统,以及一些应用软件,这三者捆绑起来,给手机制造厂商提供“一站式解决方案”。有人戏说,有了 MTK 以后,只要三个人就可以成立手机公司,一个人接洽MTK,第二个人找代工厂,第三个人做营销。这个说法比较夸张,但是的确也说明了,MTK大大降低了手机制造的难度。,