2018年對於智慧型手機市場來講,並不算是一個好年景。中國手機市場作為全球最大市場,出現了超過12%的負成長,再加上其他發達地區需求疲軟,使得全球手機市場首次出現下滑。

原因不難窺見,自蘋果(Apple) iPhone用大膽的設計、全新的模式重新定義手機之後,這十餘年裡手機廠商遵照客製機的白皮書,製造了大量外形類似、性能功能相近、價格低廉的產品,這對整個產業來說並不是好事。使用者開始抱怨「千機一面」, 換機週期延長、換機市場整體需求下降。

手機OEM廠商是時候該思考——如何從使用者角度去做創新?

去年,手機工業設計在全螢幕、水滴螢幕(編按:不同於「瀏海機」,將手機螢幕頂部攝影機位置設計為水滴狀的機種)和攝影機上做了很多改進和革新,但這些技術演進沒有真正觸動到終端使用者的「剛需」。今年初,折疊螢幕手機的出現讓大家看到了手機硬體創新的希望。另據IDC預測,2019年,手機廠商對拍照成像技術的投入會繼續加大,主攝+3D+廣角或長焦,將成為旗艦機型的標配。預計到年底,15%的手機將搭載支援3D建模的硬體及相應的AR應用,有20%以上的機型將搭載螢幕下指紋技術。

此外隨著5G網路全面鋪開,以及新興社交、視訊類應用的普及,也刺激手機硬體進一步升級換代。長遠來看,智慧型手機依舊會是使用者獲取資訊資源、接入萬物互連、運用AI技術的控制與連接核心。

更強大的處理器、更快的5G、拍得更清楚更遠的攝影機、感測器的新應用、更快的充電時間…哪一種硬體創新能讓智慧型手機產業重現往日輝煌?本期封面故事,《電子工程專輯》採訪了多家智慧型手機供應鏈中的廠商,來從他們的回答中找找答案。

摩爾定律之外的處理器升級

移動處理器是整個手機硬體設計的核心,去年各大廠商紛紛邁進7奈米時代,然而隨著摩爾定律的失效,移動處理器需要在製程以外的層面進行更多的功能差異化設計。去年12月,高通(Qualcomm)推出了全球首款支持數千兆比特5G連接的驍龍(Snapdragon) 855手機平台,此外還用AI和沉浸式擴展現實(XR)推動體驗升級

Qualcomm產品市場總監秦牧雲表示:「OEM廠基於強大處理器開發的產品,可以呈現出豐富的差異化創新特性。舉例來說,在5G方面,小米、OPPO、一加、中興通訊、努比亞、三星(Samsung)和LG等在內的全球多家手機廠商在MWC 2019期間正式發佈或展示了採用驍龍855的首批5G智慧型手機,這些手機可以支援手機數千兆比特速度、超低時延和超高可靠性。此外,vivo全新子品牌iQOO手機還利用Snapdragon Elite Gaming支持更好的遊戲體驗。”

對於排名前三的手機廠商蘋果、華為和三星都自己做處理器,小米也在自研處理器這種趨勢,秦牧雲認為,回顧整個無線通訊領域的發展史,終端廠商自主研發晶片的情況並不鮮見。此前摩托羅拉(Motorola)、三星(Samsung)、諾基亞(Nokia)等廠商都自行開發過手機晶片,諾基亞還曾開發過CDMA和WCDMA晶片。

秦牧雲表示:「在一定程度上,當OEM的規模足夠大,他們就會希望能更好地控制自己的供應鏈,因此選擇進入晶片設計領域,而在每一家公司的基因當中都有這家公司的核心競爭力。Qualcomm相信,那些專注於驅動技術發展的企業往往會是市場的贏家。」

不同的企業有不同的核心競爭力,有的企業善於做消費類產品,有的企業善於做軟體,還有的善於做應用。就像Qualcomm專注無線半導體領域,所有業務都圍繞無線技術和高性能低功耗運算展開。

攝影機三大責任:拍得清、遠、美

作為手機的眼睛,攝影系統一直以來都是智慧型手機終端使用者最重要的關注點之一,從近期新發佈的旗艦機型來看,攝影機的數量已經發展到了三鏡頭,升降鏡頭也大行其道。多攝影機主要在單攝影機的應用場景基礎上,完成特定使用場景的最佳化,例如夜景。升降式鏡頭則主要為了突破現有智慧型手機外觀設計,用演算法或AI強化來提升使用者體驗。

5G商用、核心處理單元運算能力和顯示技術的不斷增強,為高品質視訊應用普及鋪平了道路,也成為影像感測器以及後端影像系統不斷發展最佳化的原動力。豪威科技(OmniVision)中國/印度區銷售副總裁Stephen Wang表示,2019年主要看好手機攝影機和影像感測在3個方面的應用:

1. 小畫素高解析度。基於最新的0.8um超小畫素技術的高解析度感測器,把高解析度影像普及到中高階手機,讓使用者近看遠看都清晰;

2. 2K/4K視訊專用晶片。隨著視訊社交應用的爆炸式成長,提高視訊品質已經成為業界的共識。2018年底的超高解析度2K/4K視訊專用感測器得到了市場積極回饋,今年將從1080P到4K提供全線解決方案,把安防應用的超大畫素、高速高質視訊影像帶到手機;

3. 多種規格產品組合,實現不同功能。隨著雙鏡頭以及三鏡頭的普及,除了高端主攝影機以外,2M、5M、8M、13M與16M又透過廣角、景深以及潛望功能應用,激發了第二個成長點。豪威與主攝戰線形成強協同,全面提供前攝+後攝、雙鏡頭、三鏡頭產品組合。

Stephen Wang認為消費者對攝影系統本身的需求主要體現在三個方面:拍得清、拍得遠、拍得美。「所有的創新也是緊密圍繞著這三個基本點來解決客戶痛點;」他表示:「隨著雙鏡頭與三鏡頭系統的普及,在通常日光下拍得清跟拍得遠的問題已經基本得到解決,隨著我們基於超小畫素、超高解析度的影像感測器問世,配合雙鏡頭或三鏡頭系統,完美實現多倍光學變焦,能讓使用者在不損失清晰度的情況下拍得更遠更美。」

Qualcomm則從CPU、GPU和DSP方面來提升拍攝體驗,首次將電腦視覺和運算攝影功能移植至硬體ISP上進行處理,推出全球首個電腦視覺ISP (CV-ISP)——Spectra 380 ISP。它除了帶來速度的提升,還實現了4倍功耗降低,支援HDR10+視訊拍攝。秦牧雲以物件追蹤的速度為例,「如果我們想要在1080p視訊中進行物件追蹤,CV-ISP的處理速度可以比DSP的快11倍,因此物件追蹤可以實現1080p 60fps和4K 30fps。」

不僅僅用於解鎖的3D感測

3D臉部解鎖功能也會被應用在更多的智慧型手機上,隨著市場的接受程度越來越高,其便利性也被支付應用所注意和採用。另外3D技術會逐漸被應用於精準建模,從只有正面的偵測發展到在背面也加上一個3D模組來做環境偵測和其他技術的支援,例如AR、MR、VR的應用及和現實生活的連接。

手機廠商正在思考用不同的光譜技術將食物安全、顏色校正、甚至生理狀況監測放入手機,而隨著全面螢幕手機的被認同和逐漸普及,螢幕下偵測調光的需求也逐漸變強。對此,艾邁斯半導體(ams)大中華區3D方案和元件產品線策略市場總監蔡鄭志強表示:「ams推出符合客戶需求的TCS3701提供了業界最高的感知度和準確性來支持OLED全面螢幕,不需要預留邊框給感測器。另外,由於有了光譜晶片和生物識別檢測這些新技術的導入加持,可預見的是手機不僅僅是通訊的工具,也會轉化成一個感測器的載體,讓我們的生活更便利。”

5G,重振手機產業就靠你了?

2019年被譽為5G商用元年,就像4G手機當年引爆市場需求一樣,不少手機廠商寄望通過5G重振其業務。但因為5G頻率更高、頻寬更寬,對元件的要求和4G不同,其對於功率放大器(PA)的線性度要求更高,高頻一直是射頻產業設計的難點。

5G商用部署相比十年前的4G目標和複雜性也差異巨大,面臨著全新格局。在整個通訊鏈路中,除了數據機外還包括很多元件,包括射頻收發器、濾波器、開關和PA等射頻前端(RFFE),還有天線。尤其是5G毫米波部署中,需要在終端上支援大量天線。

秦牧雲表示:「從6GHz以下頻段到毫米波頻段,Qualcomm可以提供從數據機到天線的完整5G多模解決方案和元件。我們預先完成了這些元件的整合、測試和最佳化工作,手機製造商不需要在終端設計上花費大量時間,可在較短時間內完成產品研發、生產和最佳化,並且兼顧產品的輕薄外形和良好性能。」

截至今年1月份,Qualcomm已宣佈獲得30餘款5G終端設計,而這些5G終端設計中大多數都是來自全球OEM廠商搭載驍龍855和驍龍X50 5G數據機的智慧型手機。此外,幾乎所有這些5G終端設計都採用了Qualcomm射頻前端解決方案。

Qorvo在5G領域也投入巨大,其全套5G發射鏈路發案預計今年量產。Qorvo中國區移動事業部銷售總監江雄(Locker Jiang)表示,其方案涵蓋了5G新的頻率N41、N77/78和N79,兼顧手機企業對發射功率,電流消耗和尺寸要求的同時,也滿足中國移動對SRS、Power class 2和NSA/SA 的需求。

不僅在5G,Qorvo新的Phase 6和天線調諧方案還將在4G旗艦機上使用,在技術上解決了更多複雜CA的需求;」江雄補充:「Qorvo的全新5G晶片模組可以支援APT模式下100MHz頻寬,幫助客戶降低手機設計和生產難度。小型化的模組,也可以減少對應面積,為客戶手機電池提供更多的空間。」

折疊螢幕是趨勢,但普及為時尚早

雖然業界對折疊螢幕和5G的關注度最高,但這兩項功能還不容易在2019形成市場增量的引擎。敦泰科技(FocalTech)前瞻產品處總監貢振邦(Eric Kung)認為,高階手機在2019的換機動能可能來自5G,但中低階機型則更關注外觀及功能性,其中外觀顏值的趨勢不外乎有劉海或水滴的異型切割全面螢幕,轉移成盲孔或通孔的全面螢幕。

2019年可以稱得上是折疊手機元年,MWC上三星、華為以及TCL都演示了折疊手機的量產雛型。從使用者的角度看,貢振邦認為目前折疊手機在價格上還遠遠不夠親民性,但這不足以對其未來發展造成阻礙,畢竟裡面有太多新硬體與技術。

江雄也認為,折疊螢幕手機的外觀會吸引部分高端使用者,當前的難點在價格昂貴,螢幕成品率不高。但他表示:「這確實是智慧型手機的發展趨勢。隨著軟性螢幕將來的大量使用,手機可以呈現出更為多變的外觀。對天線的設計也會提出新的挑戰。」

早在大約十年前,軟性AMOLED顯示幕就以「不會破的顯示幕」吸睛,之後則以「可折疊的顯示器」來吸引應用。但直到最近幾年,軟性AMOLED模組才開始具備觸控功能,應用上為了讓AMOLED更薄、能彎折,也不再使用傳統玻璃蓋板。這兩個應用需求令觸控技術與過去在LCD螢幕上所面對的條件完全不同。

貢振邦舉例說明:「當蓋板厚度減小,手指跟觸控電極的距離更近, 所造成的觸控電極上的電容變化效應便大不相同,在非持握時的觸控穩定性受到影響。當為了要讓模組變薄同時還要能夠實現小曲率半徑的多次彎折,觸控電極的位置必須要更接近顯示電極,如此顯示器的訊號也會更容易耦合到觸控電極,形成雜訊,影響產品的觸控體驗。」

據敦泰科技的觀察,2019年LCD顯示器In-cell結構的滲透率會快速上升,AMOLED也快速進入中高階智慧型手機市場。依據顯示器本體的不同,各產品線也推出不同的新產品以及技術來滿足客戶的新需求。LCD方面, 觸控顯示整合單晶片(IDC)在更高螢幕佔比以及挖孔螢幕的趨勢下,除了提供完整的COF (Chip on Film)方案外,在挖孔螢幕上依然有很好的顯示以及觸控體驗,能協助客戶實現窄邊框以及高性價比產品。

「敦泰的軟性觸控研發已經進行了五年以上,今年可折疊觸控方案也將在可折疊手機上量產。可折疊手機尚屬於新的產品類型, 除開發不同於LCD的觸控晶片硬體外,敦泰還將針對AMOLED的未來新應用需求,與終端客戶一同開發系統層面的新技術,實現除了硬體之外的系統差異化。」貢振邦表示:「在AMOLED螢幕方面,敦泰觸控晶片已經在2018年搭配中國國產AMOLED面板在手機終端量產,2019年Q1將與三星AMOLED一起與中國手機終端客戶完成高階智慧型手機的量產。功能上可支援螢幕下指紋喚醒、遊戲快速回應等。此外針對螢幕下指紋,除既有已量產的電容式指紋產品外,敦泰AMOLED及LCD的螢幕下指紋技術預計今年上半年會提供給客戶驗證。」

快充及無線充電技術

智慧型手機續航一直是個難題,在電池密度和材料無法突破瓶頸的情況下,快速充電成了手機廠商熱捧的功能。目前市場上主流的快充方案有許多,但基本都採用低壓高電流、高壓低電流、高壓高電流的思路來解決。對於快充方案的選擇,要具體看客戶的需求。

Dialog半導體公司電源轉換業務部市場行銷副總裁Scott Brown認為,較低的電流(小於3A)可以使用標準的低成本USB Type-C充電線,其成本自然相對較低。功率高於3A的方案要求使用相對較貴的專有線纜或USB Type-C電子標記線纜,可以支援最高5A的功率。傳統的快充技術是將更高的功率傳輸到手機中,但是用這樣較高的電壓對電池充電會導致發熱問題。

低電壓、高電流解決方案,也稱為「直充」,可以有效地將更多電量傳輸到電池中,透過克服高壓充電的一些熱限制來實現更快地充電。不過,由於直充應用需要將功率做到3A以上,則需使用專有線纜或USB Type-C電子標記線纜,因此其成本相對較高。

「Dialog的所有電源轉換產品都具有一個數位核心」,可以整合許多複雜的保護功能,包括多層過流保護、過壓保護和輸出引腳軟短路檢測等。」Brown介紹:「不同的手機OEM廠商使用多種不同的快充協定,一些OEM廠商提供支援多種快充協定的可攜式電源轉接器。USB-IF提出的USB PD標準被很多人視為該市場標準化的機會,長期來看這有可能成為現實。目前,許多手機製造商還在繼續開發自己的快充協定,其中一些協定建立在USB PD標準之上,但Dialog支援幾乎所有快充協定。」

安森美的重點一直是更小、更高能效的電源配置、負載管理、介面和保護方案,安森美半導體模擬方案部策略行銷高級總監Matthew Tyler表示:「快速充電和無線充電當前只是高端智慧型手機的專利,但我們預期這種功能將在中低端手機中普及。這其中的關鍵是充電採用的連接器標準,USB Type-C極大地提高了手機的充電能力,我們希望手機廠商在介面選擇上更多地向USB Type-C轉變。」

在無線充電方面,Dialog於2016年戰略性投資了Energous。後者的WattUp技術不同於電磁感應式或諧振無線充電系統,它可在一定半徑範圍內對多個設備以各種角度進行無線充電,這對手機使用者來說是種非常奇妙的使用體驗。在2018年初,美國聯邦通訊委員會(FCC)通過了對Energous中場(Mid Field) WattUp發射器參考設計的認證,中場發射器充電距離可達3英呎(約0.9公尺),這也是FCC第一次將設備認證授予遠距離無線充電設備。未來Energous將瞄準遠場(Far Field)無線充電發射器,屆時充電距離可達到15英呎(約4.6公尺)或更遠,讓無線充電像Wi-Fi一樣佈滿整個房間。

今年2月,Qualcomm也針對無線充電推出Quick Charge技術,最大程度地減少輸電損耗和終端裝置內的發熱,並提高電池使用壽命,進而保護終端並改善使用者體驗。秦牧雲表示:「對於5G手機而言,Qualcomm 5G PowerSave技術基於連網狀態下的非連續接收(3GPP規範中的C-DRX特性)技術,能夠提高5G行動終端的電池續航能力,讓其續航可以媲美目前的千兆級LTE終端。」

本文同步刊登於電子工程專輯2019年5月號