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手机设计与制造:四大门派大起底

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先来看国内手机生产的几大门派。这里我简单粗暴地将手机的设计与生产制造企业,分为四大类别。

希望这篇文章,能够从一个业内人士的角度出发,抛砖引玉,科普一下目前手机制造和研发的一些现状。

【几大不同的流派】

先来看国内手机生产的几大门派。这里我简单粗暴地将手机的设计与生产制造企业,分为四大类别。当然,这其中并不绝对,偶尔也会出现一些交集。例如有时候,品牌厂商会将产品先交给IDH设计,然后再交给EMS企业代工。所以具体的情况,还是要依照具体的机型来分析。

1.国内IDH转型ODM

IDH是一个通讯行业内的名词。所谓IDH,就是Independent Design House的缩写。顾名思义,就是指独立的设计公司,这类公司的主要业务模式是基于不同的芯片方案平台,设计PCBA并交付给手机品牌厂商。它们一般是由小团队创业而来,慢慢发展壮大。近年来,传统的IDH已经逐渐消失殆尽,取而代之的是具有了自己的生产制造能力的IDH。比较有代表性的厂家有闻泰,华勤,龙旗等。

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这些自建工厂的IDH,可以理解为是一种类似ODM的合作关系。那ODM又是什么呢?ODM(英文:Original Design Manufacturer的缩写),指由采购方委托制造方,由制造方从设计到生产一手包办,而由采购方负责销售的生产方式,采购方通常会授权其品牌,允许制造方生产贴有该品牌的产品。

闻泰早在2007年就开始自建工厂,而其他几家位于上海的IDH,包括华勤和龙旗,也在2010年发生苏州时代华龙事件后,开始全面转型ODM。具体的出货排名如下,闻泰,华勤,龙旗排名前三,研发中心基本都集中在上海张江。大家可以注意一下出货量,前两名加起来已经超过一亿台,相当可观:

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代表机型:红米Note3。

红米Note3就是龙旗出品,典型的ODM方案产品。事实上,小米除了旗舰机型外,其他的比如红米系列,基本都交给闻泰和龙旗两大IDH来负责,后文会具体展开说明。

2.一线EMS代工大厂

EMS是Electronic Manufacturing Services的缩写,也就是电子加工服务。这里所谓的一线EMS大厂,主要是指以富士康、仁宝、和硕等台系厂商为代表的一线代工大厂。当然也包括伟创力、比亚迪这种少量的非台系代工大厂。这些大型代工厂,前几年主要的业务是帮客户设计和制造电脑和电视等产品。随着传统PC市场和消费电子市场的萎缩和移动市场的扩张,代工厂的产品的结构也有了相应的调整。手机所占的比例不断提升,目前营收的占比已经超过了50%。这种代工模式其实很早就出现了,比较典型的代表有几年前仁宝代工的诺基亚Lumia 800,而MOTOROLA很多高端定位的手机则是由伟创力生产的,MOTOROLA的低端机则会交给富士康、比亚迪来制造。

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目前市场上热销的不少手机,都是来自这些代工大厂。比如乐视的大多数手机,就来自仁宝。乐视手机创立一年来,总出货量已经突破1000万台,可见一线代工厂也是手机制造的重要组成部分。

代表机型:

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乐2/乐2 Pro均来自仁宝。上一代的乐1S也是来自仁宝,目前已经成为乐视手机出货量最大的机型。千元机具有快充功能,的确算是一大卖点吧。

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乐Max2则出自和硕,上一代的乐1PRO也是来自和硕。乐视的高管团队可谓是明星阵容,引入原联想手机副总裁冯幸担任手机部门总裁,空降魅族的马麟负责eui,代工厂选择和硕仁宝两大台系EMS。不过其BSP方面是一个短板,后文会做详细展开。

iPhone也是这种模式,主要由富士康和和硕生产,但是苹果的研发是由总部自己负责,位于美国加州,属于典型的OEM。而国内厂商则多半直接交给代工厂负责硬件方案,如乐视交给和硕,这就属于ODM。

3.自研加自有工厂

这个应该不难理解,就是研发和制造都是品牌厂商自有的,这种模式相对来说控制力最强。

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典型的代表是国内的蓝厂(vivo)和绿厂(OPPO),研发和生产都布局在广东。包括早期的诺基亚,也是这种模式。来看看国内品牌厂商的自研机型出货比例:

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蓝厂绿长100%完全自研,所以说蓝厂绿厂能在中国取得成功,也不是完全依靠市场手段,研发和生产也有助益。小米除了旗舰机型,如小米5,采用自研方案外,其他都交给ODM负责,与小米类似的有魅族。当然,魅族的情况还有点特殊,由于魅族不肯给高通交专利费,所以关系闹得很僵,最近因为这事还打官司了。所以之前联发科全网通基带还没到位时,魅族一些采用高通方案的全网通机型,只能通过IDH来曲线交付。想自研的话,高通根本就不配合。要配合可以,先把欠我的几亿专利费给交了。

华为则基本是一半一半。旗舰的华为品牌机型,如Mate系列,P系列,包括帮谷歌生产的Nexus系列都是自研的,TIS/TRP指标都挺不错的,射频性能堪比苹果和三星的旗舰。毕竟是用来出口打品牌的,欧美的运营商入网测试可不是闹着玩的。而荣耀、麦芒等系列则有不少型号是交给了ODM。对于华为手机,还有一个比较简单的判断方法,一般海思Kirin方案的平台,都是华为自研的。联想采用的也是与华为类似的策略,高端旗舰自研,其他交给ODM。

此外,国内还有一家自研比例较高的厂商,这就是中兴。ZTE主要有南京和上海两个研究院,除了少数NUBIA机型是ODM外,ZTE品牌的机型基本都是自主研发的。

代表机型:ZTE/中兴 C880A Blade A1

大开眼界!一台手机的硬件研发全过程最高端的AXON天机系列自然不用说,肯定是自研的无疑了。比较神奇的是,中兴就连最低端机型,如Blade A系列,也是南京研究院自研的,生产则是交给了位于深圳的中兴自家的工厂。这一点和其他国内品牌厂商形成了鲜明的反差,毕竟不论是华为、小米、魅族还是联想,基本都将自研和自产的资源都投放在高端旗舰机型上。中兴主要的营收来自海外市场,之前对国内市场并不是很重视,现在发力国内市场后,感觉机型还是挺有竞争力的。当然现在Blade A系列已经出第二代Blade A2了,CPU从MT6735改为MT6750,性能略有提升。

顺便一提,可能是国资背景的关系,天机多次被作为国礼赠送外宾。习大大和彭麻麻用的貌似也是中兴手机。至于是不是定制版,增加了安全性就不知道了。

4.国内二线代工厂

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顾名思义,所谓国内二线的代工厂,说的是出货量无法与一线代工厂相提并论,相对而言资源和实力也没有一线那么强大的代工厂。二线代工厂所代工的品牌,一般来说也不是非常知名。

代表机型:

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PPTV的手机,基本都是深圳一家二线代工厂出品。与苏宁达成战略合作后,基本在苏宁的门店都能看到这款产品。至于这个手机的表现嘛,呵呵... 讲个笑话,这只手机拍出来的视频是3GP格式的...

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这个不用多介绍了吧,原来准备是给中天信代工。中天信破产后,交给了松日数码。其实锤子也想找富士康代工,但是奈何出货量太小,富士康不是很乐意给锤子分配过多的资源。

【真机研发举例】

说完了四大门派,我们来以一台真机的研发实例,看看手机的基本组成。手机的研发生产,都是有严格的时间表的。一般以半年为一个周期,这与PC业界非常类似,周期的长短基本都是由最上游的芯片厂商(英特尔,高通)来决定的。大厂由于人力财力资源更为雄厚,因此研发速度更快一些,同样时间内产品的完成度也更高。

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整个Project从立项(Kick-Off),到真正大规模量产(Mass-Production)上市,当中也要经过EVT(Engineering Verification Test,即工程验证测试)、DVT(Design Verification Test,即设计验证测试)和PVT(Pilot-Run Verification Test,即小批量试产验证测试)这三个阶段。而DVT和PVT阶段生产的机型,就是我们通常所说的工程机。整个过程是由产品经理(PM)协调研发工程师(R&D)共同完成的。整个流程与笔记本电脑的研发较为类似。下图就是产品经理手上的研发周期控制表,可以看到软硬件是同步开发的:

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限于NDA协议的原因,无法放上最新的机种,甚至是一些还在保密年限内,但实际早已EOL的机种。这里以一款笔者所在的工厂,N年前为某泰国移动运营商定制的机型来举例说明。机型虽老,但用来说明原理是绰绰有余了。

这是一款主打移动支付的全键盘手机:

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正面和底面的渲染图,标明了主要按键和接口。双卡双待,还支持电视功能:

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真机是长这样的。有点像黑莓,但是售价只有黑莓的几十分之一:

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先来看爆炸图(Exploded View),可以发现手机的构成,主要是由机构件(ME Parts,主要是外壳、框架等),电路板,屏幕、键盘等外设,以及电池、扬声器等附件组成。而整机的主要成本,则主要集中在PCB上,一般占六成以上。总体上来说,手机的组成和笔记本电脑有些相似,可以触类旁通。这也是为什么,几大笔记本电脑的代工厂,都可以轻松切换到手机代工制造业务。

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这台手机采用的是联发科的MT6253方案。MTK的方案集成度较高,而这片MT6253更是把基带、射频和电源管理都集成到了一起。所谓射频部分,是指负责信息发送和接收的部分。而基带部分,简单来讲就是信息处理的部分。电源管理,顾名思义就是负责整机的各个部件的供电管理和电池充电的芯片。这张PPT说得非常到位:

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采用MT6253方案的整体框图(Block Diagram),这张图看起来就十分清楚了。MT6253中集成了射频收发器,可以通过射频功放进行信号收发。同时,也集成了PM IC,负责供电以及电池的充电。Baseband部分的连接和总线也都做了清晰的标注:

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来看看这款手机的电路板的正面和背面的Placement。基带(BB)、射频(RF)、蓝牙(BT)、电视(TV)等模块都分别做了标注。Block Diagram上标注的主要元件在PCBA上都比较容易找到:

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GSM通信部分的电路图,我特别标注了一下,收(RX)发(TX)路径其实非常清晰,信号通过SKY77547这颗PA进行放大,接收时先放大再通过声表滤波器

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对应的元件在PCBA上的分布:

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蓝牙部分的电路图,上方虚线框中是供电部分的电路(BT Power),左侧是带通滤波器(Band-pass Filter),标准的50欧姆阻抗匹配:

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整个蓝牙模组在PCBA上的布局:

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以上内容可能太过专业了,不做深入展开了。来看看实体的内置GSM天线吧,位于机壳底部。注意看右侧的两个金属触点,是用来与主板相连的。这种FPC天线算是老古董了,现在很少见到:

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这个是NFC天线,贴在机壳背部,主要用于支持移动支付。同样有两个长方形的金属触点,用来与主板相连:

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限于NDA保密协议,只能用几年前的古早机型了,但是其实整体的概念是相通的。可能有人会说MT6253严格意义上来说并不是真正的智能手机解决方案,那么再举一个高通方案的例子吧,其实整体的组成是比较类似的。这里以一款基于高通MSM7225方案的产品为例,这个可以算是真正的智能平台方案了,同样是比较早期的产品。(关于MSM7225,大家可能没什么概念,这里举个例子,火腿肠的G8野火采用的就是MSM7225,当然这台机器并不是G8 Wildfire)。可以发现,高通并没有把PM IC也一并集成到CPU里,而是采用了一颗独立的PM7540,集成度相对来说没有MTK那么丧心病狂:

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具体的PCB Placement,都有详细的交代:

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一般来说,芯片厂商如高通,联发科会提供参考设计资料和建议的周围电路方案,代工厂的研发工程师需要做的就是基于这些参考设计,做出合适的方案。当然,对于出货量比较大的厂商,芯片上市的初期IC厂商会特别派驻工程师,提供更全面给力的技术支持。以上的这些知识对于普通用户来说,可能已经过于深入了。因而对基带及射频部分,更深入的原理和组成,不再做更详细的说明了。

其实,普通用户更关心的是手机性能怎么样,信号好不好,网速快不快等。关于手机最基本的通讯功能,天线的性能,各个频段下的TIS/TRP等参数(TIS:天线在不同频段下的接收灵敏度,体现手机天线对网络信号的接收及解析能力。TRP:天线在不同频段下的发送灵敏度,体现天线对手机信号发射的能力和质量,可侧面反映在同等网络环境下进行业务时手机的发射功率情况,该项性能越好手机所需的发射功率越低,辐射越小),以及其他方面的表现,笔者的建议是可以看看中国移动每隔半年左右发布的《终端质量报告》,网上都能下载查看到PDF版本。会对市面上销售的近百款不同价位段的手机进行天线性能的评测,报告全篇大约是100多页。对于普通用户来说,还是有相当的参考价值的。

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【总结】

限于文章的篇幅,只能做比较粗浅的介绍。其实很多方面都可以做深入的展开。当然,硬件并不是手机的全部。例如亚马逊Fire Phone的硬件就相当出色,但是其他方面就略有不足了。软件也是手机非常重要的一个组成部分。出于业余白帽子的习惯,笔者比较关注系统的安全。例如,Android阵营中,三星的Knox就比较有意思,它以Container的形式保证隐私数据的安全,其实是基于ARM的TrustZone来实现的,使用完整的TIMA架构。国内的不少厂商,包括360手机的360OS中的财产隔离系统,其实都是类似的设计,笔者之前也专门写文章分析过。

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除了数据安全,各厂商的系统的UX/UE交互的演进也很有意思。有很多有意思的可以谈的内容,比如Martias Duarte对于Android交互的改进,又比如Abigail Sarah Brody到华为之后,EMUI的变化等等,之前我还投稿给ifanr,写过从N900到N9硬件和系统交互改变这方面的文章。再后来,还和当时在Samsung负责UX的林敏老师,通过微博进行过多次探讨。也多次发推和Peter Skillman交流N9的交互逻辑,和Damian Dinning交流诺基亚手机的相机设计和图像算法,可惜现在诺基亚已然被微软收购,从maemo进化而来的MeeGo,也已经被三星收购而打造成了TIZEN系统。

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责任编辑:穆磊