پردازنده باندپایه در گوشی تلفن همراه

در حال‌‌‌حاضر وابستگی افراد به تلفن‌های هوشمند در حوزه‌های مختلف نظیر تجارت الکترونیکی، آموزش، بازی‌‌‌های رایانه‌‌‌ای، سیستم‌های سلامت همراه افزایش یافته‌است. پردازنده باند‌پایه، یکی از اجزای اساسی گوشی‌‌‌های تلفن همراه است و نقش کلیدی در انجام عملیات ارتباطی ایفا می‌‌‌کند. با توجه به اهمیت پردازنده باند‌پایه در گوشی‌هوشمند در این مقاله، ابعاد مختلف پردازنده باندپایه مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته‌است.

کلیدواژه‌‌‌ها: پردازنده باندپایه، کارکردها، بازار جهانی، صدور گواهی

در حال‌حاضر طیف وسیعی از گوشی‌‌‌های تلفن همراه در دسترس کاربران قرار گرفته است که می‌‌‌توان آنها را در دو دسته گوشی‌‌‌های ساده و هوشمند رده‌‌‌بندی نمود. گوشی‌‌‌های ساده قابلیت‌‌‌های محدودی نظیر ارسال، دریافت تماس و پیامک دارند و با استفاده از یک پردازنده تمام عملیات ارتباطی و اجرای برنامه‌‌‌‌‌‌ها را محقق می‌‌‌نمایند. در حالیکه گوشی‌‌‌های هوشمند خدمات بسیار متنوعی را به کاربران نظیر ارسال و دریافت ایمیل، جستجو وب و نصب برنامه‌‌‌های کاربردی ارائه می‌‌‌دهند. گوشی‌‌‌هوشمند به دلیل داشتن کاربردهای چند منظوره جایگزین دستگاه‌‌‌های پورتابل نظیر دستیارهای دیجیتال شخصی (PDA) ، دوربین‌های دیجیتالی و سیستم‌‌‌های GPS شده‌است. در گوشی هوشمند کارکردهای یک رایانه دستی با قابلیت‌‌‌های ارتباطی تلفن همراه یکپارچه شده‌است. 

گوشی‌‌‌های هوشمند با استفاده از پردازنده‌‌‌های مجزایی عملیات ارتباطی و اجرای برنامه‌‌‌ها کاربردی را محقق می‌‌‌کنند. پردازنده باند‌پایه، یکی از اجزای اساسی گوشی هوشمند است و شناخت ابعاد این پردازنده گامی در جهت بومی‌‌‌سازی این تراشه در کشور و توسعه ارتباطات امن از طریق گوشی‌‌‌های هوشمند است.

مشخصات و کارکردهای پردازنده باندپایه

گوشی‌‌‌های هوشمند نوین به منظور دسترسی به شبکه ارتباطی و انجام محاسبات حداقل به دو پردازنده اساسی باندپایه  BP و برنامه  AP مجهز شده‌اند. BP یک پردازنده اختصاصی است که جهت اجرای پروتکل‌‌‌های ارتباطی استفاده می‌شود و AP یک پردازنده چند هسته‌‌‌ای  است که برای ارائه رابط کاربری و اجرای برنامه‌‌‌ها استفاده می‌‌‌شود [1]. پردازنده‌‌‌های AP و BP دارای حافظه مخصوص به خود (RAM و Flash) هستند. ارتباط بین این دو پردازنده از طریق مجموعه از گذرگاه‌‌‌ها (PCI-e, USB, SDIO) یا حافظه مشترک فراهم شده‌است.

به طور کلی پردازنده باندپایه در گوشی تلفن‌همراه به صورت مستقل  و  یکپارچه  قابل تعبیه هستند[2]. در حالت مستقل پردازنده باندپایه به طور مجزا در یک تراشه گنجانده می‌‌‌شود و در حالت یکپارچه پردازنده‌‌‌های AP و BP هر دو بر روی یک تراشه قرار داده می‌‌‌شوند. به عنوان مثال در گوشی آیفون 6S و سامسونگ  Galaxy s6 این پردازنده‌ها در قالب دو تراشه مجزا ارائه شده‌اند و در تراشه Qualcomm MSM7200 هر دو پردازنده یکپارچه شده‌اند[3] [4].

پردازنده باندپایه ارتباطات رادیویی و عملکردهای کنترلی نظیر مدولاسیون سیگنال، تغییر فرکانس رادیویی، رمزگذاری، رمزگشایی را مدیریت و کنترل می‌‌‌کند[5]. این پردازنده تمام عملیات رادیویی گوشی هوشمند را به صورت بلادرنگ و بدون وقفه انجام می‌‌‌دهد. به همین منظور از یک سیستم عامل زمان واقعی نظیر ENEA’s OSE ،Nucleus RTOS ،ThreadX ،VRTX بهره می‌‌‌گیرد. این پردازنده قابلیت اجرای یک یا چند استاندارد شبکه ارتباطی نظیر GSM ,3G ,4G ,5G cdmaOne ,CDMA2000 را دارد.

اجزای پردازنده باند‌پایه GSM

پردازنده باندپایه به دلیل ایفای نقش اساسی‌‌‌ در برقراری ارتباطات، تحت عنوان مودم سلولی نیز شناخته می‌شود.  این پردازنده به منظور فراهم کردن ارتباطات رادیویی گوشی به سه بخش فرکانس رادیویی RF، آنالوگ و دیجیتال مجهز شده‌است. بخش فرکانس رادیویی RF، وظیفه دریافت و انتقال فرکانس‌‌‌های مختلف را بر عهده دارد. جزء RF مسئول دسترسی دستگاه به شبکه سلولی بی‌سیم و برقراری ارتباط بین تلفن‌‌‌ هوشمند و ایستگاه پایه BTS است. این بخش از یک ترنسیور  (فرستنده-گیرنده) برای انتقال و دریافت سیگنال‌‌‌ها و یک تقویت‌کننده  تشکیل شده‌است. بخش آنالوگ از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (A/D) و دیجیتال به آنالوگ D/A))، واحد کنترل، مدیریت توان، کدک‌‌‌های صوتی تشکیل شده‌است. بخش دیجیتالی باندپایه علاوه بر اجزای جانبی و حافظه  SRAM دارای دو جز اساسی MCU و DSP است.  DSPمسئول پردازش سیگنال‌های دیجیتالی و MCU پردازنده اصلی باندپایه محسوب می‌شود. به هنگام دریافت سیگنال، پردازنده اصلی دستور رمزگشایی سیگنال دریافتی را به DSP می‌‌‌دهد و این واحد با استفاده از اطلاعات دریافتی از واحد آنالوگ فرآیند رمزگشایی/ دمدولاسیون و تشخیص را انجام می‌‌‌دهد. همچنین به هنگام ارسال، MCU اطلاعات قابل انتقال را بهDSP  جهت کدگذاری ارسال می‌‌‌نماید. پس انجام اقدامات لازم در DSP، خروجی جهت انجام مدولاسیون به واحد آنالوگ ارسال می‌‌‌شود.

وضعیت بازار پردازنده باندپایه

پردازنده باندپایه نقش کلیدی در رشد اقتصادی و نوآوری جوامع دارد. نتایج تحقیقات بازار مؤسسه دیتااینتلو حاکی از این است که در سال 2019 بازار جهانی پردازنده‌‌‌های باندپایه به میزان 20.9 میلیارد دلار ارزش داشته است و پیش بینی می‌شود که در سال 2026 ارزش این بازار به 31.8 میلیارد دلار برسد[6]. وضعیت بازار تراشه باندپایه از سه منظر قابل بررسی و تحلیل است:

•     نوع پردازنده به لحاظ تعداد هسته‌ها
•     کاربردها
•     مناطق

گونه‌‌‌های مختلف پردازنده‌‌‌های باندپایه از حیث تعداد هسته‌‌‌های پردازشی سهم مختلفی در بازار دارند. بطوریکه پردازنده‌های با تعداد هسته زیاد بیشترین سهم بازار را در سال 2019 به خود اختصاص دادند[6]. بررسی‌‌‌ها نشان می‌‌‌دهد که این نوع پردازنده‌‌‌ها در سال‌‌‌های آینده نیز بزرگترین اندازه بازار را داشته باشند.

تراشه‌‌‌های باندپایه در گوشی‌‌‌های هوشمند و تبلت‌‌‌ها کاربردی‌‌‌تر هستند. در این میان، گوشی‌‌‌های هوشمند سهم اعظمی از بازار این تراشه‌‌‌ را به خود اختصاص داده‌اند. گزارشات حاکی از این است که در سال 2019  گوشی‌های هوشمند بیش از 96% از سهم بازار تراشه باندپایه را داشته‌اند[6]. پیش‌‌‌بینی‌‌‌ها نشان می‌‌‌دهند که در آینده نیز همین روند ادامه خواهد داشت و گوشی‌‌‌های هوشمند سهم چشمگیری از بازار تراشه باندپایه را  از آن خود کنند. مهم‌‌‌ترین دلیل رشد بازار جهانی این تراشه در بخش گوشی‌‌‌های هوشمند افزایش کاربردهای اینترنت اشیا است. پژوهش‌ها نشان می‌‌‌دهند که مناطق آسیا و اقیانوسیه، آمریکای شمالی، اروپا، خاورمیانه، آفریقا و آمریکای لاتین در بازار تراشه باندپایه مشارکت خواهند داشت[6]. مطابق پیش‌بینی‌های انجام شده، آسیا و اقیانوسیه سهم بزرگی در رشد بازار تراشه باندپایه خواهند داشت. ظهور فناوری 5G در ژاپن و کره جنوبی می‌‌‌تواند یکی از دلایل رشد بازار BP در منطقه آسیا باشد.

تولیدکنندگان پردازنده  باندپایه طراحی و توسعه تراشه باندپایه فرآیندی پرهزینه و بسیار تخصصی هستند. لذا تولیدکنندگان محدودی در سراسر دنیا دارد. شرکت‌‌‌های کوالکام، مدیاتک، اینتل، سامسونگ/LSI، های‌سیلیکون، اسپردتروم، برودکام، اس‌تی اریکسون، رنسانس (نوکیا)^[1] ، تگزاس، انویدیا و مارول از جمله تولیدکنندگان اصلی پردازنده باندپایه محسوب می‌‌‌شوند. در میان تولیدکنندگان، شرکت‌‌‌ آمریکایی کوالکام در طول سال‌های 2014 تا 2020 بیشترین درآمد را از طریق تراشه‌‌‌های باندپایه داشته است [7]. محصولات این شرکت معمولاً تحت عنوان تراشه‌‌‌های اسنپدراگون به بازار عرضه می‌‌‌شود. همان‌طورکه شکل 2 نشان می‌‌‌دهد در سال 2020  کوالکام حدود 43% از کل درآمد تراشه‌‌‌های باند‌پایه را به خود اختصاص داده است [7]. شرکت تایوانی مدیاتک و شرکت چینی های‌سیلیکون نیز از دیگر تولیدکنندگان موفق در حوزه تراشه‌‌‌های باند‌پایه هستند. در سال 2020 این دو شرکت بعد از کوالکام بیشترین درآمد را از فروش پردازنده‌‌‌های باند پایه داشته‌‌‌اند.

شکل 1: ابعاد مختلف بازار تراشه باندپایه

مشتریان پردازنده باند‌پایه

تراشه‌‌‌ باند‌پایه به تولیدکنندگان تجهیزات اصلی (OEM^[2]) فروخته می‌‌‌شود تا این تراشه را در داخل محصولات خود تعبیه نمایند[2]. شرکت‌‌‌های اپل، HTC،  هواوی،LG ، سامسونگ، ZTE، نوکیا از جمله مشتریان اصلی تراشه باندپایه محسوب می‌‌‌شوند. علاوه بر گوشی‌های ‌‌‌هوشمند،‌‌‌ پردازنده‌‌‌های باندپایه در دستگاه‌‌‌های نظیر تبلت‌‌‌ها، کارت‌‌‌های داده (دانگل) با دسترسی سلولار، روترهای بی‌‌‌سیم MiFi قابل تعبیه هستند [2]. در شکل 3 نمایی از تراشه‌‌‌های تعبیه شده در برخی از گوشی‌‌‌های هوشمند ارائه شده‌است. پژوهش‌‌‌ها نشان می‌‌‌دهد که تراشه‌‌‌های شرکت‌‌‌ کوالکام در مقایسه با سایر تولیدکنندگان، مشتریان بیشتری دارد.

شکل 2: مقایسه درآمد تولیدکنندگان پردازنده باندپایه [7]

صدور گواهی پردازنده باند‌پایه

پیاده‌‌‌سازی اسناد استاندارد مشتمل بر هزاران صفحه در حوزه شبکه ارتباطی یک فرآیند بسیار پیچیده‌است و انجام آن در گرو برخورداری از دانش و مهارت‌های خاصی است. به منظور تسهیل این امر تولیدکنندگان، تراشه خود را همراه با نرم افزار اجرایی می‌‌‌فروشند.  با این وجود، برخی از تراشه‌‌‌های باند پایه نظیر Qualcomm Snapdragon 820  گواهینامه FIPS^[3] 140-2  دریافت نموده‌‌‌اند. FIPS 140-2 استاندارد رمزگذاری ایالات متحده آمریکا است که توسط موسسه ملی استاندارد و NIST ایجاد شده‌است. این استاندارد مشتمل بر 4 سطح است و تراشه‌‌‌های اسنپدراگون تاییدیه سطح دوم استاندارد را اخذ کرده‌‌‌اند.

از سوی‌‌‌دیگر کمیسیون ارتباطات فدرال FCC  به موضوع ارزیابی تراشه‌‌‌های باندپایه توجه ویژه نموده‌است. کمیسیون ارتباطات  در حال‌حاضر طیف وسیعی از گوشی‌‌‌های تلفن همراه در دسترس کاربران قرار گرفته است که می‌‌‌توان آنها را در دو دسته گوشی‌‌‌های ساده و هوشمند رده‌‌‌بندی نمود. گوشی‌‌‌های ساده قابلیت‌‌‌های محدودی نظیر ارسال، دریافت تماس و پیامک دارند و با استفاده از یک پردازنده تمام عملیات ارتباطی و اجرای برنامه‌‌‌‌‌‌ها را محقق می‌‌‌نمایند. در حالیکه گوشی‌‌‌های هوشمند خدمات بسیار متنوعی را به کاربران نظیر ارسال و دریافت ایمیل، جستجو وب و نصب برنامه‌‌‌های کاربردی ارائه می‌‌‌دهند. گوشی‌‌‌هوشمند به دلیل داشتن کاربردهای چند منظوره جایگزین دستگاه‌‌‌های پورتابل نظیر دستیارهای دیجیتال شخصی (PDA) ، دوربین‌های دیجیتالی و سیستم‌‌‌هایGPS  شده‌است. در گوشی هوشمند کارکردهای یک رایانه دستی با قابلیت‌‌‌های ارتباطی تلفن همراه یکپارچه شده‌است.  گوشی‌‌‌های هوشمند با استفاده از پردازنده‌‌‌های مجزایی عملیات ارتباطی و اجرای برنامه‌‌‌ها کاربردی را محقق می‌‌‌کنند. پردازنده باند‌پایه، یکی از اجزای اساسی گوشی هوشمند است و شناخت ابعاد این پردازنده گامی در جهت بومی‌‌‌سازی این تراشه در کشور و توسعه ارتباطات امن از طریق گوشی‌‌‌های هوشمند است.

شکل 3: نوع تراشه‌های BP تعبیه شده در گوشی‌های هوشمند

  نتیجه‌‌‌گیری

باتوجه به اهمیت پردازنده باندپایه در گوشی‌‌‌های تلفن همراه، در این پژوهش ابعاد مختلف پردازنده BP مورد تحلیل قرار گرفتند.  در این مقاله ابتدا مشخصات، کارکردها و اجزای پردازنده باندپایه تشریح شدند.  پس از شناخت ماهیت این پردازنده، به منظور کسب بینش و آینده پژوهشی، وضعیت بازار، تولیدکنندگان، مشتریان و صدور گواهی BP مورد بررسی قرار گرفتند. باتوجه نقش کلیدی تراشه باندپایه در عملکرد گوشی‌‌‌‌های هوشمند و رشد چشم‌‌‌گیر بازار این تراشه، انتظار می‌‌‌رود زیرساخت‌‌‌های فنی و عملیاتی در کشور جهت بومی‌‌‌سازی این تراشه حیاتی در صنعت موبایل فراهم گردد.

منابع

[1] M. Mahdavi, Baseband Processing for 5G and Beyond: Algorithms, VLSI Architectures, and Co- design, lund university, 2021.

[2] EUROPEAN COMMISSION Competition DG, CASE AT.39711 – Qualcomm (predation)” 2019.

[3] https://phonedb.net/index.php?m=processor&id=82&c=qualcomm_msm7200

[4] Harald Welte, Anatomy of contemporary GSM cellphone hardware, p. 10, 2010

[5] D. Maier, L. Seidel, and S. Park, BaseSAFE: Baseband sanitized fuzzing through emulation, WiSec 2020 – Proc. 13th ACM Conf. Secur. Priv. Wirel. Mob. Networks, pp. 122–132, 2020

[6] https://dataintelo.com/report/baseband-processor-market/.”

[7] https://www.statista.com/statistics/427073/cellular-baseband-processor-supplier-share/.

[8] Federal Communications Commission, Cognitive Radio Technologies and Software Defined Radios, ET Docket No. 03-108, FCC 07-66, June 2007.

[9] GSMA, “IoT Device Certification Landscape, 2019.

[10] “Test-Report-20201207-v1-SM-G991U-mmWave-Test-Report-Rev03-Part1-5031452.pdf.”

---

پی‌نوشت

[1] در سال 2010 رنسانس مالک سهام تولید تراشه در شرکت نوکیا شد

[2]  Original Equipment Manufacturers

[3] Federal Infomation Processing standard