Samsung三星单片机解密

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S3Pxx 系列:

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Samsung三星:

1962 年, Kang Ki-Dong 在俄亥俄州立大学获得博士学位,之后在美国亚利桑那州菲尼克斯市的摩托罗拉公司工作,那里是世界上最大的分立晶体管工厂之一。作为一名会说日语的韩国工程师,他多次带领到访的工程师参观工厂,建立了关系网络。当摩托罗拉在韩国开设工厂的时候, Kang 被派去对土地和合同进行初步评估,包括面试未来的工程人员。

Kang 回到美国之后,开始在另一家公司工作,随后他遇到了两个老朋友。第一个是 Kim Chu-Han ,一位著名的广播网络运营商, Kang 几年前就接触了业余无线电。第二个是他的同学, Harry Cho ,一家半导体公司的运营经理。 Kim 有融资渠道, Cho 擅长销售,而 Kang 知道半导体制造技术。三人提出了共同成立一家新公司的想法:集成电路国际公司( ICII )。

ICII 设计了一款数字手表芯片,并在加州桑尼维尔的一条 3 英寸的小生产线上制造了第一个 5 微米 CMOS 大规模集成( LSI )部件。产品需求很大,比 ICII 的产能高出许多倍,于是客户推迟了批量生产订单。 Kim 的公司愿意为扩张提供资金,但前提是资本支出必须留在韩国国内。

Kang 决定转移。他将继续在美国开展 ICII 芯片设计业务,但将 ICII 制造线送到富川( Puchon )并在那里进行扩张。新的合资企业是 Hankook 半导体公司。然而, 1974 年的全球石油危机和一连串的进口繁文缛节,使得搬迁成本远高于计划。晶圆厂终于成立并生产出了芯片,但运营资金在几个月内就所剩无几,到了破产的边缘。

在韩国,主要的技术融资渠道非常有限。经济环境不断恶化,石油价格继续飙升,日本人纷纷撤退。三星资金充足。李秉哲和他的儿子李健熙( Lee Kun-Hee )确信,他们必须涉足半导体业务,而不仅仅是购买芯片。父子二人试图说服他们的管理团队,让他们相信 Hankook 等先进芯片将是未来的发展方向。管理层犹豫不决。

1974 年 12 月 6 日,李氏父子不顾管理层的忠告,自掏腰包出资入股 Hankook 半导体公司。到 1977 年底,业务完全合并,成为三星半导体。

开发 DRAM

李氏父子明白了 Kang 和他们自己的管理团队所忽视的一个重要概念:在芯片方面,晶圆厂资本支出是第一位的,如果时机正确,利润就会随之而来。没有足够的芯片生产能力,即使是最好的芯片设计也不可能成功。随着三星的成长,这一教训将会多次重复。三星的电器、手表、收音机和电视的生产都很不错,专注于提高效率。它的组装厂变得更加自动化,韩国消费者和出口贸易伙伴都得到了供应。进步的标志是: 1978 年 7 月,三星电子美国公司在新泽西开业。韩国半导体研究蓬勃发展。 1976 年,政府支持的韩国电子技术研究所( KIET )在龟尾( Kumi )开设了一个研究中心。在许多活动中,他们与 VLSI Technology (超大规模集成电路技术)建立了合资企业,并在 1979 年之前建立了一个拥有 16K DRAM 制造能力的 VLSI 晶圆厂。

政府试图将这些财阀(其中包括大宇、金星、现代和三星)及其人才吸引到龟尾( Kumi ),寻求创建一个超大规模集成电路( VLSI )制造专业知识的中心。三星仍专注于为自己的业务提供线性和数字元器件的大规模集成电路技术( LSI ),并在从国外采购这些元器件时打订购战。为了保护其供应链,三星电子于 1980 年 1 月 1 日整合了三星半导体。

由于几个原因, KIET 停止了 64K DRAM 。第一个是 1981 年的半导体产业长期促进计划( Long-Term Semiconductor Industry Promotion Plan )。它是韩国政府与 KIET 合作开发的,专门针对制造用于出口的存储器芯片。其次,电信资产正在私有化,为财阀投资半导体提供了直接收入。

大宇、金星和现代都参与了超大规模集成电路( VLSI )工厂的投资,但三星有额外的动机。 1983 年 3 月,三星开始生产 PC 机,即 SPC-1000 。垂直整合目标使得自己的 DRAM 具有吸引力。三星开始行动了。他们必须将工艺从 5 微米提高到 2.5 微米,将晶圆尺寸增加到 130mm ,并获得超大规模集成电路( VLSI )的深入洞见。 1982 年 1 月,三星在新的水原半导体研发中心开始了为期一年的可行性研究

掌握了一些超大规模集成电路( VLSI )的知识后,三星于 1983 年初在加州圣克拉拉设立了一个 “ 前哨站 ” 。它的主要目标是进行有竞争力的研究,为 DRAM 技术寻找授权方,并将作为一个招聘和培训中心,从美国招募半导体人才。

找到可以交谈的公司是最容易的。日立、摩托罗拉、 NEC 、德州仪器和东芝都拒绝了三星的授权申请。(对 NEC 等合资伙伴的依赖就到此为止了。)他们最终找到了美光科技公司( Micron Technology ),美光在组装试点后于 1983 年 6 月同意授权其 64K DRAM 设计。三星同时获得了 Zytrex 公司高速 MOS 工艺的授权。

三星在六个月内从零开始,造出了 64Kb DRAM ,并于 1983 年 11 月对制成品进行了取样。然后,他们在 1984 年 10 月之前完成了 256Kb DRAM 设计。为了摆脱授权费用,三星圣克拉拉研究团队通过逆向工程设计出了 256Kb DRAM ,并在 1985 年 7 月对全新的部件进行了取样。在器兴( Giheung )的一座新工厂, 256Kb DRAM 的生产开始了,采用的是 2 微米工艺。

这是代际突破之路的第一步,这一突破使三星在 1993 年成为全球最大的存储器芯片生产商 ——10 年前,三星对其首个 DRAM 部件进行了取样。这为超大规模集成电路( VLSI )芯片制造的其他进展奠定了基础,这些进展对下一次消费器件的发展是至关重要的。

艰难险阻

正如手机热潮始于大多数其他市场的车载电话一样,韩国的情况也是如此。韩国移动通信服务公司( KMTS ,后称 SK 电信)于 1984 年 4 月推出了 0G 无线电话网络,截至年底共吸引了 2658 名用户。

三星从 1983 年开始涉足移动无线研发,当时三星大约有 40 名工程师。除了 KMTS 0G 网络之外,他们没有太多工作,他们花了相当大的精力对东芝的一款车载电话进行逆向设计。最终的设计成果是 1986 年生产的三星 SC-100 车载电话。它存在着严重的质量问题,导致研发团队被削减到只有 10 名成员,他们对下一步的工作颇为迷茫。这或许也是一种福气,因为这刺激了团队负责人 Lee Ki-Tae 购买了 10 部摩托罗拉手机作为基准。

KMTS 正在将其网络升级为 1G 蜂窝网络, AMPS (高级移动电话系统)基础设施将于 1988 年 7 月推出,正好赶上 1988 年汉城夏季奥运会。这一日程安排给了三星充足的时间来分析摩托罗拉的设计,并在他们的下一部手机准备就绪之前了解 AMPS 的相关知识。

李秉哲董事长不会看到奥运会的庆祝活动了。 1987 年 12 月 1 日,李健熙在父亲去世不到两周后接管了该公司。起初,一切如常 —— 经营一家大公司是头等大事,新成立的手机部门几乎没被注意到。

三星 SH-100 手持式 1G 手机于 1988 年首次亮相。它只卖了不到 2000 台,主要是卖给 VIP ,质量也很糟糕。在接下来的几年里,这种循环重复了好几次:新款三星手机,质量依然差劲,销量依然只有可怜的几千部。

三星已经迎头撞上了无线电频率工程的黑魔法。

早期的主要制造和设计问题让消费者产生了怀疑和竞争。当时的质量和手机设计的黄金标准摩托罗拉占据了韩国手机市场一半的份额,而三星在韩国本土市场的份额仅为百分之一。

在 RF 技术方面,逆向工程只能告诉团队这么多。复制接收机(如收音机或电视)是一项更容易但仍具有挑战性的任务。制造一种复杂的发射和接收设备,如模拟 1G AMPS 电话,则是另一回事,特别是应用小型化技术。制造质量问题可能源于组件、布局、组装和调优方法的共同作用。

然而,三星面临的最大问题是严重的设计缺陷。据说,三星的一名员工在山里徒步旅行时,看到另一名徒步者在用摩托罗拉手机打电话。果不其然,这名员工携带的三星手机在相同地点没有信号。无论这间轶事是完全准确还是略带修饰,它所描述的情景都有一个重要的线索:韩国三分之二的地形是多山的。

研发工程师没考虑到一种被称为多路径( multipath )的射频效应,即信号会从地形和建筑物反射出去,而几种版本的信号到达接收器的时间略有不同,强度也不同。多路径是三星手机诸多通话质量问题的根源。解决这一问题需要重新设计手机天线,改善天线与电路板的物理连接,增强信号的识别能力。

说起三星芯片的凶悍,可能很多人不知道, 2017 年三星一度超越英特尔成为了全球最大的芯片供应商。而且三星目前是仅次于台积电的世界第二大晶圆代工厂,这意味着三星电子拥有从芯片设计到生产到 手机终端的完整产业链。有核心技术就能做好卖好手机吗?是的,手机行业就是产品为王。

今天华为遭遇了空前困难的外部环境,类比起来,其实三星芯片的发展过程也一波三折,只是起步更早罢了。那么,三星都踩过哪些雷,又是怎么在芯片领域取得优势的呢?

1938 年 3 月李秉哲在韩国南部的大邱创建了三星贸易公司,那时三星只是一个卖面条和大米年糕的杂货店,总共只有十几个人七八条枪。到 20 世纪 60 年代末,三星涉足到纺织品、化肥和零售业务,早期的三星基本处于阿卡林状态,只能做点轻工业产品。三星电子成立于 1969 年,当时借着美国日本产业转移的风口,可以代工生产电视机等电子产品。

1973 年韩国政府宣布了一个 “ 重工业促进计划 ” ,希望优先发展重工业来振兴韩国经济。接着 1975 年韩国政府公布了扶持半导体产业的六年计划。这些措施后来被称作 “ 不均衡发展战略 ” ,大概意思是韩国当时的资本没办法全面奥利给,只能集中力量办大事,把国家的钱投给几个重点企业,让重工业的几个部门先富起来。

在这种背景下,三星电子半买半送的收购了韩国国家半导体研究所。那时的三星还是个技术屌丝,三星半导体技术落后,产品质量差,自己生产的产品集团内部都不愿意使用。李秉哲首先想到从美国日本买技术,当时全球芯片产业正在高速成长期,美国镁光、日本三菱、夏普等企业牢牢占据着 C 位。

起初镁光愿意以 400 万美元的价格,把落后的设计图纸卖给三星,到最后关头又无情反悔。夏普面上客气答应,实际上却处处提防,不许三星员工接近先进生产线。李秉哲向老交情日本 NEC 会长要求学习技术,得到的答复是: “ 钱可以借给你,但是技术不能借给你。 ”

在技术封锁的情况下,李秉哲和三星后来的接班人李健熙推出了一系列打法,奠定了三星半导体后来的地位。

在技术上三星化整为零,不断挖美日公司的墙角。 1974 年李氏父子自掏腰包,入股当时已经濒临破产的美国汉考克半导体公司,同时聘请大量日本半导体工程师利用周末到韩国干私活,传授技术。 1980 年代,三星电子聘请在美国半导体公司工作过的韩国人,他们的工资比总裁还要高 4-5 倍。三星还在美国建立研究中心,让韩国本土工程师到美国轮流接受培训之后,回到韩国本部夜以继日地工作。

1983 年,三星的首个芯片工厂落成,投产后很快开始量产 64K DRAM 芯片,所谓 DRAM 芯片,我们可以简单的把它理解成电脑的内存条。虽然 64K 的芯片仍落后于国际先进水平,几乎用了十年时间才打磨出来,但从此三星坐上了全球芯片竞争的牌桌上。

在产品的定价策略上,三星采用反周期投资的策略,在国际芯片价格下降的时候进一步扩大投资增加供给,用流血的方式耗死对手,使得 DRAM 领域多数厂商走向破产。第一次发生在 1984 年, DRAM 价格从每片 4 美元一路下滑到每片 30 美分,而三星的生产成本是每片 1.3 美元,三星卖一片亏 1 美元。三星以亏损 3 亿美金的代价,迫使业内霸主英特尔退出。而到了 1987 年行业出现转折, DRAM 价格回升,三星开始盈利。

第二次发生在 1993 年,当全球内存芯片价格再次下滑时,三星扩大产能,导致日本三大巨头日立、 NEC 、三菱巨额亏损,不得不把旗下内存部门合并联合抗韩。第三次发生在 2007 年,三星借助金融危机把 DRAM 芯片价格从 2.25 美元打到 0.31 美元。当时三星几乎是孤注一掷,投入了相当于利润 1.18 倍的资本扩张产能,直接导致日本和欧洲对手破产,从此 DRAM 芯片三星一统天下。

整个八十年代,三星电子几乎年年亏损,但三星没有放弃也没有走捷径,一直加大芯片投资,不断积累技术实力,直到 1995 年发布 256M 的 DRAM 芯片,才成功领先业界企业。

三星电子的另外一个战略叫产业链的垂直整合,“垂直整合”说的是,三星发展下游高成长性、高附加值的产品,比如手机、显示器、笔记本等,同时大力开发上游产品的共有核心技术,并达到全方位降低成本的目的。这种从芯片研发到终端产品的全产业链布局,跟今天华为的布局非常相像。

客观上说,三星芯片也是地缘政治的产物。 1985 年美国逼迫日本签下广场协定,第二年日美签署《半导体协定》,规定日本的 DRAM 芯片必须主动涨价 30% ,同时由日本政府自己想办法把美国芯片在日本的份额提升到 20% ,而当时的 DRAM 龙头厂商正是东芝。由于日本丧失经济主权,三星的对手被间接的打垮了。

而且三星几乎没有受到过美国的打压,这主要是因为三星的技术能力还不足以挑战美国的信息霸权。更重要的是, 1997 年亚洲金融危机之后,华尔街资本乘人之危大举入股三星电子,三星电子流通股的 55% 和优先股的 89% 都掌握在外国投资者手中,虽然李氏家族还掌握着三星的投票权,但这家企业的大多数利润都被美国人拿走了。从这个意义上,说三星乃至整个韩国都在为美国人打工也不为过。