5G手機(jī)的芯片

 

5G手機(jī)設(shè)計(jì)具有一般手機(jī)設(shè)計(jì)的通用性，但由于5G是全新的通信技術(shù)，面臨新的適配問(wèn)題和技術(shù)特征，以下部分將從芯片、天線、材質(zhì)、攝像頭、電池和其他等多方面解析5G手機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵及背后的產(chǎn)業(yè)鏈。

 

標(biāo)準(zhǔn)未定，芯片先行，只有一顆5G的芯片，才能根本定性5G手機(jī)身份。因此5G芯片是5G手機(jī)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵一環(huán)。

 

 

1、5G芯片的要求

 

頻段：實(shí)際上，芯片的設(shè)計(jì)要充分考慮基于5G頻段的劃分，目前業(yè)界公認(rèn)的兩組5G頻率，其一是Sub 6GHz，頻率在6GHz以下，在國(guó)內(nèi)5G的建設(shè)中，已經(jīng)確認(rèn)將首先使用這一頻段。同時(shí)這也是5G初期最基礎(chǔ)的頻段。其二是毫米波，這是5G成熟期的主要運(yùn)營(yíng)頻段，優(yōu)點(diǎn)是傳輸帶寬極大，但缺點(diǎn)是覆蓋范圍很小，穿透障礙物的能力很弱，因此需要更專業(yè)的天線調(diào)諧。

 

組網(wǎng)形式：5G的組網(wǎng)有NSA(非獨(dú)立組網(wǎng))和SA(獨(dú)立組網(wǎng))兩種形式，NSA簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是可以與4G網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言在核心網(wǎng)方面可以共用，建網(wǎng)相對(duì)容易。而SA則是終極演進(jìn)方向，5G組網(wǎng)自成一體，與4G完全分開(kāi)。目前，3GPP R15 NSA和R15 SA都已凍結(jié)。

 

5G手機(jī)對(duì)相關(guān)芯片也會(huì)提出新的要求。5G基帶芯片需要采用多模設(shè)計(jì)，不僅要兼容2G、3G、4G，還要支持5G。這意味著5G手機(jī)需要不停地尋址，采取不同的模式，但是不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，情況更為復(fù)雜，對(duì)芯片算力要求更高，28nm工藝芯片可能滿足不了5G手機(jī)的要求，需要7nm、10nm、12nm工藝。

 

其他：除了在頻段和帶寬上的需求外，在子載波間隔、調(diào)制模式、功率等方面也都需要考慮。例如調(diào)制模式方面，中國(guó)聯(lián)通要求必須支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM方式，而上行必須支持π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM方式。

 

 

 

2、5G芯片的進(jìn)程

 

芯片和終端產(chǎn)品都需要一年到幾年不等的開(kāi)發(fā)周期，如果等5G頻段確定后再進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)顯然難以在5G市場(chǎng)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此我們看到即便需要面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)未定帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)鏈各方早已積極投入5G研發(fā)（見(jiàn)表2：5G芯片進(jìn)程一覽）。

 

 

在當(dāng)前階段，已經(jīng)發(fā)布或已有消息即將發(fā)布的5G基帶芯片共有7款，分屬于高通、海思、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳、英特爾和三星這幾大產(chǎn)業(yè)鏈上核心廠商。

 

高通：高通是3G/4G時(shí)代毫無(wú)疑問(wèn)的芯片大鱷，5G時(shí)代，雖然遭遇華為和英特爾來(lái)自核心專利方面的擠壓，但穩(wěn)固的商業(yè)模式和標(biāo)準(zhǔn)專利讓其仍舊是不可或缺的重要玩家。除了在標(biāo)準(zhǔn)上的諸多貢獻(xiàn)，高通憑借與中國(guó)市場(chǎng)手機(jī)市場(chǎng)的良好合作，仍舊不斷蠶食終端側(cè)份額已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。

 

目前業(yè)界使用最廣的一款5G基帶驍龍X50便出自高通之手，與高通驍龍855處理器的搭配讓2019年大部分的5G手機(jī)將基于上述組合研發(fā)，目前已經(jīng)確認(rèn)的手機(jī)有小米MIX3 5G版、三星S10 5G版、一加7、索尼Xperia 5G、LG V50 5G等。高通驍龍X50的最大優(yōu)點(diǎn)是目前應(yīng)用陣營(yíng)強(qiáng)大，但其為單模單芯片,只支持5G NSA，不支持5G SA,不能向下兼容2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，且毫米波頻段缺少26GHz的支持。

 

不過(guò)，外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道。深諳游戲規(guī)則的高通在MWC 2019上宣布其全球首款集成5G基帶的驍龍移動(dòng)平臺(tái)芯片將在2020年上半年商用。高通這一宣布表明，已經(jīng)先人一步集成5G芯片。更說(shuō)明2020年之前上市的5G手機(jī)大多都是采用“捆綁式”5G芯片，而此前無(wú)論3G還是4G手機(jī)都采用集成式芯片。

 

隨著高通驍龍X55的官宣，高通目前最成熟的5G基帶宣布完成，也不再像X50那樣必須搭配驍龍855處理器才能使用，其兼容性表現(xiàn)更好。同時(shí)在技術(shù)上支持Sub 6 GHz和毫米波以及NSA/SA標(biāo)準(zhǔn)。

 

華為海思：華為巴龍5000則是目前性能表現(xiàn)最全面的商用5G基帶芯片之一，Sub-6 GHz、mmWave和NSA、SA一并支持，而且也符合3GPP Release 15標(biāo)準(zhǔn)。在MWC 2019上，華為采用Balong 5000+麒麟980的組合推出首款5G手機(jī)華為MateX，并將在年內(nèi)進(jìn)行銷(xiāo)售。

 

紫光展銳：紫光展銳馬卡魯春藤510也是在MWC2019上發(fā)布的基帶芯片之一，面向中端產(chǎn)品，它采用臺(tái)積電12nm制程工藝，支持多項(xiàng)5G關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)2G/3G/4G/5G多種通信模式，符合最新的3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，支持Sub-6GHz頻段及100MHz帶寬，是一款高集成度、高性能、低功耗的5G基帶芯片。主要針對(duì)智能手機(jī)、CPE、Mi-Fi設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。當(dāng)然基于工藝限制，其12nm制程工藝相比競(jìng)品稍顯不足。

 

聯(lián)發(fā)科：另一玩家聯(lián)發(fā)科也于近日揭曉其首款5G基帶芯片Helio M70，這款基帶芯片依照3GPP Rel-15 5G新空口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，包括支持SA和NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、 Sub 6GHz 頻段、高功率終端(HPUE)及其他5G關(guān)鍵技術(shù)，聯(lián)發(fā)科計(jì)劃在2019年開(kāi)始出貨Helio M70。

 

三星：三星作為為數(shù)不多的同時(shí)擁有手機(jī)品牌和基帶芯片的廠商，三星也推出適用于5G NR release-15的5G調(diào)制解調(diào)器Exynos 5100，速率方面，Exynos調(diào)制解調(diào)器5100支持在5G通信環(huán)境6GHz以下的低頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高2Gbps的下載速度，比4G產(chǎn)品快1.7倍;在高頻段環(huán)境下也同樣支持5倍速的下載速度，最高達(dá)6Gbps。

 

英特爾：或許是因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)對(duì)手的進(jìn)展給英特爾帶來(lái)了太大的壓力，2018年11月，英特爾發(fā)布XMM 8160 5G調(diào)制解調(diào)器，英特爾稱其加速了該款調(diào)制解調(diào)器的進(jìn)度，將發(fā)布日期提前了半年以上。不過(guò)就在2019年4月17日，失去蘋(píng)果這一大客戶的英特爾宣布停止5G芯片基帶研發(fā)工作，英特爾已正式退出5G手機(jī)戰(zhàn)局。

 

 

 

3、破解“捆綁式”5G芯片勢(shì)在必行

 

雖然各家基帶芯片看似蓄勢(shì)待發(fā)，但行至此刻，5G標(biāo)準(zhǔn)未定還是讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)面臨亟需破局時(shí)刻，即如何破解“捆綁式”5G芯片（見(jiàn)圖：5G芯片時(shí)間進(jìn)展）。

 

 

上文曾提及，高通提供的驍龍X50是單一的5G基帶芯片(單模)，只支持5G網(wǎng)絡(luò)，需要外掛在一個(gè)4G/3G/2G全網(wǎng)通基帶芯片(如驍龍845上的驍龍X20基帶芯片)上才能正常使用。相比4G手機(jī)，采用高通驍龍X50芯片的5G手機(jī)必然會(huì)面臨信號(hào)切換慢和能耗大等問(wèn)題。

 

華為發(fā)布的Mate X折疊屏手機(jī)采用的也是捆綁式5G芯片，不過(guò)麒麟980處理器捆綁的巴龍5000是業(yè)界首款7nm 5G單芯多模終端芯片，已經(jīng)把2G/3G/4G/5G集成到了一塊芯片上。

 

雖然高通已經(jīng)宣布全球發(fā)布第二代5G基帶芯片X55，也采用7納米單芯片，支持5G和4G網(wǎng)絡(luò)。但其供貨時(shí)間的戰(zhàn)線正在延長(zhǎng)，“解綁”芯片的戰(zhàn)役仍在繼續(xù)。

 

有分析認(rèn)為，之所以目前的5G基帶芯片并未完全整合，并非廠商能力不足，而是廠商考慮到5G最終的標(biāo)準(zhǔn)還未完全落地，頻譜的分配方案和5G牌照的相關(guān)發(fā)放工作還在梳理，運(yùn)營(yíng)商的組網(wǎng)方式也在測(cè)試過(guò)程中，這時(shí)如果完全押寶一種方案，則存在的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法評(píng)估。

 

在這種情況下，手機(jī)廠商采用捆綁式5G芯片可以理解。采用捆綁式芯片，廠商能迅速實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信，見(jiàn)效最快、一針見(jiàn)血。同時(shí)一兩年內(nèi)還是以4G為主，所以5G外掛4G是當(dāng)下最合理的選擇。此外，5G手機(jī)的特點(diǎn)是多天線，干擾情況復(fù)雜，折中方案就是選擇外掛5G芯片，同時(shí)對(duì)于成本的降低也能做到最優(yōu)。

 

 

 5G手機(jī)的天線

 

5G天線是5G手機(jī)收發(fā)裝置，因?yàn)?G天線特征，使得5G手機(jī)的天線收發(fā)設(shè)計(jì)成為5G手機(jī)的另一個(gè)主要環(huán)節(jié)。

 

 

 

1、5G低頻天線：累加而不是替代

 

在5G時(shí)代，由于頻段的客觀現(xiàn)狀，天線的適配正朝sub 6GHz和毫米波天線兩個(gè)方向發(fā)展，天線從2G/3G/4G到5G，是純粹的增量。5G手機(jī)中，此前4G/3G的功能都會(huì)同時(shí)存在，以前的天線也都會(huì)存在，因此對(duì)于天線而言，通信技術(shù)的升級(jí)，對(duì)于不同制式的天線是累加而不是替代。

 

為了提高傳輸速率，sub-6G將采用MIMO天線并且增大MIMO天線的數(shù)量，比如8x8MIMO、16x16MIMO等。

 

 

 

2、5G毫米波天線：擺放更復(fù)雜

 

而5G毫米波天線的分布則會(huì)復(fù)雜很多，業(yè)界將采用陣列天線，在天線制作原理以及加工工藝上與傳統(tǒng)天線都有很大的不同。

 

5G毫米波由于頻率高，傳輸距離短，只能通過(guò)陣列天線以及波束成型來(lái)增加天線的增益，以克服在空氣中傳輸距離短的問(wèn)題，因此5G天線由原來(lái)4G的全向天線變?yōu)榱硕ㄏ蛱炀€。

 

波束成形模塊只提高了毫米波的傳輸能力，但沒(méi)有解決信號(hào)受到阻礙物衰減過(guò)快的問(wèn)題，目前主要有兩種解決方案：一是利用數(shù)字相移器與衰減器的算法，來(lái)控制波束追蹤手機(jī)用戶，以維持訊號(hào)的穩(wěn)定度；二是增加波束成形模塊的數(shù)量，以達(dá)到通信無(wú)死角的設(shè)計(jì)方案。

 

毫米波天線需要新的加工工藝，可分為線陣、方陣。天線尺寸跟工作頻率成反比，毫米波的頻率變高，天線尺寸變小，簡(jiǎn)單的加工形式精度不夠，還得借助于其他的加工形式，如高通毫米波天線模塊采用的LTCC工藝。

 

 

3、產(chǎn)業(yè)鏈上下受益

 

天線模組廠商也受益于5G時(shí)代。

 

高通于2018年最新發(fā)布的5G毫米波天線模組(QTM525)，同時(shí)支持6 GHz以下5G和LTE的全新單芯片14納米射頻收發(fā)器，以及6GHz以下射頻前端模組，提供面向全部主要頻譜頻段的新一代從調(diào)制解調(diào)器到天線的完整解決方案。

 

經(jīng)過(guò)多年的投入，天線隱形冠軍廠商碩貝德也在5G射頻前端模組方面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品突破，已實(shí)現(xiàn)了從24GHz到43GHz全頻段覆蓋的技術(shù)突破。碩貝德開(kāi)發(fā)的24GHz到43GHz全頻段覆蓋的射頻前端模組產(chǎn)品于2018年6月IEEE舉辦的IMS上成功展出。隨著5G手機(jī)放量，碩貝德的天線產(chǎn)品有望逐步推廣，打開(kāi)成長(zhǎng)新空間。

 

反觀碩貝德的“老對(duì)手”信維通信則5G前景受限， 5G的業(yè)績(jī)紅利釋放期還有數(shù)年，而當(dāng)下智能手機(jī)紅利結(jié)束，對(duì)于電子制造業(yè)影響十分明顯，為此信維通信雖然極力強(qiáng)調(diào)5G血統(tǒng)，卻在實(shí)際業(yè)務(wù)中進(jìn)行泛射頻領(lǐng)域的橫向布局，加強(qiáng)在汽車(chē)電子領(lǐng)域業(yè)務(wù)的開(kāi)展，也是其5G前“青黃不接”的無(wú)奈舉措。

 

此外，國(guó)內(nèi)外廠商立訊精密和Murata等廠商不斷加入戰(zhàn)局搶占份額，也將引起市場(chǎng)的多重變化。此外，在天線設(shè)備對(duì)應(yīng)的射頻芯片方面，巨頭Qorvo、Skyworks將繼續(xù)領(lǐng)跑。（見(jiàn)圖：手機(jī)天線產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)占有率）。

 

 

不過(guò)需要注意的是，上述提及的天線供應(yīng)商提供的并不是一體化的完整解決方案，手機(jī)廠商往往需要根據(jù)自身處理器類(lèi)型等特點(diǎn)，進(jìn)行手機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)和性能適配。而這項(xiàng)軟硬件的設(shè)計(jì)研發(fā)工作比4G時(shí)代要復(fù)雜得多，對(duì)智能手機(jī)廠商的研設(shè)計(jì)和量產(chǎn)都提出了新挑戰(zhàn)。

 

由于手機(jī)內(nèi)部天線數(shù)量、射頻開(kāi)個(gè)器件數(shù)量都要大幅增加，如何擺放設(shè)計(jì)才能保證信號(hào)良好、散熱正常是第一難題；其次，在滿足上述基本條件的同時(shí)保持手機(jī)的纖薄化是困擾手機(jī)廠商的第二大問(wèn)題。

 

有業(yè)內(nèi)專家分析稱，外界都誤認(rèn)為手機(jī)廠商只是組裝，實(shí)際上，隨著近幾年技術(shù)更新周期的不斷縮短，產(chǎn)品技術(shù)迭代的速度非常驚人，從芯片到整機(jī)，手機(jī)廠商要做的工作比想象中要更多。