5G智能手機(jī)的市場反應(yīng)能力在這一個(gè)新的無線技術(shù)的轉(zhuǎn)型初期是前所未有的，與之前的4G LTE演進(jìn)不同，更多的手機(jī)廠商會(huì)第一時(shí)間將新設(shè)備提供給客戶;不僅是關(guān)鍵的調(diào)制解調(diào)器套片與射頻前端(RFEE)元器件在設(shè)計(jì)周期的早期階段就可以提供給廠商，還因?yàn)檫@些解決方案都是完整的“調(diào)制解調(diào)器到天線”設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步加快初代5G智能手機(jī)投放市場的速度。
本文將進(jìn)一步探尋射頻技術(shù)與元器件如何支持5G設(shè)備，從而能在5G網(wǎng)絡(luò)生命周期中盡早投放。作為IHS Markit Technology 對5G網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備性能“前瞻性研究”的一部分，我們評估的至少6部初代5G智能手機(jī)，并進(jìn)行了徹底的拆解分析以確定5G無線核心元器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這批5G智能手機(jī)分別來自三星、LG、小米、Oppo、一加以及華為。
圖1、拆解分析的初代5G智能手機(jī)樣本
通過深入研究這些智能手機(jī)的初代5G設(shè)計(jì)，我們開始了解其中的主要元器件以及5G調(diào)制解調(diào)器和射頻前端的供應(yīng)商選擇。在評估的六個(gè)手機(jī)品牌中，絕大多數(shù)(六分之五)5G部分設(shè)計(jì)由高通提供，其中三星Galaxy S10 5G的某個(gè)版本使用了Exynos(三星LSI)解決方案，而華為Mate 20X 5G則使用了自主研發(fā)的調(diào)制解調(diào)器方案(華為海思 巴龍5000)。這兩個(gè)“獨(dú)占”的調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商通常是行業(yè)規(guī)則或規(guī)范的例外。研發(fā)調(diào)制解調(diào)器和射頻前端需要投入大量資源。但很明顯，三星和華為憑借其驚人的規(guī)模和經(jīng)營范圍可以負(fù)擔(dān)得起垂直整合5G設(shè)計(jì)的投資。
在5G生態(tài)系統(tǒng)的商用方面，高通在2016年率先發(fā)布的驍龍X50調(diào)制解調(diào)器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。時(shí)至今日，還沒有其他商用調(diào)制解調(diào)器廠家的5G芯片進(jìn)入智能手機(jī)。聯(lián)發(fā)科與紫光展銳(展訊)都已發(fā)布其第一代5G芯片組，但還沒有被任何知名廠家應(yīng)用在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中。此外值得注意的是，英特爾最近將其智能手機(jī)調(diào)制解調(diào)器部門出售給了蘋果(英特爾4G LTE調(diào)制解調(diào)器芯片的唯一客戶)，將商用調(diào)制解調(diào)器領(lǐng)域的供應(yīng)商縮減至三家。
隨著智能手機(jī)行業(yè)的成熟和鞏固，只有像蘋果，三星和華為前三大廠商體量的廠商才有足夠的資金投入研發(fā)自有芯片組。市場中的其他廠商，包括小米，Oppo和Vivo等大型廠商均是采用商用調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商經(jīng)過驗(yàn)證的射頻設(shè)計(jì)。憑借高通在5G領(lǐng)域的前期領(lǐng)導(dǎo)地位，這些智能手機(jī)廠商可以使用高通成熟5G商用解決方案更好地與三大巨頭競爭。這種采購策略讓手機(jī)廠商更專注于產(chǎn)品創(chuàng)新和市場差異化，而不是將有限的資源投入到核心5G調(diào)制解調(diào)器與射頻前端技術(shù)研發(fā)。
分立元器件與射頻前端越來越緊密的結(jié)合為5G鋪設(shè)道路
就像近十年前的4G，LTE連接建立在已有的3G技術(shù)之上一樣;早期的5G功能通過添加獨(dú)立的芯片組到現(xiàn)有的LTE設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。這意味著5G組件基本上像是用螺栓外掛在智能手機(jī)設(shè)計(jì)上，而不是被融合進(jìn)核心芯片組中。 這不僅是為了加速智能手機(jī)的上市時(shí)間，還要通過重復(fù)使用現(xiàn)有的成熟設(shè)計(jì)來降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
以下功能框圖描繪了IHS Markit為本文評估的六部5G智能手機(jī)從調(diào)制解調(diào)器到天線的的核心電路設(shè)計(jì)及其之間的共性。
圖2、采用分立式5G調(diào)制解調(diào)器和射頻前端的第一代5G設(shè)計(jì)
圖3、使用高度集成的射頻前端天線模塊的第一代5G毫米波版本智能手機(jī)
根據(jù)以上兩張功能框圖推斷，第一代5G設(shè)計(jì)本質(zhì)上是附加性的. 設(shè)計(jì)中存在分立的5G組件，例如單模5G調(diào)制解調(diào)器，5G射頻收發(fā)器和單頻段5G 射頻前端，但它們獨(dú)立與現(xiàn)有的LTE 射頻鏈路。這種初代5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)還需要額外的支持部件，例如SDRAM和電源管理，但這些部件通常已存在于智能手機(jī)的LTE部分。在現(xiàn)有成熟的4G設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，手機(jī)廠商使用新的5G標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了4G功能。通常手機(jī)廠家和運(yùn)營商的上市時(shí)間要求(搶先首發(fā))會(huì)反映在設(shè)備設(shè)計(jì)中。在這種情況下，早期的5G智能手機(jī)包含了額外的支持組件，否則這些組件將不會(huì)存在于成熟的智能手機(jī)設(shè)計(jì)中。在我們分析的六款初代5G智能手機(jī)中;六個(gè)設(shè)備中的五個(gè)具有類似于第一代5G設(shè)計(jì)的架構(gòu)。 三星Galaxy S10 5G除了國際版使用三星Exynos 5100 5G芯片組以外，我們發(fā)現(xiàn)其他版本仍使用了高通的驍龍X50 5G調(diào)制解調(diào)器。 同樣，5G 射頻前端也基本都是由高通提供，這表明調(diào)制解調(diào)器和射頻前端在5G通信設(shè)計(jì)中的緊密耦合。
此外，第一代5G 射頻前端包含Sub 6GHz 5G和毫米波(mmWave)5G兩個(gè)不同分類。由于毫米波5G的尺寸、功率和波束成形/跟蹤的要求，必須使用高度集成的毫米波天線(多個(gè))模塊。這些模塊化天線集成了從收發(fā)器一直到物理天線的所有射頻組件。目前，市場上唯一可用的毫米波解決方案來自高通，因此，毫米波5G設(shè)計(jì)作為一套完整的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案提供，而其他所有競爭對手仍然處于毫米波技術(shù)開發(fā)的早期階段(除了已經(jīng)退出市場供應(yīng)智能手機(jī)行業(yè)的英特爾)。本次評估的六家智能手機(jī)廠商中，三星和LG都擁有其5G智能手機(jī)的毫米波版本，以支持使用高通解決方案部署毫米波5G的美國運(yùn)營商，如AT&T，T-Mobile和Verizon。
第二代5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)
第一代5G調(diào)制解調(diào)器最大的特點(diǎn)之一是缺乏多模支持，因此還需要單獨(dú)的LTE調(diào)制解調(diào)器(如上文所述)。隨著行業(yè)的成熟，第二代5G調(diào)制解調(diào)器將確定支持多模，將LTE和5G集成在同一芯片。 這是智能手機(jī)電路設(shè)計(jì)演進(jìn)的必經(jīng)之路，在減少5G智能手機(jī)電路面積的同時(shí)，還要降低其功耗和制造成本。 本次評測的六款5G智能手機(jī)中，只有華為采用其首款5G芯片組(巴龍5000)的多模調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)。 雖然這種設(shè)計(jì)不再需要單獨(dú)的4G/3G/2G調(diào)制解調(diào)器，但我們的拆解顯示，華為Mate 20X的其他設(shè)計(jì)遠(yuǎn)非理想，突出了早期5G技術(shù)的挑戰(zhàn)。
其他供應(yīng)商已宣布推出的第二代調(diào)制解調(diào)器有高通公司的驍龍X55和英特爾公司的XMM8160。但現(xiàn)實(shí)是鑒于最近英特爾退出市場，我們只會(huì)看到高通解決方案的采用。 事實(shí)上，在驍龍X55發(fā)布時(shí)，基于其多個(gè)設(shè)計(jì)方案已在開發(fā)流程中，預(yù)計(jì)將在2019年末推出。
功能框圖(圖4)說明了華為Mate 20X 5G智能手機(jī)的架構(gòu)。雖然華為是本批評測中唯一采用多模5G調(diào)制解調(diào)器的，但與此同時(shí)帶來了許多設(shè)計(jì)上的妥協(xié)。首先，Mate 20X設(shè)計(jì)中仍采用海思Kirin 980 SoC，該SoC已經(jīng)具有內(nèi)置的LTE調(diào)制解調(diào)器。此外，在實(shí)際運(yùn)行中只有多模巴龍5000調(diào)制解調(diào)器用于5G/4G/3G/2G通信，使得Kirin SoC中集成的調(diào)制解調(diào)器并未使用，可以說是不必要的。 更好的解決方案是使用單獨(dú)的應(yīng)用處理器(無調(diào)制解調(diào)器)來代替麒麟980，以降低成本，功耗和PCB占用空間。
此外，華為Mate 20X 5G為巴龍5000配備了更高容量的SDRAM。獨(dú)立調(diào)制解調(diào)器的典型做法是與將容量為數(shù)百兆字節(jié)(MB)的SDRAM一起封裝進(jìn)芯片，而華為Mate 20X采用了PoP封裝的驚人3GB大容量LPDDR4 SDRAM(容量的數(shù)量級提升)，可與大多數(shù)智能手機(jī)的主流SoC SDRAM配置相媲美。從硅片水平來看，7nm 巴龍裸片尺寸比10nm 的高通X50大50%(本批次5G智能手機(jī)中采集到的結(jié)果)。當(dāng)然，這并不是一個(gè)平等的比較，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)是多模而另一個(gè)是單模，并且是使用了不同的制程制造，但這說明了不同的廠商為實(shí)現(xiàn)5G而采取的設(shè)計(jì)妥協(xié)。巴龍5000與即將推出的高通X55 5G調(diào)制解調(diào)器會(huì)是更好的比較。X55和巴龍都是多模5G調(diào)制解調(diào)器，而X55采用7nm制程，由此我們可以推斷出其裸片尺寸也會(huì)比巴龍5000小得多。
華為Mate 20X設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的效率是射頻前端的簡化(從收發(fā)器到天線)。與第一代設(shè)計(jì)的雙無線鏈路相反，5G/4G/3G/2G僅需要一條無線鏈路，因?yàn)樗械臒o線通信標(biāo)準(zhǔn)都通過單個(gè)多模調(diào)制解調(diào)器和RF收發(fā)器路徑(而不是兩個(gè))。
目前華為的5G設(shè)計(jì)局限于Sub 6 GHz的射頻頻段(目前國際上部署的5G最常用的頻譜)。對于具備高性能的毫米波支持，華為尚未推出可行的射頻前端解決方案。這意味著對于現(xiàn)在支持毫米波5G網(wǎng)絡(luò)部署的運(yùn)營商和OEM廠家而言，唯一可用的選擇是高通公司高度集成的毫米波調(diào)制解調(diào)器到天線設(shè)計(jì)。
圖4、Huawei Mate 20X 5G設(shè)計(jì)原理
華為Mate 20X設(shè)計(jì)突出了設(shè)備廠商在5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)，平衡功能需求，電路設(shè)計(jì)和成本方面一些挑戰(zhàn)。 如果海思將 巴龍5000調(diào)制解調(diào)器提供給其他OEM，并與商用調(diào)制解調(diào)器提供商直接競爭，本次對5G初代設(shè)計(jì)的評估將表明華為設(shè)計(jì)在成本，電路板面積和功效方面還不具備競爭力。 然而鑒于華為設(shè)計(jì)的“獨(dú)占”性質(zhì)，這些擔(dān)憂是能夠?qū)?G智能手機(jī)按時(shí)推向市場的次要問題。 此外，由于海思半導(dǎo)體是一家“獨(dú)占”供應(yīng)商，因此OEM客戶對提高設(shè)計(jì)效率的要求也更少，從而導(dǎo)致第一代設(shè)計(jì)并不是最優(yōu)的。
優(yōu)化未來5G設(shè)計(jì)
對初代5G智能手機(jī)的早期分析最終將我們指引未來產(chǎn)品中5G設(shè)計(jì)演進(jìn)的方向。 正如多模調(diào)制解調(diào)器將在第二代設(shè)計(jì)中引入，帶來單調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)和集成度更高的射頻前端一樣;隨著5G技術(shù)的成熟，業(yè)界將期待核心電路設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化。
我們將在未來看到怎樣的5G設(shè)計(jì)?按照近十年前4G LTE調(diào)制解調(diào)器的演進(jìn)路線，我們將在2020年的5G智能手機(jī)設(shè)計(jì)的下一次迭代中看到多模5G調(diào)制解調(diào)器與智能手機(jī)SoC本身的集成(圖5)。這種更高的集成度將影響現(xiàn)有支持SoC的SDRAM和電源管理，并消除主板上的額外芯片，更重要的是，影響物料清單(BOM)成本。
此外，我們將看到一個(gè)高度集成和緊湊的射頻前端架構(gòu)用來在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)支持Sub 6GHz和毫米波段 5G。 正如當(dāng)今市場上的高端LTE智能手機(jī)具有支持全球漫游的射頻頻段一樣，未來的5G智能手機(jī)將依靠緊湊的調(diào)制解調(diào)器到天線設(shè)計(jì)以集成更多的5G頻率和模式支持。在5G應(yīng)用中，對于調(diào)制解調(diào)器或調(diào)制解調(diào)器到天線設(shè)計(jì)的優(yōu)化的需求是至關(guān)重要的，其中任何信號劣化都會(huì)導(dǎo)致用戶端明顯的滯后或延遲。 綜上所述; 更好，更便宜，更快速的5G智能手機(jī)即將問世。
圖5、未來的5G 設(shè)計(jì)
結(jié)語
元器件的成熟過程是每個(gè)新無線標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的循環(huán)。 早期的LTE設(shè)計(jì)與我們在本文中討論的第一代5G設(shè)計(jì)一樣復(fù)雜。隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步和硅片更高的集成度，特別是調(diào)制解調(diào)器和射頻前端的緊密耦合，業(yè)界將開始意識到成熟的5G芯片組設(shè)計(jì)所帶來的優(yōu)點(diǎn)。此外，我們預(yù)計(jì)由于智能手機(jī)設(shè)計(jì)將從LTE升級到5G，產(chǎn)量的增長將必然降低5G設(shè)備的整體成本。 這些優(yōu)勢即將在明年到來的下一代5G智能手機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和性能方面體現(xiàn)給終端消費(fèi)者。
