5G智能手機的市場反應(yīng)能力在這一個新的無線技術(shù)的轉(zhuǎn)型初期是前所未有的，與之前的4G LTE演進不同, 更多的手機廠商會第一時間將新設(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)計周期的早期階段就可以提供給廠商， 還因為這些解決方案都是完整的“調(diào)制解調(diào)器到天線”設(shè)計，從而進一步加快初代5G智能手機投放市場的速度。
本文將進一步探尋射頻技術(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，并進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。這批5G智能手機分別來自三星、LG、小米、Oppo、一加以及華為。
圖 1 – 拆解分析的初代5G智能手機樣本
通過深入研究這些智能手機的初代5G設(shè)計，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。在評估的六個手機品牌中，絕大多數(shù)（六分之五）5G部分設(shè)計由高通提供，其中三星Galaxy S10 5G的某個版本使用了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“獨占”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)器獨領(lǐng)風(fēng)騷。時至今日，還沒有其他商用調(diào)制解調(diào)器廠家的5G芯片進入智能手機。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)用在智能手機設(shè)計中。此外值得注意的是，英特爾最近將其智能手機調(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)過驗證的射頻設(shè)計。憑借高通在5G領(lǐng)域的前期領(lǐng)導(dǎo)地位，這些智能手機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功能通過添加獨立的芯片組到現(xiàn)有的LTE設(shè)計中實現(xiàn)。這意味著5G組件基本上像是用螺栓外掛在智能手機設(shè)計上，而不是被融合進核心芯片組中。 這不僅是為了加速智能手機的上市時間，還要通過重復(fù)使用現(xiàn)有的成熟設(shè)計來降低開發(fā)風(fēng)險。
以下功能框圖描繪了IHS Markit為本文評估的六部5G智能手機從調(diào)制解調(diào)器到天線的的核心電路設(shè)計及其之間的共性。
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
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
根據(jù)以上兩張功能框圖推斷，第一代5G設(shè)計本質(zhì)上是附加性的. 設(shè)計中存在分立的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的LTE部分。在現(xiàn)有成熟的4G設(shè)計基礎(chǔ)上，手機廠商使用新的5G標(biāo)準(zhǔn)擴展了4G功能。通常手機廠家和運營商的上市時間要求（搶先首發(fā)）會反映在設(shè)備設(shè)計中。在這種情況下，早期的5G智能手機包含了額外的支持組件，否則這些組件將不會存在于成熟的智能手機設(shè)計中。在我們分析的六款初代5G智能手機中；六個設(shè)備中的五個具有類似于第一代5G設(shè)計的架構(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）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)智能手機行業(yè)的英特爾）。本次評估的六家智能手機廠商中，三星和LG都擁有其5G智能手機的毫米波版本，以支持使用高通解決方案部署毫米波5G的美國運營商，如AT＆T，T-Mobile和Verizon。
第二代5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計
第一代5G調(diào)制解調(diào)器最大的特點之一是缺乏多模支持，因此還需要單獨的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。 這是智能手機電路設(shè)計演進的必經(jīng)之路，在減少5G智能手機電路面積的同時，還要降低其功耗和制造成本。 本次評測的六款5G智能手機中，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。 雖然這種設(shè)計不再需要單獨的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)實是鑒于最近英特爾退出市場，我們只會看到高通解決方案的采用。 事實上，在驍龍X55發(fā)布時，基于其多個設(shè)計方案已在開發(fā)流程中，預(yù)計將在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，但與此同時帶來了許多設(shè)計上的妥協(xié)。首先，Mate 20X設(shè)計中仍采用海思Kirin 980 SoC，該SoC已經(jīng)具有內(nèi)置的LTE調(diào)制解調(diào)器。此外，在實際運行中只有多模巴龍 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智能手機中采集到的結(jié)果）。當(dāng)然，這并不是一個平等的比較，因為其中一個是多模而另一個是單模，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現(xiàn)5G而采取的設(shè)計妥協(xié)。巴龍 5000與即將推出的高通X55 5G調(diào)制解調(diào)器會是更好的比較。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比巴龍 5000小得多。
華為Mate 20X設(shè)計中體現(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)計的雙無線鏈路相反，5G/4G/3G/2G僅需要一條無線鏈路，因為所有的無線通信標(biāo)準(zhǔn)都通過單個多模調(diào)制解調(diào)器和RF收發(fā)器路徑（而不是兩個）。
目前華為的5G設(shè)計局限于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。
圖4 – Huawei Mate 20X 5G設(shè)計原理
華為Mate 20X設(shè)計突出了設(shè)備廠商在5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計，平衡功能需求，電路設(shè)計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)計的評估將表明華為設(shè)計在成本，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)計的“獨占”性質(zhì)，這些擔(dān)憂是能夠?qū)?G智能手機按時推向市場的次要問題。 此外，由于海思半導(dǎo)體是一家“獨占”供應(yīng)商，因此OEM客戶對提高設(shè)計效率的要求也更少，從而導(dǎo)致第一代設(shè)計并不是最優(yōu)的。
優(yōu)化未來5G設(shè)計
對初代5G智能手機的早期分析最終將我們指引未來產(chǎn)品中5G設(shè)計演進的方向。 正如多模調(diào)制解調(diào)器將在第二代設(shè)計中引入，帶來單調(diào)制解調(diào)器設(shè)計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)計的進一步優(yōu)化。
我們將在未來看到怎樣的5G設(shè)計？按照近十年前4G LTE調(diào)制解調(diào)器的演進路線，我們將在2020年的5G智能手機設(shè)計的下一次迭代中看到多模5G調(diào)制解調(diào)器與智能手機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，我們將看到一個高度集成和緊湊的射頻前端架構(gòu)用來在一個設(shè)備中同時支持Sub 6GHz和毫米波段 5G。 正如當(dāng)今市場上的高端LTE智能手機具有支持全球漫游的射頻頻段一樣，未來的5G智能手機將依靠緊湊的調(diào)制解調(diào)器到天線設(shè)計以集成更多的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)計的優(yōu)化的需求是至關(guān)重要的，其中任何信號劣化都會導(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智能手機即將問世。
圖5 – 未來的 5G 設(shè)計
結(jié)語
元器件的成熟過程是每個新無線標(biāo)準(zhǔn)演進的循環(huán)。 早期的LTE設(shè)計與我們在本文中討論的第一代5G設(shè)計一樣復(fù)雜。隨著半導(dǎo)體制造工藝的進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)計所帶來的優(yōu)點。此外，我們預(yù)計由于智能手機設(shè)計將從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智能手機的經(jīng)濟性和性能方面體現(xiàn)給終端消費者。
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