那些年，各大廠商都“追”過(guò)的5G Modem芯片

那些年，各大廠商都“追”過(guò)的5G Modem芯片

近日，一條大消息幾乎是占據(jù)了各大網(wǎng)站的頭條：蘋果公司在多次嘗試完善自研5G調(diào)制解調(diào)器(Modem)芯片失敗后，決定停止開發(fā)該芯片。從去年開始，蘋果曾多次對(duì)5G調(diào)制解調(diào)器(Modem)芯片進(jìn)行嘗試及研發(fā)，但都以失敗告終，因此蘋果公司決定及時(shí)止損，正在減少對(duì)該項(xiàng)目的投資，并會(huì)選擇結(jié)束這個(gè)持續(xù)多年的投資項(xiàng)目。

其實(shí)外界對(duì)于蘋果自研5G調(diào)制芯片的態(tài)度大多是樂觀的，并認(rèn)為蘋果最終會(huì)取代高通的產(chǎn)品，因?yàn)闉榱俗灾餮邪l(fā)5G Modem芯片，蘋果已招募數(shù)千名工程師。2019年蘋果收購(gòu)了Intel智能手機(jī)Modem業(yè)務(wù)的大部分，因而蘋果高管還設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即在2023年推出自己的5G相關(guān)解調(diào)器芯片產(chǎn)品。甚至連高通都已經(jīng)做好“說(shuō)再見”的準(zhǔn)備了，但經(jīng)過(guò)蘋果多次嘗試改進(jìn)，仍無(wú)法解決一些關(guān)鍵的技術(shù)問題，包括信號(hào)穩(wěn)定性、功耗控制，以及與基帶芯片的兼容性等，最終不得已而放棄該項(xiàng)目。

根據(jù)消息人士的消息，總結(jié)起來(lái)蘋果自研的5G Modem主要存在兩個(gè)難題：一是Intel之前遺留代碼的問題，蘋果需要重寫這些代碼，而添加新功能可能會(huì)中斷現(xiàn)有功能。二是開發(fā)芯片過(guò)程中，需要繞過(guò)高通的一些專利。但也有消息稱，蘋果并未完全放棄開發(fā)，而是轉(zhuǎn)去開發(fā)6G，畢竟相關(guān)崗位正在招聘，不管消息是真是假，基帶總是繞不開的話題，早在2019年初，AP芯片供應(yīng)商高通、聯(lián)發(fā)科、英特爾、海思、三星電子、展訊等近期推出的手機(jī)芯片解決方案均支持5G Modem，為5G手機(jī)到來(lái)做好準(zhǔn)備。

（圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，如侵權(quán)刪）

       那么Modem芯片研發(fā)到底難在哪里？以至于連蘋果公司這樣的頂級(jí)開發(fā)公司都無(wú)可奈何？在多種因素的共同推動(dòng)下，5G基帶芯片市場(chǎng)將會(huì)迎來(lái)更加廣闊而穩(wěn)健的發(fā)展。未來(lái)5-10年內(nèi)，行業(yè)將處于快速發(fā)展時(shí)期，5G基帶芯片市場(chǎng)將會(huì)快速擴(kuò)大。

2019-2025年全球5G芯片市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)（圖源前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）

       而自研基帶芯片要比自研手機(jī)AP難的更多，因?yàn)閷?duì)于手機(jī)AP，只考慮手機(jī)需要的操作系統(tǒng)即可。而基帶芯片，則要兼容不同標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)營(yíng)商。而研發(fā)5G基帶芯片就更難了，這不僅僅只是兼容不同5G運(yùn)營(yíng)商這么簡(jiǎn)單的事了，還需要突破層層難關(guān)，攻克層層壁壘，

       首先5G技術(shù)專利就是第一只攔路虎，現(xiàn)在4G逐漸成為過(guò)去時(shí)，5G基帶芯片逐漸成為主流。但5G專利就成為了一個(gè)難題，也成為了兵家必爭(zhēng)之地。而全球5G專利最多的公司就是華為了，高通也是持有5G專利比較多的公司，因此高通成為第二個(gè)擁有5G基帶芯片的公司。有人會(huì)說(shuō)，專利這東西不重要，花點(diǎn)錢，把別人的東西拿過(guò)來(lái)縫縫補(bǔ)補(bǔ)就行了。

       其實(shí)不然，抄別人的作業(yè)的人永遠(yuǎn)比不上自己寫作業(yè)的人，研究基帶芯片也一樣，因?yàn)樽约貉邪l(fā)出來(lái)的5G基帶芯片，掌握的是方法，有了方法，無(wú)論從理論到實(shí)踐，都可以循序漸進(jìn)，水到渠成，而沒有專利的公司，盲目抄作業(yè)，沒有方法，更不能理解，就算是破解技術(shù)和逐漸學(xué)習(xí)也要花費(fèi)很大的人力物力及時(shí)間，要讓這些公司自己做5G基帶芯片，就更難了，更何況5G的專利費(fèi)也不便宜，高通按照手機(jī)的售價(jià)來(lái)收，使用了核心必要專利的話是售價(jià)的3.25%，如果使用了核心+非核心的話多模5G手機(jī)，則按5%的比例收取，手機(jī)售價(jià)上限為400美元，超過(guò)也按400美元收，也就是最多收20美元。而華為4G和5G手機(jī)的授權(quán)費(fèi)率，上限分別為每臺(tái)1.5美元和2.5美元。愛立信方面，則是根據(jù)手機(jī)售價(jià)不同，專利費(fèi)用在2.5美元到5美元之間。諾基亞則是每臺(tái)5G手機(jī)，收費(fèi)3歐元。并且擁有專利的公司條款多，以高通為例，就算不使用其公司核心的專利及產(chǎn)品，也需要支付高昂的專利費(fèi)用，就算是財(cái)大氣粗的公司，要系統(tǒng)地理解和應(yīng)用這些專利技術(shù)才是最大難題。雖然華為等公司在5G技術(shù)方面取得了一定的突破，但總體來(lái)說(shuō)，目前全球5G技術(shù)專利還比較分散，缺乏核心專利技術(shù)的掌握。這使得5G芯片的研發(fā)和生產(chǎn)面臨一定的專利風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力。

       第二個(gè)門檻則是剛才提到的兼容性問題，基帶應(yīng)用于手機(jī)，而手機(jī)需要接入網(wǎng)絡(luò)，就需要同時(shí)考慮到兼容其他的網(wǎng)絡(luò)制式。以中國(guó)為例，需要考慮2G的GSM、CDMA，3G的WCDMA、EVDO，還要考慮4G的TD-LTE和FDD_LTE，到了5G還要考慮NSA和SA接入，這些一個(gè)都不能少，才能算是一個(gè)合格的手機(jī)使用的5G基帶。并且開發(fā)芯片的公司需要應(yīng)對(duì)不同國(guó)家和地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景，但由于不同國(guó)家和地區(qū)所采用的5G頻段和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同，因此需要5G芯片具備靈活的可配置性和適應(yīng)性，能夠應(yīng)對(duì)不同國(guó)家和地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景，若想現(xiàn)在參與5G基帶芯片的研發(fā)，就需要全面兼容各大運(yùn)營(yíng)商，同一款手機(jī)既要支持所有運(yùn)營(yíng)商的標(biāo)準(zhǔn)，又要兼容各大廠商的5G標(biāo)準(zhǔn)，因此研發(fā)5G基帶芯片還面臨著與不同制式和標(biāo)準(zhǔn)的5G運(yùn)營(yíng)商之間的聯(lián)調(diào)聯(lián)試?yán)щy。對(duì)于手機(jī)AP來(lái)說(shuō)，除了自身過(guò)硬以外，基站的建立也是一個(gè)難題，建立一個(gè)5G基站，需要考慮高頻信號(hào)傳輸?shù)碾y度問題，5G網(wǎng)絡(luò)使用的高頻段信號(hào)具有傳輸距離短，穿透力弱的特點(diǎn)，需要大量的基站進(jìn)行覆蓋，而且每座基站的建設(shè)成本也很高?；灸芎膯栴}也需要解決，5G基站需要更多的天線和設(shè)備，因此能耗也更高，如何降低基站的能耗成為了一個(gè)難點(diǎn)。并且建立基站并不是一件小事，它的建設(shè)周期非常長(zhǎng)，從施工方案，設(shè)備安裝等方面入手，需要準(zhǔn)備的周期較長(zhǎng)，并且建設(shè)所需成本較大。這幾件事加起來(lái)，就可以勸退大部分廠商了。

       芯片復(fù)雜度問題一直難以突破，5G基帶研發(fā)的技術(shù)難度極高。相較于3G、4G技術(shù)，5G技術(shù)需要處理更大的網(wǎng)絡(luò)容量、更低的延遲和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使得基帶芯片的設(shè)計(jì)難度大大增加，也就是突破更高的峰值速率。提到峰值速率就不得不先從數(shù)據(jù)速率說(shuō)起，一些公司在5G Modem做了一些產(chǎn)品，基帶復(fù)雜度有增加的趨勢(shì)。但在NSA的組網(wǎng)環(huán)境，技術(shù)的共存增加了芯片的負(fù)擔(dān)。NR使用了高頻段，本質(zhì)上有很多短板，為了彌補(bǔ)這些覆蓋的問題，必須要有一些先進(jìn)的Modem技術(shù)來(lái)解決。功耗、面積和性能折衷，特別在LTE后期，就會(huì)面臨越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，怎么做好這三者關(guān)系的平衡。如何設(shè)計(jì)一個(gè)modem，能夠兼容一個(gè)多樣化的需求，慢慢的形成手機(jī)AP設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，通常一款基帶芯片的研發(fā)時(shí)間是2-3年，如果要壓縮這個(gè)周期，就意味著要投入更多的人力，預(yù)研的時(shí)間也更長(zhǎng)。目前，量產(chǎn)的5G基帶芯片已經(jīng)有高通、華為和三星三家，意思就是說(shuō)從標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議出來(lái)半年后，芯片已經(jīng)商用。這么短的時(shí)間這么能保證芯片的質(zhì)量，這就需要芯片廠商不得不很早就啟動(dòng)項(xiàng)目，投錢投人，還要緊跟3GPP組織的腳步。

       除此之外，現(xiàn)在的基帶芯片除了處理能力超強(qiáng)，功耗還要低，制造工藝基本都圍繞著7nm，支持的網(wǎng)絡(luò)模式在原有的7?；A(chǔ)上還要加上NR，網(wǎng)絡(luò)多元化也讓芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度明顯增加?；鶐酒纳漕l部分復(fù)雜度更是提高不少，除了要支持5G新加入的29個(gè)頻段，其中還包含支持處理毫米波段。為了毫米波還要支持波束賦形等技術(shù)，這些都是以前沒有處理過(guò)的技術(shù)，且基帶芯片用來(lái)處理底層物理信號(hào)，最困難的在于其龐雜的數(shù)學(xué)體系，工程化后主體即是“信道編解碼”再加“糾錯(cuò)”，不是普通芯片公司能做的，必須要求核心設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在數(shù)學(xué)，通信，芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上有同時(shí)的駕馭能力。所以即使純看設(shè)計(jì)，就很難聚集核心人才。

      在技術(shù)方面，工程師們通常會(huì)把技術(shù)創(chuàng)新分為兩大類：顛覆式創(chuàng)新及漸進(jìn)式創(chuàng)新，而制作基帶芯片需要有大量的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)累計(jì)，是一個(gè)積累式創(chuàng)新產(chǎn)品，一個(gè)基帶芯片的開發(fā)，一般只做增量開發(fā)，包括功能等，遵循“向下兼容，向上擴(kuò)容”的原則，這也是剛才提到的全球各地運(yùn)營(yíng)商及基站的差別所致，因此一個(gè)基帶芯片從一個(gè)基站移動(dòng)到另一個(gè)基站的過(guò)程中，會(huì)有一套復(fù)雜的算法流程，包括測(cè)量上報(bào)、信號(hào)質(zhì)量對(duì)比及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)判斷等，通過(guò)一系列計(jì)算后，基帶才會(huì)向手機(jī)下達(dá)切換及調(diào)用指令，4G往后，信號(hào)逐漸復(fù)雜，短距離之內(nèi)都可能有大量的終端設(shè)備，并且基站密度極大，高速、中速及低速移動(dòng)的用戶如何分層組網(wǎng)，并且完成覆蓋及抗干擾，能夠快速、穩(wěn)定準(zhǔn)確的進(jìn)行對(duì)接，這事非常復(fù)雜及困難的，且目前的5G產(chǎn)品，一個(gè)網(wǎng)元上的代碼量已經(jīng)非常龐大了，而網(wǎng)元中大部分代碼并不是全新開發(fā)的，而是對(duì)上一代進(jìn)行延用，所以5G基帶芯片的開發(fā)，難點(diǎn)不在于IC設(shè)計(jì)，甚至不在于基帶芯片本身，其實(shí)是2G、3G、4G大量通信協(xié)議的一個(gè)延用和補(bǔ)充，必須要對(duì)前一代基帶產(chǎn)品有深入了解和研究，才能開發(fā)出穩(wěn)定且符合要求的協(xié)議棧，根據(jù)和行業(yè)專家的溝通反饋，由于5G Modem協(xié)議棧需要向下兼容4G/3G/2G，以及不同的3G/4G制式，兼容需要不斷測(cè)試驗(yàn)證完善協(xié)議，導(dǎo)致開發(fā)周期非常長(zhǎng)，以年為單位。這一點(diǎn)也是大多數(shù)基帶開發(fā)廠商難以逾越的一條鴻溝。

       最后就是工程師方面，modem工程師職業(yè)方向分成兩個(gè)大的方向，一塊是偏底層驅(qū)動(dòng)，主要包括RF驅(qū)動(dòng)調(diào)試，modem功耗，modem子系統(tǒng)穩(wěn)定性等內(nèi)容。另外一個(gè)方向應(yīng)該偏上層應(yīng)用，例如多模制式下各種協(xié)議規(guī)范要熟悉，通信業(yè)務(wù)的基本處理流程從上層應(yīng)用到協(xié)議層的處理邏輯需要熟悉。這兩個(gè)方向?qū)嶋H上難度都非常大，需要花很多時(shí)間去學(xué)習(xí)和工作中要不斷總結(jié)才可以。因此要求工程師的知識(shí)面要寬，經(jīng)驗(yàn)也必須要豐富，這就對(duì)工程師的綜合素質(zhì)要求很大，在如今各大廠商都在爭(zhēng)先恐后的研發(fā)5G Modem芯片的時(shí)候，優(yōu)質(zhì)工程師的數(shù)量很明顯不夠，因此突破技術(shù)壁壘，解決技術(shù)難點(diǎn)依然是目前存在的問題。

       通過(guò)蘋果自研5G基帶芯片的案例我們看到了蘋果公司的決心，世界上還有很多像蘋果一樣立志于生產(chǎn)自研芯片的廠商，但路還很長(zhǎng)，但我們依然相信蘋果及各個(gè)公司能夠研制成功，至于時(shí)間問題，就讓我們拭目以待吧！