那些年，各大廠商都“追”過的5G Modem芯片

那些年，各大廠商都“追”過的5G Modem芯片

近日，一條大消息幾乎是占據了各大網站的頭條：蘋果公司在多次嘗試完善自研5G調制解調器(Modem)芯片失敗后，決定停止開發該芯片。從去年開始，蘋果曾多次對5G調制解調器(Modem)芯片進行嘗試及研發，但都以失敗告終，因此蘋果公司決定及時止損，正在減少對該項目的投資，并會選擇結束這個持續多年的投資項目。

其實外界對于蘋果自研5G調制芯片的態度大多是樂觀的，并認為蘋果最終會取代高通的產品，因為為了自主研發5G Modem芯片，蘋果已招募數千名工程師。2019年蘋果收購了Intel智能手機Modem業務的大部分，因而蘋果高管還設定了一個目標，即在2023年推出自己的5G相關解調器芯片產品。甚至連高通都已經做好“說再見”的準備了，但經過蘋果多次嘗試改進，仍無法解決一些關鍵的技術問題，包括信號穩定性、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目。

根據消息人士的消息，總結起來蘋果自研的5G Modem主要存在兩個難題：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中斷現有功能。二是開發芯片過程中，需要繞過高通的一些專利。但也有消息稱，蘋果并未完全放棄開發，而是轉去開發6G，畢竟相關崗位正在招聘，不管消息是真是假，基帶總是繞不開的話題，早在2019年初，AP芯片供應商高通、聯發科、英特爾、海思、三星電子、展訊等近期推出的手機芯片解決方案均支持5G Modem，為5G手機到來做好準備。

（圖來源于網絡，如侵權刪）

       那么Modem芯片研發到底難在哪里？以至于連蘋果公司這樣的頂級開發公司都無可奈何？在多種因素的共同推動下，5G基帶芯片市場將會迎來更加廣闊而穩健的發展。未來5-10年內，行業將處于快速發展時期，5G基帶芯片市場將會快速擴大。

2019-2025年全球5G芯片市場規模及預測（圖源前瞻產業研究院）

       而自研基帶芯片要比自研手機AP難的更多，因為對于手機AP，只考慮手機需要的操作系統即可。而基帶芯片，則要兼容不同標準的運營商。而研發5G基帶芯片就更難了，這不僅僅只是兼容不同5G運營商這么簡單的事了，還需要突破層層難關，攻克層層壁壘，

       首先5G技術專利就是第一只攔路虎，現在4G逐漸成為過去時，5G基帶芯片逐漸成為主流。但5G專利就成為了一個難題，也成為了兵家必爭之地。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擁有5G基帶芯片的公司。有人會說，專利這東西不重要，花點錢，把別人的東西拿過來縫縫補補就行了。

       其實不然，抄別人的作業的人永遠比不上自己寫作業的人，研究基帶芯片也一樣，因為自己研發出來的5G基帶芯片，掌握的是方法，有了方法，無論從理論到實踐，都可以循序漸進，水到渠成，而沒有專利的公司，盲目抄作業，沒有方法，更不能理解，就算是破解技術和逐漸學習也要花費很大的人力物力及時間，要讓這些公司自己做5G基帶芯片，就更難了，更何況5G的專利費也不便宜，高通按照手機的售價來收，使用了核心必要專利的話是售價的3.25%，如果使用了核心+非核心的話多模5G手機，則按5%的比例收取，手機售價上限為400美元，超過也按400美元收，也就是最多收20美元。而華為4G和5G手機的授權費率，上限分別為每臺1.5美元和2.5美元。愛立信方面，則是根據手機售價不同，專利費用在2.5美元到5美元之間。諾基亞則是每臺5G手機，收費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品，也需要支付高昂的專利費用，就算是財大氣粗的公司，要系統地理解和應用這些專利技術才是最大難題。雖然華為等公司在5G技術方面取得了一定的突破，但總體來說，目前全球5G技術專利還比較分散，缺乏核心專利技術的掌握。這使得5G芯片的研發和生產面臨一定的專利風險和成本壓力。

       第二個門檻則是剛才提到的兼容性問題，基帶應用于手機，而手機需要接入網絡，就需要同時考慮到兼容其他的網絡制式。以中國為例，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，這些一個都不能少，才能算是一個合格的手機使用的5G基帶。并且開發芯片的公司需要應對不同國家和地區的網絡環境和應用場景，但由于不同國家和地區所采用的5G頻段和網絡架構不同，因此需要5G芯片具備靈活的可配置性和適應性，能夠應對不同國家和地區的網絡環境和應用場景，若想現在參與5G基帶芯片的研發，就需要全面兼容各大運營商，同一款手機既要支持所有運營商的標準，又要兼容各大廠商的5G標準，因此研發5G基帶芯片還面臨著與不同制式和標準的5G運營商之間的聯調聯試困難。對于手機AP來說，除了自身過硬以外，基站的建立也是一個難題，建立一個5G基站，需要考慮高頻信號傳輸的難度問題，5G網絡使用的高頻段信號具有傳輸距離短，穿透力弱的特點，需要大量的基站進行覆蓋，而且每座基站的建設成本也很高?；灸芎膯栴}也需要解決，5G基站需要更多的天線和設備，因此能耗也更高，如何降低基站的能耗成為了一個難點。并且建立基站并不是一件小事，它的建設周期非常長，從施工方案，設備安裝等方面入手，需要準備的周期較長，并且建設所需成本較大。這幾件事加起來，就可以勸退大部分廠商了。

       芯片復雜度問題一直難以突破，5G基帶研發的技術難度極高。相較于3G、4G技術，5G技術需要處理更大的網絡容量、更低的延遲和更高的數據傳輸速率，這使得基帶芯片的設計難度大大增加，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據速率說起，一些公司在5G Modem做了一些產品，基帶復雜度有增加的趨勢。但在NSA的組網環境，技術的共存增加了芯片的負擔。NR使用了高頻段，本質上有很多短板，為了彌補這些覆蓋的問題，必須要有一些先進的Modem技術來解決。功耗、面積和性能折衷，特別在LTE后期，就會面臨越來越大的挑戰，怎么做好這三者關系的平衡。如何設計一個modem，能夠兼容一個多樣化的需求，慢慢的形成手機AP設計的挑戰，通常一款基帶芯片的研發時間是2-3年，如果要壓縮這個周期，就意味著要投入更多的人力，預研的時間也更長。目前，量產的5G基帶芯片已經有高通、華為和三星三家，意思就是說從標準協議出來半年后，芯片已經商用。這么短的時間這么能保證芯片的質量，這就需要芯片廠商不得不很早就啟動項目，投錢投人，還要緊跟3GPP組織的腳步。

       除此之外，現在的基帶芯片除了處理能力超強，功耗還要低，制造工藝基本都圍繞著7nm，支持的網絡模式在原有的7?；A上還要加上NR，網絡多元化也讓芯片設計復雜度明顯增加?；鶐酒纳漕l部分復雜度更是提高不少，除了要支持5G新加入的29個頻段，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，這些都是以前沒有處理過的技術，且基帶芯片用來處理底層物理信號，最困難的在于其龐雜的數學體系，工程化后主體即是“信道編解碼”再加“糾錯”，不是普通芯片公司能做的，必須要求核心設計團隊在數學，通信，芯片設計與實現上有同時的駕馭能力。所以即使純看設計，就很難聚集核心人才。

      在技術方面，工程師們通常會把技術創新分為兩大類：顛覆式創新及漸進式創新，而制作基帶芯片需要有大量的經驗及技術累計，是一個積累式創新產品，一個基帶芯片的開發，一般只做增量開發，包括功能等，遵循“向下兼容，向上擴容”的原則，這也是剛才提到的全球各地運營商及基站的差別所致，因此一個基帶芯片從一個基站移動到另一個基站的過程中，會有一套復雜的算法流程，包括測量上報、信號質量對比及網絡系統判斷等，通過一系列計算后，基帶才會向手機下達切換及調用指令，4G往后，信號逐漸復雜，短距離之內都可能有大量的終端設備，并且基站密度極大，高速、中速及低速移動的用戶如何分層組網，并且完成覆蓋及抗干擾，能夠快速、穩定準確的進行對接，這事非常復雜及困難的，且目前的5G產品，一個網元上的代碼量已經非常龐大了，而網元中大部分代碼并不是全新開發的，而是對上一代進行延用，所以5G基帶芯片的開發，難點不在于IC設計，甚至不在于基帶芯片本身，其實是2G、3G、4G大量通信協議的一個延用和補充，必須要對前一代基帶產品有深入了解和研究，才能開發出穩定且符合要求的協議棧，根據和行業專家的溝通反饋，由于5G Modem協議棧需要向下兼容4G/3G/2G，以及不同的3G/4G制式，兼容需要不斷測試驗證完善協議，導致開發周期非常長，以年為單位。這一點也是大多數基帶開發廠商難以逾越的一條鴻溝。

       最后就是工程師方面，modem工程師職業方向分成兩個大的方向，一塊是偏底層驅動，主要包括RF驅動調試，modem功耗，modem子系統穩定性等內容。另外一個方向應該偏上層應用，例如多模制式下各種協議規范要熟悉，通信業務的基本處理流程從上層應用到協議層的處理邏輯需要熟悉。這兩個方向實際上難度都非常大，需要花很多時間去學習和工作中要不斷總結才可以。因此要求工程師的知識面要寬，經驗也必須要豐富，這就對工程師的綜合素質要求很大，在如今各大廠商都在爭先恐后的研發5G Modem芯片的時候，優質工程師的數量很明顯不夠，因此突破技術壁壘，解決技術難點依然是目前存在的問題。

       通過蘋果自研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自研芯片的廠商，但路還很長，但我們依然相信蘋果及各個公司能夠研制成功，至于時間問題，就讓我們拭目以待吧！