我還沒(méi)用上5G手機(jī)，不少人也說(shuō)“5G沒(méi)有用，4G就夠了。”5G就是手機(jī)應(yīng)用嗎？非也。

這里好有一比：4G就像高速路，5G就像高鐵，成本是高了，表面看只是縮短了通行時(shí)間，但時(shí)間就是效率，所有生產(chǎn)、生活，整個(gè)社會(huì)運(yùn)作效率成倍提升是什么概念？

▎5G用戶數(shù)全球之冠▎

年初，中國(guó)信通院發(fā)布的《2021年5G發(fā)展大事記》顯示，2021年我國(guó)5G手機(jī)出貨量達(dá)2.66億部，同比增長(zhǎng)63.5%，占同期手機(jī)出貨量的75.9%，遠(yuǎn)高于全球40.7%的平均水平。截至2021年11月末，移動(dòng)電話用戶總數(shù)達(dá)16.42億戶，其中5G手機(jī)終端連接數(shù)達(dá)4.97億戶。

全球同期手機(jī)出貨量是多少？目前沒(méi)有官方數(shù)據(jù)，按照中國(guó)信通院的數(shù)據(jù)計(jì)算得出3.3億部；而聯(lián)發(fā)科CEO蔡力行剛剛說(shuō)：2021年全球5G手機(jī)出貨量將突破5億部。不管怎樣，中國(guó)5G用戶數(shù)量都在穩(wěn)步攀升。

GSMA也預(yù)測(cè)，到2025年，中國(guó)將擁有8.58億5G連接數(shù)，這一規(guī)模將占到全球總數(shù)的將近50%。隨著5G、AI（人工智能）、物聯(lián)網(wǎng)向智能化發(fā)展，預(yù)計(jì)2025年半導(dǎo)體銷(xiāo)售將達(dá)8100億美元，不過(guò)，2020年到現(xiàn)在，由于疫情等原因出現(xiàn)供應(yīng)鏈斷裂，各行各業(yè)都出現(xiàn)了缺芯情況。

在2021年第十六屆“中國(guó)芯”集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)的“芯片牽引創(chuàng)新發(fā)展論壇”上，幾家從事通信芯片研發(fā)生產(chǎn)的廠商分享了5G芯片行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和技術(shù)挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略。

▎5G芯片設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)越來(lái)越多▎

中興微電子SoC芯片總監(jiān)鄒飛從四個(gè)方面分析了5G芯片行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)挑戰(zhàn)。他表示，5G給我們帶來(lái)的東西很多：eMMB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）能夠大幅提高帶寬、降低延時(shí)；URLLC（超可靠低延遲通信）、mMTC（海量機(jī)器類(lèi)通信）的服務(wù)場(chǎng)景不盡相同，比如4K流量需求非常大，無(wú)人駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無(wú)人機(jī)對(duì)延時(shí)又有非常高的要求。4G時(shí)代以前是10微秒，5G可以降到1毫秒，這就是巨大的提升。

他認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)5G要面臨處理能力的挑戰(zhàn)，包括基帶、中頻、射頻，能力提升了數(shù)倍，功耗是急需解決的問(wèn)題。因此，5G網(wǎng)絡(luò)芯片要求提升性能，同時(shí)要降低功耗，需要采用新的工藝來(lái)解決。

實(shí)現(xiàn)5G芯片的技術(shù)挑戰(zhàn)包括高性能DMT（離散多頻音調(diào)制）、高帶寬、傳統(tǒng)HBM 3D內(nèi)存接口演化，SerDes（串行器解串器）速率也在從28Gbps提升到56Gbps……功耗從以前的幾十瓦到現(xiàn)在的數(shù)百瓦，以前是幾個(gè)、十幾個(gè)模塊，現(xiàn)在都是幾十、上百個(gè)模塊；IO數(shù)進(jìn)一步增加，芯片測(cè)試方案復(fù)雜度成倍增大，測(cè)試成本也越來(lái)越高；工藝從幾年前的16納米演進(jìn)到現(xiàn)在的7納米、5納米。

5G芯片中需要用的關(guān)鍵IP如高速SerDes、高速ADC/DAC，以前都是采購(gòu)國(guó)外的，現(xiàn)在需要自研，包括高性能DSP、中高性能CPU等。另外，架構(gòu)互聯(lián)、異構(gòu)、合理的軟硬件劃分，國(guó)內(nèi)廠商也在創(chuàng)新。

鄒飛指出，在低功耗技術(shù)方面，如果沒(méi)有10年20年的積累，很難有自己的全流程IP，特別是大規(guī)模芯片，不采取措施功耗是沒(méi)法接受的。另外就是物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)，像大芯片布局技術(shù)的物理實(shí)現(xiàn)非常重要。

在IP選型方面，從市面上的CPU中選到符合需求的IP也非常關(guān)鍵。中興微有一套評(píng)估體系和內(nèi)部搭建的ESL（電子系統(tǒng)級(jí)）平臺(tái)，可以根據(jù)價(jià)格需求、平臺(tái)軟件導(dǎo)入ESL模型，分析架構(gòu)能否滿足用戶需求，怎樣做到更優(yōu)化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，這對(duì)芯片設(shè)計(jì)非常重要。

低功耗技術(shù)包括優(yōu)化系統(tǒng)和架構(gòu)，包括AVS（自適應(yīng)電壓調(diào)整）計(jì)算、在不同工藝上采用不同電壓，從而降低功耗。另外，針對(duì)mesh（無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)）區(qū)主頻較高、功耗較大的情況，需要融合兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)降低芯片功耗。

物理實(shí)現(xiàn)方面，利用HyperScale（超大規(guī)模）芯片時(shí)序收斂技術(shù)解決傳統(tǒng)收斂方式代價(jià)非常大、時(shí)間非常長(zhǎng)的問(wèn)題，而且不需要導(dǎo)入很細(xì)致的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行收斂，極大地提升迭代速度。

鄒飛還特別展望了后摩爾時(shí)代的芯片趨勢(shì)，包括開(kāi)源指令、可重構(gòu)、存算一體化。中興微對(duì)開(kāi)源指令也做了很多嘗試，和客戶一起開(kāi)發(fā)開(kāi)源處理器；可重構(gòu)計(jì)算方面，也在做一些方案設(shè)計(jì)，但還沒(méi)到商業(yè)化或IP的程度。

他認(rèn)為，2D到3D封裝將呈大規(guī)模爆發(fā)趨勢(shì)，中興微也有自己的積累，CPU產(chǎn)品采用了3D封裝，也有一些成熟的IP應(yīng)用。3D封裝存儲(chǔ)用得比較多，主要是打孔（TSV）代價(jià)比較高，所以目前在數(shù)字芯片方面用的還比較少。

▎5G射頻前端的集成度與日俱增▎

慧智微電子技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理陳澤巖介紹了5G射頻前端的進(jìn)展。他認(rèn)為，發(fā)展趨勢(shì)是集成化的快速演進(jìn)。

射頻前端模塊由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器（LNA）、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)等組成。5G射頻前端的特點(diǎn)在于，通信系統(tǒng)的基帶處理器、收發(fā)機(jī)主要采用石墨烯技術(shù)，使用了很多特殊工藝，包括PA、濾波器和開(kāi)關(guān)。

PA、濾波器的主流工藝是砷化鎵，LNA和開(kāi)關(guān)以SOI（絕緣體上硅）為主。因?yàn)榘雽?dǎo)體工藝不同，很難做集成，所以通常射頻前端會(huì)獨(dú)立出來(lái)一個(gè)大的模塊。

2019年到2026年，射頻前端市場(chǎng)將有接近三倍的增長(zhǎng)，手機(jī)存量市場(chǎng)基本不變，但射頻前端的強(qiáng)勁增長(zhǎng)主要是5G的貢獻(xiàn)。不過(guò)，濾波器的增長(zhǎng)有所減少，這與集成化有很大關(guān)系，很多發(fā)射和接收濾波器和PA和LNA集成在一起，形成高集成度模組，所以模組增長(zhǎng)非常快。5G的新增模組數(shù)量比4G翻了兩到三倍。

在5G的很多應(yīng)用場(chǎng)景中，主要的手機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景是eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶），數(shù)據(jù)速率可能成十倍、二十倍增加，因此引入了一些技術(shù)來(lái)支持高速數(shù)據(jù)需求。首先是新增頻段，如n77、78、79頻段，頻率更高，帶寬更大，通信速率進(jìn)一步提升。

5G還引入了非常重要的功能，即MIMO（多進(jìn)多出），針對(duì)現(xiàn)在的手機(jī)應(yīng)用，特別是非常火的直播，改變了之前下載為主的使用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)下沉。4G一個(gè)頻段一路發(fā)射，5G增加到兩路發(fā)射，相應(yīng)的射頻通路模塊也在增加，以保證直播下沉的速率需求。同時(shí)，下載速率也在進(jìn)一步提升，從4G接收到5G同時(shí)發(fā)射和接收，未來(lái)還會(huì)有更多融合，這些都將將使5G射頻前端快速增長(zhǎng)。

回顧5G射頻前端發(fā)展歷程，2G平臺(tái)非常分散，3G慢慢收斂，4G進(jìn)一步收斂，高通、聯(lián)發(fā)科等主流手機(jī)平臺(tái)廠商構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)。從2014年開(kāi)始，射頻方案的定義基本上是“兩年一個(gè)大節(jié)點(diǎn)”，2016年4G方案進(jìn)入Phase 6，走向集成化模組；2018年提出5G射頻方案，2021年推出了一系列產(chǎn)品。

從發(fā)展脈絡(luò)看，Phase 2是非常經(jīng)典的4G方案，兩個(gè)模組就組成了完整的4G發(fā)射方案，濾波器還是分立式，手機(jī)需要什么頻段就用什么濾波器。國(guó)產(chǎn)Phase 2做得非常不錯(cuò)，和國(guó)外幾大廠商相差不大，所以慢慢實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代，這方面的產(chǎn)品2017年、2019年都獲得了“中國(guó)芯”獎(jiǎng)。

現(xiàn)在，國(guó)際廠商也在構(gòu)建新的壁壘，像高通和TDK的合資企業(yè)RF360也具備濾波器生產(chǎn)能力，并定義了Phase 6產(chǎn)品形態(tài)，將PA、濾波器和開(kāi)關(guān)集成在一起，形成高集成化模組解決方案。不過(guò)，因?yàn)檎麄€(gè)方案成本比較高，所以只在中高端手機(jī)中使用，中低端手機(jī)還是以Phase 2方案為主。

5G Phase 6到Phase 7階段引入了新的頻段，3000Hz以上的方案直接采用高集成度模組，國(guó)產(chǎn)方案也將PA、濾波器和開(kāi)關(guān)集成在一起，獲得了“中國(guó)芯”重大創(chuàng)新突破獎(jiǎng)，與國(guó)際廠商齊頭并進(jìn)。

現(xiàn)在的Phase 7LE階段，以前是兩路接收，現(xiàn)在是雙頻四路，集成度越來(lái)越高，由于這種濾波器目前主要是LTCC（低溫共燒結(jié)陶瓷）為主，國(guó)內(nèi)廠商也在加快追趕。

關(guān)于未來(lái)趨勢(shì)，陳澤巖表示，5G設(shè)備器件數(shù)量呈2-3倍增長(zhǎng)，手機(jī)中電池、攝像頭都在擠占空間，所以高集成化依然是未來(lái)幾年的趨勢(shì)。高集成度模組方案首先是提升鏈路效率，目前已有自主可控的創(chuàng)新；另外，5G芯片在非常小的空間中有很多MIMO，eMTC（基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)）和CA（載波聚合），都會(huì)影響芯片中鏈路的信號(hào)接收，需要構(gòu)建強(qiáng)大的多器件平臺(tái)，以保證信號(hào)質(zhì)量。

在濾波器部分，國(guó)外廠商構(gòu)建了專(zhuān)利壁壘，快速發(fā)展中的國(guó)內(nèi)濾波器在提高集成化時(shí)既要實(shí)現(xiàn)高帶寬、高性能、高功率，還要做到小尺寸，有一定挑戰(zhàn)。

PA、LNA、開(kāi)關(guān)濾波器的集成主要是靠封裝工藝的演進(jìn)，目前主要是用SMT工藝節(jié)省更多面積，也包括主要針對(duì)濾波器的3D封裝技術(shù)。這些集成技術(shù)需要有國(guó)內(nèi)上下游廠商的密切合作。