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SOC芯片集成5G基带有多难?德州仪器、博通都黄了

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SOC芯片集成5G基带有多难?德州仪器、博通都黄了

5G开始商用后,终端大厂高通、华为和三星迅速将竞争的焦点,从谁最先推出5G基带芯片,切换到谁最先将5G基带芯片集成到SOC芯片内。大佬们争相在集成5G基带上发力硬刚,只因为这是一个实力秀肌肉的点。我们都知道苹果在CPU设计上的水平非常高,那为何苹果还没有搞定5G基带芯片呢?

SOC芯片集成5G基带有多难?德州仪器、博通都黄了,全球仅5家厂商

 

首先,什么是基带芯片呢?

基带又被称为Modem,调制解调器,对,就是你十几年前上网用的那种Modem。只不过手机Modem面对的是无线电信号,而电脑Modem面对的是电话线上的信号。它的作用是把CPU收发的0和1的数据流,与可以在空中传播的无线电信号之间互相转换。当然,基带和天线之间还有射频电路和AD/DA(模数/数模转换)电路。

电脑CPU所收发的0和1的数据流是使用高低电平来表示的,这种数字化的方波是不适合当作无线电信号来收发的,这是大学电子工程系本科一年级的课程,这里不再深入介绍。所以必须要有基带和射频电路来转换。

基带的功能既可以做成独立的芯片,就如苹果手机那样,CPU外挂基带芯片;也可以集成进手机CPU中,就像高通和华为的麒麟CPU。

那么,基带芯片为什么这么难做,以至于苹果公司都设计不出来?

基带芯片的设计,涉及两方面的知识,一个是半导体芯片设计的知识,一个是移动通讯标准空中接口的底层知识,而这两方面的知识必须紧密结合才能把基带芯片设计得高效。

对于苹果公司而言,半导体芯片设计是它的强项,基带芯片所做的运算通常类似于数字信号处理器DSP,集中在一些密集的数学运算,比如卷积,离散傅里叶变换等。事实上,和CPU领域有ARM公司授权内核一样,DSP芯片领域也有许多公司提供IP core设计授权,比如TI公司。所以,设计出基带芯片的硬件,对很多公司来讲问题都不大。

然而,基带处理的另一部分知识,则是苹果公司所欠缺的,也是很多半导体企业都搞不定的。移动通讯标准的空中接口,是传统通讯企业和运营商的强项,由3GPP这个组织来定义。从2G,3G,4G到5G,在3GPP组织中,高通一直是最活跃的公司。华为已经赶了上来,三星,诺基亚,爱立信也各占一方地盘。而伴随基带芯片的,就是通讯标准基础专利(SEP,Standard Essential Patent)。

在这一领域,高通是当仁不让的霸主,每年强制向手机企业收取巨额专利费,通常是占手机销售价格的一个固定的百分比,基本上在5%以上,有的高达10%。这种做法合理吗?未必。比如说一部手机的低配版有64GB闪存,高配版有128GB闪存,其他所有配置都一样,而价格涨了500元。这500元的差价和通讯标准一点关系都没有,纯粹是闪存容量增大带来的,然而,这笔钱的5%以上也要交“高通税”。这种霸道的做法惹怒了很多手机制造企业,比如我国的魅族,在几年前一直使用三星的CPU而不买高通的CPU,就是这个原因。而苹果与高通公司打专利官司,使用英特尔的基带而抛弃高通的基带,也是因为这个原因。

在5G标准颁布之后,华为,诺基亚和爱立信,都像高通一样宣布要对自己掌握的标准基础专利收费,实际上,它们更偏向于拿这个作为与高通讨价还价的筹码,是一种防御姿态。

因此,基带芯片的难做是必然的了。

基带芯片有多难做?英伟达、德州仪器、博通都黄了

在十几年前,有很多著名的芯片公司都销售智能手机CPU,最后都退出了这个市场,其中很重要的一个原因就是它们在基带芯片的开发上跟不上潮流,4G LTE基带就是一个门槛。这些失败的公司包括:TI(德州仪器),Marvell,NVidia(对,就是那个显卡霸主),Freescale (飞思卡尔), Broadcom(博通),ADI…等

甚至连诺基亚也没有成功。笔者曾经有一个朋友在芬兰Oulu的诺基亚手机芯片部门工作,研发4G LTE基带芯片,在诺基亚将手机部门卖给微软的时候,他们也没有进展,结果在2010年,当时的诺基亚西门子公司将这个部门卖给了日本瑞萨公司(Renesas)。然后又过了三年,他们还是没有什么进展,于是在2013年日本瑞萨公司将这个部门卖给了美国博通公司(Broadcom),又过了一年,还是没有进展,博通公司就把这个部门解散了,彻底放弃4G基带。

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由此可见,基带的研发不是随便一个半导体企业就能做的,需要长期持之以恒的投入。

那么,让苹果无可奈何的英特尔是什么水平呢?英特尔的芯片设计能力毋庸置疑,说是世界第一也不为过,但是,也被卡在了5G基带上。事实上,早在几年前,英特尔整合了来自台湾威盛电子(VIA),英飞凌(Infineon)以及欧洲意法半导体(ST)的技术,推出了兼容2G/3G/4G的基带芯片,就是现在苹果Iphone上用的那些,在性能上仍然落后于高通公司的基带芯片。以至于苹果为了保证手机性能的一致性,人为地阉割了高通基带的部分性能。

在2018年中,据美国科技媒体报道,英特尔为了开发5G基带,投入了约1000名工程师,而高通公司的5G基带团队只有约二三百人规模。这也显示了基带芯片的研发需要投入多大力量。高通公司以通讯标准为生,有几千人的工程师专门做通讯标准,所以只需要二三百人做芯片设计就行,而英特尔什么都要从头做,一千人都无法及时搞定5G基带。

5G手机基带芯片厂商屈指可数

5G芯片之所以复杂,就是因为需要兼容以往的所有频段和制式。在4G时代,大家常听到的就是“五模十七频”,如果要支持中国电信的3G网络,那就是“六模全网通”。而到了5G时代,就需要增加到“七模全网通”,5G芯片的复杂度可见一斑。因此,在5G时代,能够推出5G手机基带芯片的厂商屈指可数,只有华为/联发科/高通/展讯/三星五家。

5G网络通讯作为世界通讯史上的一个关键节点,同时也是新旧厂商、新旧技术转变的重要节点,再过五年回头来看,通讯格局包括手机品牌格局的大转换在2019年已经开始了,而且还有了较为明显的趋势!

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据公开资料显示,2018年我国芯片进口额突破2万亿元,这在一定程度上正敲醒中国手机厂商的警钟。在产业各方都在积极努力下调进口力度的情况下,虽然困难重重,但有了这些新的参与者,我国5G的话语权已经越来越重。5G是舆论场的宠儿,可以预见处于生态链上的每一个环节,都不愿错过这波红利。