现在,为什么只有华为麒麟990 5G一款真正的双模5G旗舰SoC?

随着基于三星Exynos 980、高通骁龙765G等芯片的智能手机陆续发布,各家终端芯片厂商在5G方面的表现也逐渐清楚了。如果对各家产品比较了解的话,那么大家肯定会惊讶地发现:到目前为止,只有麒麟990 5G一款芯片算得上真正的双模5G旗舰SoC,而竞争对手实际开售的产品要么定位中端,要么就是独立基带,为什么会出现这种情况呢?

双模5G全面铺开

要解答这个问题,首先要弄清楚为什么必须做双模5G。智能手机需要接入移动网络才能使用,那么芯片的制式就必须配合运营商网络。2019年10月31日,国内三大运营商同时宣布5G商用。在2019年末、2020年初这个时间点,我们终于看到了中国5G网络全面铺开的趋势,同时也对接下来5G网络终端应该具备的素质有了一个全面的了解。

虽然国内5G网络建设是以非独立组网(NSA)的方式起步,但是三大运营商均将独立组网(SA)作为了5G网络建设的主要模式,即便是初期以非独立组网模式建设的5G网络,也会逐步过渡到独立组网。非独立组网只能承载增强型移动宽带(eMBB)类应用,低时延高可靠(URLLC)和海量机器类通信(mMTC)类应用必须要拥有5G核心网的独立组网模式才能实现。

在这种情况下,2020年运营商将会全面推进5G独立组网,智能手机支持NSA/SA双模5G成为必需。如果说2019年初期试水的智能手机还可以用NSA单模5G(最典型的就是大量基于高通X50外挂基带的单模5G手机)抢个鲜,那么随着2020年的到来,这条路已经行不通了。

看看各大终端芯片厂商的最新产品吧。华为在2019年9月率先推出了支持NSA/SA双模5G和TDD/FDD全频段的麒麟990 5G旗舰SoC,这是业界首个全网通5G SoC,5G NR下行峰值速率达2.3Gbps,上行峰值速率达1.25Gbps,同时还支持5G双卡。

随后三星推出了Exynos 990和Exynos 980,可惜作为旗舰的Exynos 990需要外挂Exynos Modem 5123芯片才能支持双模5G,而原生支持双模5G的整合SoC Exynos 980采用的是2大核+6小核的配置,属于标准的中端芯片。

联发科在5G双模上的动作倒是不慢,先是推出了主流定位的M70,之后在2019年11月底又发布了旗舰级别的天玑1000。联发科算是到目前为止唯一发布两款双模5G SoC的厂商,可惜市面上还没有一款基于其5G芯片的智能手机发布,估计最快也要等到2020年第一季度才会大量铺货了。

其实相对来说最让人失望的是反而是高通,曾经移动终端芯片领域的霸主,在5G技术上的反应相当缓慢。先是用骁龙X50单模基带制造了一批“小白鼠”,之后一直拖到了2019年12月初,才正式发布了自己的双模5G产品,其中旗舰芯片高通骁龙865需要搭配外挂骁龙X55基带使用,采用整合芯片设计的只有高通骁龙765/765G这样的中端芯片。目前基于高通方案打造的双模5G智能手机只有采用高通骁龙765G中端芯片的红米K30一款产品,并且实际开售时间要等到2020年1月份去了。

不仅是时间进度的问题,在通信性能方面,目前麒麟990 5G也领先于其他芯片方案。2019年11月15日,中国移动发布了《中国移动2019智能硬件质量报告(第二期)》。其中的5G芯片评测结果显示,麒麟990 5G在5G多天线吞吐量性能、典型场景功耗性能、芯片弱覆盖性能测试中,均斩获最优星级评价,位列第一。

有人可能会觉得奇怪:麒麟990 5G的峰值下载速率“只有”2.3Gbps,而高通骁龙X55基带的峰值速率高达7.5Gbps,即便是X50基带的峰值速率也有5Gbps,为什么运营商对麒麟990 5G的评价反而更高呢?其实即便不考虑功耗、稳定性、性能等因素,仅就峰值速率这一个指标,高通骁龙X55的所谓峰值速率实际上也并没有什么实质意义,因为该速度是基于毫米波和800MHz频宽实现的,而非绝大多数5G运营商所采用的Sub-6GHz频率。这也就意味着,其标称的7.5Gbps的峰值速率,国内用户短期内是用不上的。

其实,每次谈到5G网络,总是绕不开Sub-6GHz和mmWave毫米波的话题。之前高通在技术大会上就特别强调了毫米波,这也成为很多人认为麒麟990 5G不完善的一个原因。其实在零镜网看来,对于毫米波的问题,麒麟990 5G并非不能支持,只是不想支持而已。华为早在2013年就展示过毫米波峰值速率高达115Gbps的技术,你觉得连毫米波基站都没问题的华为,会造不出支持毫米波的终端芯片吗?但是为什么不支持呢?因为除了美国因为军方大量占用Sub-6GHz频段使得运营商不得不建设毫米波5G网络之外,只要是思维正常的运营商,目前都不会将毫米波作为大范围覆盖的5G网络解决方案。毫米波技术确实在低延迟、大带宽方面有优势,但是极差的穿透性、非常小的覆盖范围以及较高的功耗决定了,它只能用于固定点覆盖的工业互联网领域,智能手机使用的可能性极低。

毫米波的波长通常只有1至10毫米,因此不仅覆盖距离短,而且传输过程中信号衰耗大,非常容易受障碍物阻挡,所谓的障碍物甚至包括雨滴和大的颗粒物。此前在高通的 5G展示中,只需要用手挡在信号发射器与手机模型之间,就能够让毫米波的传输速率直线下降。而与现行4G网络相差不大的Sub-6GHz频段,相对来说覆盖范围更广,穿透能力也更强。这也就意味着,要覆盖同样面积的区域,采用Sub-6GHz频段所需要的基站数量将会远小于毫米波频段。

整合才是王道

关于5G SoC的另一个讨论热点是“整合”,也就是基带是否应该被整合在一起。在过去“整合优于外挂”的观点是主流,记得当年麒麟950因为技术专利的问题不得不搭配外挂CDMA基带,曾经被各路专家批得体无完肤,直到麒麟960出来才算解决问题。但是到了4年后的今天,市面上突然又出现了一波“外挂可以保证性能发挥”的评论。对于这种情况,零镜网只能说:奇葩年年有,今年特别多!

“外挂”党们拿出来的例子是PC上的显卡,独立显卡的性能均优于集成显卡,所以“外挂可以保证性能发挥”。这种类比明显混淆了概念,因为PC和手机完全是两种不同的产品形态,PC首先要保证性能,功耗和发热并非最核心的指标,显卡TDP功耗超过100W的比比皆是。但是手机不同,因为内部空间更紧凑、散热难度更大、续航要求更高,所以功耗和发热是智能手机的生命线。“整合”可以缩小芯片面积、控制系统功耗,同工艺、同代次下“整合优于外挂”几乎就是绝对的真理。

至于为什么忽然又有人提倡外挂独立基带,原因很简单:目前高通和三星推出的新一代旗舰芯片骁龙865和Exynos 990都需要搭配独立基带使用,没能实现全面整合。而骁龙865恰恰是除了华为系之外,几乎所有智能手机厂商旗舰机型的必然也是唯一选择。相信在联发科天玑1000芯片全面发售之前,这种情况几乎不可能改变。那么在这种情况下,如果不洗白一下外挂基带,后面发布旗舰机型的时候又该怎么操作呢?2019年10月底的时候,OPPO副总裁沈义人甚至因为推荐整合基带SoC和NSA/SA双模而不得不清空自己的微博,可见“外挂”与“整合”的讨论并不是技术问题,而是商业问题。

那么,为什么高通、三星不采用整合SoC设计来做旗舰芯片呢?在目前的工艺阶段,零镜网认为,不是他们实现不了,而是成本太高、难度太大,不具备量产价值。每一颗芯片都是一个功耗受限的容器,只有把握好Modem和AP性能功耗的平衡,控制好所有模块的功耗上限,才能实现全面整合。5G芯片集成度更高,对工艺的要求也更高,考验的是芯片厂商全方位的实力。

以麒麟990 5G为例,为了实现全面整合,首先它采用了业界最先进的工艺制程,这是需要向台积电支付大量成本的;其次它没有在5G基带中加入对毫米波的支持,这意味着在基带部分的晶体管规模和设计复杂度得到降低。最终打造出的麒麟990 5G SoC依然拥有103亿个晶体管,是目前晶体管数最多、功能最完整、复杂度最高的5G SoC。当然,整合的好处也显而易见:板级面积相比业界其他分离5G方案小36%,功耗降低20%。

如果没有能力全部做好,又不想在5G SoC上掉队,那么就只能在Modem或者AP上做取舍。因为目前双模5G已经成为刚需,高通、三星等厂商又需要为了保住美国市场而强行支持毫米波技术,那么就只能采用保Modem、舍AP的做法,在中端芯片上采用全整合SoC,而在旗舰芯片上采用外挂独立基带的方式。高通骁龙765G/765和三星Exynos 980,就是这种做法的产物。

先进工艺是实现的基础

既然可以通过提升工艺来控制总体功耗,从而实现全整合,那么有些厂商为什么不直接采用最先进的制程工艺来生产呢?很简单,在半导体制造领域,每一次制造工艺的升级对应的都是海量的真金白银。以制造半导体芯片必须的光刻机为例,荷兰AMSL一台7nm+EUV工艺光刻机的售价高达1.2亿欧元,不还价还得提前订购、排队购买。

作为全球领先的半导体代工企业,台积电为了升级5nm制程,已经计划砸下高达250亿美元的资金。这些资金,都是需要从每一颗芯片的代工成本中摊销的。如今在半导体代工领域,台积电是公认技术最强的,占据了52.7%的市场份额(2019年Q4预测),而排名第二的三星只占有17.8%的市场份额,已经不在同一个层面了,这背后正是台积电每年高达百亿美元的投资。

不只是制造成本,为了充分发挥出新制程工艺的价值,芯片厂商还需要从设计阶段就投入资金进行技术储备,这是一个漫长而昂贵的过程。麒麟990 5G之所以能够抢先应用7nm+EUV工艺,是因为华为从2014年就开始进行EUV技术的储备,联合合作伙伴共同研发并推动EUV技术成熟。为了实现7nm+EUV工艺的稳定量产,麒麟990 5G在研发和试制过程也花费了大量的成本。

其实在移动芯片领域,麒麟一直都是先进半导体工艺的引领者。大家回顾一下可以知道,麒麟950是业界首个采用16nm FinFET工艺的,麒麟970是首个商用10nm工艺的,去年的麒麟980是首个商用7nm工艺的,麒麟990 5G又是首个商用7nm+EUV工艺的。而最新的新闻显示,华为和苹果又将是台积电5nm、3nm工艺的第一批使用者。

先进工艺能够带来性能和能效的提升,这个道理是显而易见的。但是为什么有些芯片厂商不愿意采用最新的工艺呢?归根到底还是一个“钱”字。高通产品管理高级副总裁Keith Kressin在接受采访时曾表示:“在为每一款芯片选择代工厂时,高通都会综合考虑多种因素,包括功耗、封装尺寸等技术参数的考量,也包括商业上的考虑,比如说晶圆可用性、投产速度、供应链多样性等。”在零镜网看来,其中更多的应该还是商业(成本)上的考虑吧。相比起来,还是联发科比较实在,直接说7nm制程光罩成本太高,抬高了芯片成品的价格。如果看透了这些,相信大家就能理解联发科天玑1000和高通骁龙865仍采用老版本7nm DUV工艺的举动了。

零镜观点:芯片竞争 不进则退

其实,过去8年的绝大多数时间里,高通都是手机SoC领域的霸主,哪怕偶尔有时候落后也是因为产品发布时机的问题。但是在此次5G换代的过程中,华为却实现了一次真正意义上的领先。如果不考虑美国制裁的因素,我们相信这种领先的程度会更加明显。

为什么会出现这种情况?看过前文分析的朋友应该已经有了大致的结论。科技行业永远都是一个资本密集型产业,需要不断地高额研发投入来维持技术进步。华为在5G研发上投入了巨资,早在2013年华为就宣布投入6亿美元,用于5G标准与技术的研究。在5G产品研发上,仅2017年华为就投入了40多亿人民币,用于5G端到端解决方案的研发。

2018年华为的收入为7212亿人民币,利润为593亿人民币,而研发投入高达1015亿元,占销售收入的14.1%,是当年净利润的接近两倍。华为在2018拥有的研发员工超过8万名,约占总员工人数的45%。在过去的十年里,华为在研发方面的总投入超过4850亿人民币,已经超过了高通成立(1985年)至今的总研发投入。根据联合国附属世界知识产权组织公布的数据,2018年,华为向该组织提交了5405份专利申请,在世界所有企业中排名第一。截至2018年12月31日,华为在全球累计获得授权专利87805件。

德国专利数据公司IPlytics 2019年6月给出的报告显示,已声明的5G标准必要专利SEP最新排名中,华为声明的5G SEP专利数高达2160个,排名第一;第二名是诺基亚,其5G SEP专利为1516个,第三名则是中兴,其5G SEP专利有1424个;第四、第五分别是LG和三星,各有1359、1353个5G SEP专利。

每一款芯片的规划和研发都是滚动进行的,最终上市的产品可能需要提前两三年规划布局,每个阶段都需要大量的资金投入。在芯片行业,玩不得虚假,没有捷径可走。华为从2009年起开始布局5G,经过多年努力已经具备了从5G核心网到基站再到5G芯片、5G手机、5G CPE和5G Modem的全套NSA/SA端到端解决方案。

所以,为什么麒麟990 5G会成为目前唯一一款全整合的双模5G旗舰SoC?
因为,一切水到渠成!这是真金白银砸出来的,也是每一位华为员工拼出来的。