5G：万相皆由“芯”生

我还没用上5G手机，不少人也说“5G没有用，4G就够了。”5G就是手机应用吗？非也。

这里好有一比：4G就像高速路，5G就像高铁，成本是高了，表面看只是缩短了通行时间，但时间就是效率，所有生产、生活，整个社会运作效率成倍提升是什么概念？

▎5G用户数全球之冠▎

年初，中国信通院发布的《2021年5G发展大事记》显示，2021年我国5G手机出货量达2.66亿部，同比增长63.5%，占同期手机出货量的75.9%，远高于全球40.7%的平均水平。截至2021年11月末，移动电话用户总数达16.42亿户，其中5G手机终端连接数达4.97亿户。

全球同期手机出货量是多少？目前没有官方数据，按照中国信通院的数据计算得出3.3亿部；而联发科CEO蔡力行刚刚说：2021年全球5G手机出货量将突破5亿部。不管怎样，中国5G用户数量都在稳步攀升。

GSMA也预测，到2025年，中国将拥有8.58亿5G连接数，这一规模将占到全球总数的将近50%。随着5G、AI（人工智能）、物联网向智能化发展，预计2025年半导体销售将达8100亿美元，不过，2020年到现在，由于疫情等原因出现供应链断裂，各行各业都出现了缺芯情况。

在2021年第十六届“中国芯”集成电路产业促进大会的“芯片牵引创新发展论坛”上，几家从事通信芯片研发生产的厂商分享了5G芯片行业发展的趋势和技术挑战及应对策略。

▎5G芯片设计的挑战越来越多▎

中兴微电子SoC芯片总监邹飞从四个方面分析了5G芯片行业发展趋势和技术挑战。他表示，5G给我们带来的东西很多：eMMB（增强移动宽带）能够大幅提高带宽、降低延时；URLLC（超可靠低延迟通信）、mMTC（海量机器类通信）的服务场景不尽相同，比如4K流量需求非常大，无人驾驶、车联网、人工智能、无人机对延时又有非常高的要求。4G时代以前是10微秒，5G可以降到1毫秒，这就是巨大的提升。

他认为，实现5G要面临处理能力的挑战，包括基带、中频、射频，能力提升了数倍，功耗是急需解决的问题。因此，5G网络芯片要求提升性能，同时要降低功耗，需要采用新的工艺来解决。

实现5G芯片的技术挑战包括高性能DMT（离散多频音调制）、高带宽、传统HBM 3D内存接口演化，SerDes（串行器解串器）速率也在从28Gbps提升到56Gbps……功耗从以前的几十瓦到现在的数百瓦，以前是几个、十几个模块，现在都是几十、上百个模块；IO数进一步增加，芯片测试方案复杂度成倍增大，测试成本也越来越高；工艺从几年前的16纳米演进到现在的7纳米、5纳米。

5G芯片中需要用的关键IP如高速SerDes、高速ADC/DAC，以前都是采购国外的，现在需要自研，包括高性能DSP、中高性能CPU等。另外，架构互联、异构、合理的软硬件划分，国内厂商也在创新。

邹飞指出，在低功耗技术方面，如果没有10年20年的积累，很难有自己的全流程IP，特别是大规模芯片，不采取措施功耗是没法接受的。另外就是物理实现技术，像大芯片布局技术的物理实现非常重要。

在IP选型方面，从市面上的CPU中选到符合需求的IP也非常关键。中兴微有一套评估体系和内部搭建的ESL（电子系统级）平台，可以根据价格需求、平台软件导入ESL模型，分析架构能否满足用户需求，怎样做到更优化的架构设计，这对芯片设计非常重要。

低功耗技术包括优化系统和架构，包括AVS（自适应电压调整）计算、在不同工艺上采用不同电压，从而降低功耗。另外，针对mesh（无线网格网络）区主频较高、功耗较大的情况，需要融合两种技术优势来降低芯片功耗。

物理实现方面，利用HyperScale（超大规模）芯片时序收敛技术解决传统收敛方式代价非常大、时间非常长的问题，而且不需要导入很细致的数据就可以进行收敛，极大地提升迭代速度。

邹飞还特别展望了后摩尔时代的芯片趋势，包括开源指令、可重构、存算一体化。中兴微对开源指令也做了很多尝试，和客户一起开发开源处理器；可重构计算方面，也在做一些方案设计，但还没到商业化或IP的程度。

他认为，2D到3D封装将呈大规模爆发趋势，中兴微也有自己的积累，CPU产品采用了3D封装，也有一些成熟的IP应用。3D封装存储用得比较多，主要是打孔（TSV）代价比较高，所以目前在数字芯片方面用的还比较少。

▎5G射频前端的集成度与日俱增▎

慧智微电子技术市场经理陈泽岩介绍了5G射频前端的进展。他认为，发展趋势是集成化的快速演进。

射频前端模块由功率放大器（PA）、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器（LNA）、接收机和发射机等组成。5G射频前端的特点在于，通信系统的基带处理器、收发机主要采用石墨烯技术，使用了很多特殊工艺，包括PA、滤波器和开关。

PA、滤波器的主流工艺是砷化镓，LNA和开关以SOI（绝缘体上硅）为主。因为半导体工艺不同，很难做集成，所以通常射频前端会独立出来一个大的模块。

2019年到2026年，射频前端市场将有接近三倍的增长，手机存量市场基本不变，但射频前端的强劲增长主要是5G的贡献。不过，滤波器的增长有所减少，这与集成化有很大关系，很多发射和接收滤波器和PA和LNA集成在一起，形成高集成度模组，所以模组增长非常快。5G的新增模组数量比4G翻了两到三倍。

在5G的很多应用场景中，主要的手机应用场景是eMBB（增强移动宽带），数据速率可能成十倍、二十倍增加，因此引入了一些技术来支持高速数据需求。首先是新增频段，如n77、78、79频段，频率更高，带宽更大，通信速率进一步提升。

5G还引入了非常重要的功能，即MIMO（多进多出），针对现在的手机应用，特别是非常火的直播，改变了之前下载为主的使用场景，实现了视频数据下沉。4G一个频段一路发射，5G增加到两路发射，相应的射频通路模块也在增加，以保证直播下沉的速率需求。同时，下载速率也在进一步提升，从4G接收到5G同时发射和接收，未来还会有更多融合，这些都将将使5G射频前端快速增长。

回顾5G射频前端发展历程，2G平台非常分散，3G慢慢收敛，4G进一步收敛，高通、联发科等主流手机平台厂商构建了生态系统。从2014年开始，射频方案的定义基本上是“两年一个大节点”，2016年4G方案进入Phase 6，走向集成化模组；2018年提出5G射频方案，2021年推出了一系列产品。

从发展脉络看，Phase 2是非常经典的4G方案，两个模组就组成了完整的4G发射方案，滤波器还是分立式，手机需要什么频段就用什么滤波器。国产Phase 2做得非常不错，和国外几大厂商相差不大，所以慢慢实现了国产替代，这方面的产品2017年、2019年都获得了“中国芯”奖。

现在，国际厂商也在构建新的壁垒，像高通和TDK的合资企业RF360也具备滤波器生产能力，并定义了Phase 6产品形态，将PA、滤波器和开关集成在一起，形成高集成化模组解决方案。不过，因为整个方案成本比较高，所以只在中高端手机中使用，中低端手机还是以Phase 2方案为主。

5G Phase 6到Phase 7阶段引入了新的频段，3000Hz以上的方案直接采用高集成度模组，国产方案也将PA、滤波器和开关集成在一起，获得了“中国芯”重大创新突破奖，与国际厂商齐头并进。

现在的Phase 7LE阶段，以前是两路接收，现在是双频四路，集成度越来越高，由于这种滤波器目前主要是LTCC（低温共烧结陶瓷）为主，国内厂商也在加快追赶。

关于未来趋势，陈泽岩表示，5G设备器件数量呈2-3倍增长，手机中电池、摄像头都在挤占空间，所以高集成化依然是未来几年的趋势。高集成度模组方案首先是提升链路效率，目前已有自主可控的创新；另外，5G芯片在非常小的空间中有很多MIMO，eMTC（基于LTE演进的物联网）和CA（载波聚合），都会影响芯片中链路的信号接收，需要构建强大的多器件平台，以保证信号质量。

在滤波器部分，国外厂商构建了专利壁垒，快速发展中的国内滤波器在提高集成化时既要实现高带宽、高性能、高功率，还要做到小尺寸，有一定挑战。

PA、LNA、开关滤波器的集成主要是靠封装工艺的演进，目前主要是用SMT工艺节省更多面积，也包括主要针对滤波器的3D封装技术。这些集成技术需要有国内上下游厂商的密切合作。