5G 智能手机芯片简史

2020/11/25 20:59:51 来源:鲜枣课堂 作者:小枣君 责编:骑士

时间过得真快,还有一个多月,2020 年就要结束了。

今年,是国内 5G 网络全面商用的第一年。虽然我们遭受了新冠疫情的冲击,但 5G 的建设步伐并没有受到太多影响(反而有所刺激)。

5G 基站

根据工信部副部长刘烈宏前天在世界互联网大会的发言数据,中国目前已经建成 5G 基站 70 万个,占全球比例接近 70%,5G 连接终端超过 1.8 亿。而运营商提供的数据则显示,国内的 5G 套餐用户数已经超过 2 亿(中移 1.29 亿,电信 0.72 亿,联通未公布)。

在手机方面,根据信通院的统计,1-10 月国内市场 5G 手机上市新机型 183 款,累计出货 1.24 亿部,占比为 49.4%。

毫无疑问,5G 手机现在已经成为市场的主流、用户的首选。

5G 手机

回顾 5G 手机这些年来的发展历程,其实并不平坦。围绕 5G 手机的纷争,从来就没有停止过。

最开始的时候,大家争论 “谁是第一款 5G 手机(芯片)”。后来,开始争 “NSA 是不是假 5G”。再后来,又争 “集成基带和外挂基带”。再再后来,争 “有没有必要支持 N79 频段”……

对于不太懂技术的普通用户来说,这些无休止的争吵实在是让人懵圈——不就是买个 5G 手机么?怎么就这么麻烦呢?

其实,争来争去,主要原因还是因为 5G 芯片技术的不成熟。或者说,这些都是 5G 手机发展早期的正常现象。

5G 手机和 4G 手机的最大区别,在于是否支持 5G 网络。而 5G 网络的支持与否,主要由手机的基带芯片决定。

基带芯片(高通 X55)

基带芯片(有时候简称 “基带”),有点像手机的 “网卡”、“猫(调制解调器)”。而大家常说的 SoC 芯片(System-on-a-Chip,片上系统、系统级芯片),有点像电脑的 CPU 处理器。

5G SoC 芯片(联发科)

注:基带芯片不一定集成在 SoC 芯片内部(后文会介绍)

有了 5G 基带芯片,手机才能够接入 5G 网络。所以说,5G 手机的发展史,其实就是 5G 芯片的发展史。而 5G 芯片的发展史,又和 5G 基带密不可分。

是不是有点晕?别急,我们还是从头开始说起吧。

▉  2016-2018 年:第一代 5G 芯片

全球第一款 5G 基带芯片,来自老牌芯片巨头——美国高通(Qualcomm)。

高通在 2016 年 10 月,就发布了 X50 5G 基带芯片。那时候,全球 5G 标准都还没制定好。

因为推出时间确实太早,所以 X50 的性能和功能都比较弱,主要用于一些测试或验证场景。没有哪个手机厂商敢拿这款基带去批量生产 5G 手机。

到了 2018 年 2 月,华为在巴塞罗那 MWC 世界移动大会上,发布了自己的第一款 5G 基带——巴龙 5G01(Balong 5G01)。华为称之为全球第一款符合 3GPP 5G 协议标准(R15)的 5G 基带。

巴龙 Balong 5G01

不过,这款 5G01 基带,技术也还不够成熟,没办法用在手机上,只能用在 5G CPE 上。

CPE:把 5G 信号转成 Wi-Fi 信号的小设备。

紧接着,联发科、三星和英特尔,陆续在 2018 年发布了自己的 5G 基带芯片(当时都没商用)。

我们姑且把这些 5G 基带叫做第一代 5G 基带吧。

数据仅供参考(部分是 PPT 芯片,你懂的)

这一代芯片有一个共同特点——它们都是通过 “外挂方式”搭配 SoC 芯片进行工作的。

也就是说,基带并没有被集成到 SoC 芯片里面,而是独立在 SoC 之外。

集成 VS 外挂,当然是集成更好。集成基带在功耗控制和信号稳定性上,明显要优于外挂基带。

“外挂”,相当于这样

可是没办法,当时的技术不成熟,只能外挂。

总而言之,2018 年,5G 手机基本处于无 “芯”可用的状态,市面上也没有商用发布的 5G 手机。

▉  2019 年:第二代 5G 芯片

到了 2019 年,情况不同了。

随着 5G 第一阶段标准(R15)的确定、第二阶段标准(R16)的推进,各个芯片厂商的技术不断成熟,开始有了第二代 5G 基带。

首先有动作的,是华为。

华为在 2019 年 1 月,发布了巴龙 5000(Balong5000)这款全新的 5G 基带。支持 SA 和 NSA,采用 7nm 工艺,支持多模。

综合来说,小枣君个人认为,这是第一款达到购买门槛的 5G 基带。

紧接着,高通在 2 月份,发布了 X55 基带,也同时支持 SA/NSA,也是 7nm,也支持多模。从纸面数据上来说,X55 的指标强于 Balong5000。

不过,华为的动作更快。

2019 年 7 月,就在高通 X55 还停留在口头宣传上的时候,华为采用 “麒麟 980 + 外挂巴龙 5000”的方案,发布了自己的第一款 5G 手机——Mate20 X 5G。 这也是国内第一款获得入网许可证的 5G 手机。

因为高通的 X55 要等到 2020 年一季度才能批量出货,所以,当时包括小米、中兴、VIVO 在内的一众手机厂商,只能使用外挂 X50 基带的高通 SoC 芯片,发布自家 5G 旗舰。

站在客观角度,只看 5G 通信能力的话,这差距是非常明显的。

当时,围绕 SA 和 NSA,爆发了很大的争议。很多人认为,仅支持 NSA 的手机是 “假 5G”手机,到了 2020 年会无法使用 5G 网络。

这种说法并不准确。事实上,NSA 和 SA 都是 5G。在 SA 独立组网还没有商用的前提下,仅支持 NSA 也是够用的。

2019 年 9 月,华为又发布了麒麟 990 5G SoC 芯片,采用 7nm EUV 工艺,更加拉开了差距。

所以,在 2019 年中后期的很长一段时间内,华为 5G 手机大卖特卖,销量一骑绝尘。

9 月 4 日,三星发布了自家的 5G SoC,Exynos 980(猎户座 980),采用 8nm 工艺。

一个月后,三星又发布了 Exynos 990(猎户座 990)。相比于 Exynos 980 集成 5G 基带,Exynos 990 反而是外挂的 5G 基带(Exynos Modem 5123),令人费解。

正当大家觉得失衡的局面要持续到 X55 上市时,一匹黑马杀出来了,那就是来自宝岛台湾的芯片企业——联发科(MEDIATEK)。

11 月 26 日,联发科发布了自家的 5G SoC 芯片——天玑 1000,纸面参数和性能跑分都全面领先,顿时炸开了锅。

12 月 5 日,姗姗来迟的高通终于发布了自家的新 5G SoC 芯片,分别是骁龙 765 和骁龙 865。

高通是国内各大手机厂商(华为除外)的主要芯片供应商。包括小米、OPPO、vivo 在内的众多厂家,都在等高通的这款骁龙 865 芯片。不过,骁龙 865 推出之后,大家发现,这款芯片仍然是外挂基带。(骁龙 765 是集成基带,集成了 X52,支持 5G,但是整体性能弱于 865,定位中端。)

我们把这几家厂商的 SoC 芯片放在一起,比较一下吧:

当时(2019 年底)的纸面数据,仅供参考

三星的芯片基本上是三星手机自己在用。这些年,三星手机在国内的市场份额不断下滑,基本退出了第一阵营的争夺。所以,实际上国内市场就是华为、高通、联发科三家在激烈竞争。

我们具体看一下当时这些芯片的参数差异:

从工艺制程来看,几款芯片都是 7nm,但是 EUV(极紫外光刻,Extreme Ultra-violet)比传统工艺要强一些。

从组网支持来看,NSA 和 SA,大家都同时支持,没什么好说的。

最主要的区别,集中在基带外挂 / 集成,毫米波支持,以及连接速度上。

  • 基带外挂

关于这个问题,虽然前面我们说集成肯定比外挂好。但是这里的情况有点特殊:

华为之所以集成了 5G 基带,并不代表他完全强于高通。有一部分原因,是因为华为麒麟 990 采用的是 2018 年 ARM 的 A76 架构(其它几家是 2019 年 5 月 ARM 发布的 A77 架构)。A77 集成 5G 基带难度更大。

而且,华为集成 5G 基带,也牺牲了一部分的性能。这就是上面表格中,华为连接速率指标明显不如其它三家的原因之一。

换言之,以当时(2019 年底)的技术,想要做到性能、功耗、集成度的完美平衡,非常非常困难。

联发科这一点很牛。它的天玑 1000,既采用了 A77 架构,又做到了基带集成,整体性能不输对手,令人出乎意料。

  • 毫米波

高通骁龙 865 不支持集成,有一部分原因是因为毫米波(支持毫米波之后,功耗和体积增加,就没办法集成了)。

什么是毫米波?5G 信号是工作在 5G 频段上的。3GPP 标准组织对 5G 频段有明确的定义。分为两类,一类是 6GHz(后来 3GPP 改为 7.125GHz)以下的,我们俗称 Sub-6 频段。另一类是 24GHz 以上的,俗称毫米波频段。

高通的 SoC 芯片,为什么要支持毫米波频段呢?

因为他要兼顾美国市场。美国运营商 AT&T 在使用毫米波频段。除了美国等少数国家之外,大部分国家目前还没有使用毫米波 5G。

  • 连接速度

最后就是看连接速度。

抛开毫米波,我们只看 Sub-6 的速度。天玑 1000 的公布数据比其它两家快了一倍。

这个地方也是有原因的。因为天玑采用了双载波聚合技术,将两个 100MHz 的频率带宽聚合成 200MHz 来用,实现了速率的翻倍。

值得一提的是,这个 100MHz+100MHz,基本上就是为联通电信 5G 共享共建量身定制的。他们俩在 3.5GHz 刚好各有 100MHz 的频段资源。

  • N79 频段支持

最后,我们再来说说 N79 这个事情。当时围绕这个 N79,也爆发了不少口水战。

前面我说了,5G 有很多个频段。Sub-6GHz 的频段,如下所示:

N79 频段,就是 4400-5000MHz。

下面这个,是国内运营商 5G 频段分布:

很清楚了,联通或电信用户,无需理会 N79,因为用不到。

那移动用户是不是一定要买支持 N79 频段的 5G 手机呢?答案是:不一定。当时移动还没有用 N79。不过,后期应该会用。

站在普通消费者的角度,如果我是移动用户,当然会倾向购买支持 N79 频段的 5G 手机,一步到位。

这么一看的话,华为又占了优势:

是吧?搞来搞去,三家就是各有千秋。

以上,就是 2019 年年底各家 5G SoC 芯片的大致情况。

▉  2020 年:第 2.5 代 5G 芯片

进入 2020 年后,受新冠疫情的影响,5G 芯片和手机的发布速度有所放慢。

最先有动作的,是联发科。

前面我们说到,联发科发布了纸面数据爆表的天玑 1000。可是,后来我们一直没有看到搭载天玑 1000 的手机问世,只看到两款搭载了天玑 1000L(天玑 1000 的缩水版)的手机。

2020 年 5 月 7 日,在消费者苦等半年之后,联发科线上发布了天玑 1000 的升级版——天玑 1000plus(天玑 1000+)。

从联发科发布的信息看,硬件升级不大,主要是通过软件调优,在功耗、游戏体验、屏幕刷新率,以及视频画质上进行提升。

不久后的 5 月 19 日,vivo 发布了首款搭载天玑 1000Plus 芯片的机型——iQOO Z1,售价 2198 元起。

高通方面,2020 年 2 月 12 日,三星 S20 发布会上,高通骁龙 865 正式亮相。此后,陆续被搭载在各大手机厂商的旗舰手机上,成为 2020 年的主流 5G SoC 芯片。

2020 年搭载骁龙 865 芯片的主要机型

2020 年 10 月,华为随同 Mate 40 Pro 发布了麒麟 9000 芯片。该芯片基于 5nm 工艺制程,集成了 5G 基带(还是巴龙 5000),性能上有所升级,支持 5G 超级上行(Super Uplink)和下行载波聚合(CA),上下行速率比其它手机有明显提升。

因为众所周知的制裁原因,华为芯片局面日益艰难。在 Mate 40 的发布会上,余承东表示,麒麟 9000 很可能是最后一代华为麒麟高端芯片。

同样是 10 月,苹果公司推出了 iPhone12,这是第一款支持 5G 的 iPhone。iPhone12 使用的是自家的 A14 仿生芯片,采用的是台积电 5nm 工艺,外挂了一颗高通 X55 5G 基带芯片。

以上,就是截至目前 5G 芯片的整个发展历程。

当然了,故事还没有结束。

根据此前曝光的消息,联发科即将推出基于 6nm 工艺的天玑 2000 芯片(据说华为 P50 可能搭载)。

而高通基于 5nm 的骁龙 875,也很有可能在 12 月初发布,明年 Q1 商用。据说,骁龙 875 将会集成高通在今年 2 月就已经发布的 X60 基带。

值得一提的还有紫光展锐。他们在此前虎贲 T7510 的基础上,推出了新款 5G 手机 SoC 芯片虎贲 T7520。该芯片采用 6nm EUV 的制程工艺,搭载自研的春藤 510 5G 基带,据称技术成熟,明年(2021 年)将实现量产。

不管怎么说,2020 行将结束,2021 即将开启。随着 5G 网络建设的不断深入,越来越多的用户将投入 5G 的怀抱。这也就意味着,围绕 5G 手机和芯片的江湖纷争,将会愈演愈烈。

究竟谁能够在这场纷争中笑到最后?只能让时间来告诉我们答案了……

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关键词:5G智能手机芯片

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