那些年，各大厂商都“追”过的5G Modem芯片

那些年，各大厂商都“追”过的5G Modem芯片

近日，一条大消息几乎是占据了各大网站的头条：苹果公司在多次尝试完善自研5G调制解调器(Modem)芯片失败后，决定停止开发该芯片。从去年开始，苹果曾多次对5G调制解调器(Modem)芯片进行尝试及研发，但都以失败告终，因此苹果公司决定及时止损，正在减少对该项目的投资，并会选择结束这个持续多年的投资项目。

其实外界对于苹果自研5G调制芯片的态度大多是乐观的，并认为苹果最终会取代高通的产品，因为为了自主研发5G Modem芯片，苹果已招募数千名工程师。2019年苹果收购了Intel智能手机Modem业务的大部分，因而苹果高管还设定了一个目标，即在2023年推出自己的5G相关解调器芯片产品。甚至连高通都已经做好“说再见”的准备了，但经过苹果多次尝试改进，仍无法解决一些关键的技术问题，包括信号稳定性、功耗控制，以及与基带芯片的兼容性等，最终不得已而放弃该项目。

根据消息人士的消息，总结起来苹果自研的5G Modem主要存在两个难题：一是Intel之前遗留代码的问题，苹果需要重写这些代码，而添加新功能可能会中断现有功能。二是开发芯片过程中，需要绕过高通的一些专利。但也有消息称，苹果并未完全放弃开发，而是转去开发6G，毕竟相关岗位正在招聘，不管消息是真是假，基带总是绕不开的话题，早在2019年初，AP芯片供应商高通、联发科、英特尔、海思、三星电子、展讯等近期推出的手机芯片解决方案均支持5G Modem，为5G手机到来做好准备。

（图来源于网络，如侵权删）

       那么Modem芯片研发到底难在哪里？以至于连苹果公司这样的顶级开发公司都无可奈何？在多种因素的共同推动下，5G基带芯片市场将会迎来更加广阔而稳健的发展。未来5-10年内，行业将处于快速发展时期，5G基带芯片市场将会快速扩大。

2019-2025年全球5G芯片市场规模及预测（图源前瞻产业研究院）

       而自研基带芯片要比自研手机AP难的更多，因为对于手机AP，只考虑手机需要的操作系统即可。而基带芯片，则要兼容不同标准的运营商。而研发5G基带芯片就更难了，这不仅仅只是兼容不同5G运营商这么简单的事了，还需要突破层层难关，攻克层层壁垒，

       首先5G技术专利就是第一只拦路虎，现在4G逐渐成为过去时，5G基带芯片逐渐成为主流。但5G专利就成为了一个难题，也成为了兵家必争之地。而全球5G专利最多的公司就是华为了，高通也是持有5G专利比较多的公司，因此高通成为第二个拥有5G基带芯片的公司。有人会说，专利这东西不重要，花点钱，把别人的东西拿过来缝缝补补就行了。

       其实不然，抄别人的作业的人永远比不上自己写作业的人，研究基带芯片也一样，因为自己研发出来的5G基带芯片，掌握的是方法，有了方法，无论从理论到实践，都可以循序渐进，水到渠成，而没有专利的公司，盲目抄作业，没有方法，更不能理解，就算是破解技术和逐渐学习也要花费很大的人力物力及时间，要让这些公司自己做5G基带芯片，就更难了，更何况5G的专利费也不便宜，高通按照手机的售价来收，使用了核心必要专利的话是售价的3.25%，如果使用了核心+非核心的话多模5G手机，则按5%的比例收取，手机售价上限为400美元，超过也按400美元收，也就是最多收20美元。而华为4G和5G手机的授权费率，上限分别为每台1.5美元和2.5美元。爱立信方面，则是根据手机售价不同，专利费用在2.5美元到5美元之间。诺基亚则是每台5G手机，收费3欧元。并且拥有专利的公司条款多，以高通为例，就算不使用其公司核心的专利及产品，也需要支付高昂的专利费用，就算是财大气粗的公司，要系统地理解和应用这些专利技术才是最大难题。虽然华为等公司在5G技术方面取得了一定的突破，但总体来说，目前全球5G技术专利还比较分散，缺乏核心专利技术的掌握。这使得5G芯片的研发和生产面临一定的专利风险和成本压力。

       第二个门槛则是刚才提到的兼容性问题，基带应用于手机，而手机需要接入网络，就需要同时考虑到兼容其他的网络制式。以中国为例，需要考虑2G的GSM、CDMA，3G的WCDMA、EVDO，还要考虑4G的TD-LTE和FDD_LTE，到了5G还要考虑NSA和SA接入，这些一个都不能少，才能算是一个合格的手机使用的5G基带。并且开发芯片的公司需要应对不同国家和地区的网络环境和应用场景，但由于不同国家和地区所采用的5G频段和网络架构不同，因此需要5G芯片具备灵活的可配置性和适应性，能够应对不同国家和地区的网络环境和应用场景，若想现在参与5G基带芯片的研发，就需要全面兼容各大运营商，同一款手机既要支持所有运营商的标准，又要兼容各大厂商的5G标准，因此研发5G基带芯片还面临着与不同制式和标准的5G运营商之间的联调联试困难。对于手机AP来说，除了自身过硬以外，基站的建立也是一个难题，建立一个5G基站，需要考虑高频信号传输的难度问题，5G网络使用的高频段信号具有传输距离短，穿透力弱的特点，需要大量的基站进行覆盖，而且每座基站的建设成本也很高。基站能耗问题也需要解决，5G基站需要更多的天线和设备，因此能耗也更高，如何降低基站的能耗成为了一个难点。并且建立基站并不是一件小事，它的建设周期非常长，从施工方案，设备安装等方面入手，需要准备的周期较长，并且建设所需成本较大。这几件事加起来，就可以劝退大部分厂商了。

       芯片复杂度问题一直难以突破，5G基带研发的技术难度极高。相较于3G、4G技术，5G技术需要处理更大的网络容量、更低的延迟和更高的数据传输速率，这使得基带芯片的设计难度大大增加，也就是突破更高的峰值速率。提到峰值速率就不得不先从数据速率说起，一些公司在5G Modem做了一些产品，基带复杂度有增加的趋势。但在NSA的组网环境，技术的共存增加了芯片的负担。NR使用了高频段，本质上有很多短板，为了弥补这些覆盖的问题，必须要有一些先进的Modem技术来解决。功耗、面积和性能折衷，特别在LTE后期，就会面临越来越大的挑战，怎么做好这三者关系的平衡。如何设计一个modem，能够兼容一个多样化的需求，慢慢的形成手机AP设计的挑战，通常一款基带芯片的研发时间是2-3年，如果要压缩这个周期，就意味着要投入更多的人力，预研的时间也更长。目前，量产的5G基带芯片已经有高通、华为和三星三家，意思就是说从标准协议出来半年后，芯片已经商用。这么短的时间这么能保证芯片的质量，这就需要芯片厂商不得不很早就启动项目，投钱投人，还要紧跟3GPP组织的脚步。

       除此之外，现在的基带芯片除了处理能力超强，功耗还要低，制造工艺基本都围绕着7nm，支持的网络模式在原有的7模基础上还要加上NR，网络多元化也让芯片设计复杂度明显增加。基带芯片的射频部分复杂度更是提高不少，除了要支持5G新加入的29个频段，其中还包含支持处理毫米波段。为了毫米波还要支持波束赋形等技术，这些都是以前没有处理过的技术，且基带芯片用来处理底层物理信号，最困难的在于其庞杂的数学体系，工程化后主体即是“信道编解码”再加“纠错”，不是普通芯片公司能做的，必须要求核心设计团队在数学，通信，芯片设计与实现上有同时的驾驭能力。所以即使纯看设计，就很难聚集核心人才。

      在技术方面，工程师们通常会把技术创新分为两大类：颠覆式创新及渐进式创新，而制作基带芯片需要有大量的经验及技术累计，是一个积累式创新产品，一个基带芯片的开发，一般只做增量开发，包括功能等，遵循“向下兼容，向上扩容”的原则，这也是刚才提到的全球各地运营商及基站的差别所致，因此一个基带芯片从一个基站移动到另一个基站的过程中，会有一套复杂的算法流程，包括测量上报、信号质量对比及网络系统判断等，通过一系列计算后，基带才会向手机下达切换及调用指令，4G往后，信号逐渐复杂，短距离之内都可能有大量的终端设备，并且基站密度极大，高速、中速及低速移动的用户如何分层组网，并且完成覆盖及抗干扰，能够快速、稳定准确的进行对接，这事非常复杂及困难的，且目前的5G产品，一个网元上的代码量已经非常庞大了，而网元中大部分代码并不是全新开发的，而是对上一代进行延用，所以5G基带芯片的开发，难点不在于IC设计，甚至不在于基带芯片本身，其实是2G、3G、4G大量通信协议的一个延用和补充，必须要对前一代基带产品有深入了解和研究，才能开发出稳定且符合要求的协议栈，根据和行业专家的沟通反馈，由于5G Modem协议栈需要向下兼容4G/3G/2G，以及不同的3G/4G制式，兼容需要不断测试验证完善协议，导致开发周期非常长，以年为单位。这一点也是大多数基带开发厂商难以逾越的一条鸿沟。

       最后就是工程师方面，modem工程师职业方向分成两个大的方向，一块是偏底层驱动，主要包括RF驱动调试，modem功耗，modem子系统稳定性等内容。另外一个方向应该偏上层应用，例如多模制式下各种协议规范要熟悉，通信业务的基本处理流程从上层应用到协议层的处理逻辑需要熟悉。这两个方向实际上难度都非常大，需要花很多时间去学习和工作中要不断总结才可以。因此要求工程师的知识面要宽，经验也必须要丰富，这就对工程师的综合素质要求很大，在如今各大厂商都在争先恐后的研发5G Modem芯片的时候，优质工程师的数量很明显不够，因此突破技术壁垒，解决技术难点依然是目前存在的问题。

       通过苹果自研5G基带芯片的案例我们看到了苹果公司的决心，世界上还有很多像苹果一样立志于生产自研芯片的厂商，但路还很长，但我们依然相信苹果及各个公司能够研制成功，至于时间问题，就让我们拭目以待吧！