我還沒用上5G手機，不少人也說“5G沒有用，4G就夠了?！?G就是手機應用嗎？非也。

這里好有一比：4G就像高速路，5G就像高鐵，成本是高了，表面看只是縮短了通行時間，但時間就是效率，所有生產(chǎn)、生活，整個社會運作效率成倍提升是什么概念？

▎5G用戶數(shù)全球之冠▎

年初，中國信通院發(fā)布的《2021年5G發(fā)展大事記》顯示，2021年我國5G手機出貨量達2.66億部，同比增長63.5%，占同期手機出貨量的75.9%，遠高于全球40.7%的平均水平。截至2021年11月末，移動電話用戶總數(shù)達16.42億戶，其中5G手機終端連接數(shù)達4.97億戶。

全球同期手機出貨量是多少？目前沒有官方數(shù)據(jù)，按照中國信通院的數(shù)據(jù)計算得出3.3億部；而聯(lián)發(fā)科CEO蔡力行剛剛說：2021年全球5G手機出貨量將突破5億部。不管怎樣，中國5G用戶數(shù)量都在穩(wěn)步攀升。

GSMA也預測，到2025年，中國將擁有8.58億5G連接數(shù)，這一規(guī)模將占到全球總數(shù)的將近50%。隨著5G、AI（人工智能）、物聯(lián)網(wǎng)向智能化發(fā)展，預計2025年半導體銷售將達8100億美元，不過，2020年到現(xiàn)在，由于疫情等原因出現(xiàn)供應鏈斷裂，各行各業(yè)都出現(xiàn)了缺芯情況。

在2021年第十六屆“中國芯”集成電路產(chǎn)業(yè)促進大會的“芯片牽引創(chuàng)新發(fā)展論壇”上，幾家從事通信芯片研發(fā)生產(chǎn)的廠商分享了5G芯片行業(yè)發(fā)展的趨勢和技術挑戰(zhàn)及應對策略。

▎5G芯片設計的挑戰(zhàn)越來越多▎

中興微電子SoC芯片總監(jiān)鄒飛從四個方面分析了5G芯片行業(yè)發(fā)展趨勢和技術挑戰(zhàn)。他表示，5G給我們帶來的東西很多：eMMB（增強移動寬帶）能夠大幅提高帶寬、降低延時；URLLC（超可靠低延遲通信）、mMTC（海量機器類通信）的服務場景不盡相同，比如4K流量需求非常大，無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無人機對延時又有非常高的要求。4G時代以前是10微秒，5G可以降到1毫秒，這就是巨大的提升。

他認為，實現(xiàn)5G要面臨處理能力的挑戰(zhàn)，包括基帶、中頻、射頻，能力提升了數(shù)倍，功耗是急需解決的問題。因此，5G網(wǎng)絡芯片要求提升性能，同時要降低功耗，需要采用新的工藝來解決。

實現(xiàn)5G芯片的技術挑戰(zhàn)包括高性能DMT（離散多頻音調(diào)制）、高帶寬、傳統(tǒng)HBM 3D內(nèi)存接口演化，SerDes（串行器解串器）速率也在從28Gbps提升到56Gbps……功耗從以前的幾十瓦到現(xiàn)在的數(shù)百瓦，以前是幾個、十幾個模塊，現(xiàn)在都是幾十、上百個模塊；IO數(shù)進一步增加，芯片測試方案復雜度成倍增大，測試成本也越來越高；工藝從幾年前的16納米演進到現(xiàn)在的7納米、5納米。

5G芯片中需要用的關鍵IP如高速SerDes、高速ADC/DAC，以前都是采購國外的，現(xiàn)在需要自研，包括高性能DSP、中高性能CPU等。另外，架構互聯(lián)、異構、合理的軟硬件劃分，國內(nèi)廠商也在創(chuàng)新。

鄒飛指出，在低功耗技術方面，如果沒有10年20年的積累，很難有自己的全流程IP，特別是大規(guī)模芯片，不采取措施功耗是沒法接受的。另外就是物理實現(xiàn)技術，像大芯片布局技術的物理實現(xiàn)非常重要。

在IP選型方面，從市面上的CPU中選到符合需求的IP也非常關鍵。中興微有一套評估體系和內(nèi)部搭建的ESL（電子系統(tǒng)級）平臺，可以根據(jù)價格需求、平臺軟件導入ESL模型，分析架構能否滿足用戶需求，怎樣做到更優(yōu)化的架構設計，這對芯片設計非常重要。

低功耗技術包括優(yōu)化系統(tǒng)和架構，包括AVS（自適應電壓調(diào)整）計算、在不同工藝上采用不同電壓，從而降低功耗。另外，針對mesh（無線網(wǎng)格網(wǎng)絡）區(qū)主頻較高、功耗較大的情況，需要融合兩種技術優(yōu)勢來降低芯片功耗。

物理實現(xiàn)方面，利用HyperScale（超大規(guī)模）芯片時序收斂技術解決傳統(tǒng)收斂方式代價非常大、時間非常長的問題，而且不需要導入很細致的數(shù)據(jù)就可以進行收斂，極大地提升迭代速度。

鄒飛還特別展望了后摩爾時代的芯片趨勢，包括開源指令、可重構、存算一體化。中興微對開源指令也做了很多嘗試，和客戶一起開發(fā)開源處理器；可重構計算方面，也在做一些方案設計，但還沒到商業(yè)化或IP的程度。

他認為，2D到3D封裝將呈大規(guī)模爆發(fā)趨勢，中興微也有自己的積累，CPU產(chǎn)品采用了3D封裝，也有一些成熟的IP應用。3D封裝存儲用得比較多，主要是打孔（TSV）代價比較高，所以目前在數(shù)字芯片方面用的還比較少。

▎5G射頻前端的集成度與日俱增▎

慧智微電子技術市場經(jīng)理陳澤巖介紹了5G射頻前端的進展。他認為，發(fā)展趨勢是集成化的快速演進。

射頻前端模塊由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開關、低噪聲放大器（LNA）、接收機和發(fā)射機等組成。5G射頻前端的特點在于，通信系統(tǒng)的基帶處理器、收發(fā)機主要采用石墨烯技術，使用了很多特殊工藝，包括PA、濾波器和開關。

PA、濾波器的主流工藝是砷化鎵，LNA和開關以SOI（絕緣體上硅）為主。因為半導體工藝不同，很難做集成，所以通常射頻前端會獨立出來一個大的模塊。

2019年到2026年，射頻前端市場將有接近三倍的增長，手機存量市場基本不變，但射頻前端的強勁增長主要是5G的貢獻。不過，濾波器的增長有所減少，這與集成化有很大關系，很多發(fā)射和接收濾波器和PA和LNA集成在一起，形成高集成度模組，所以模組增長非?？?。5G的新增模組數(shù)量比4G翻了兩到三倍。

在5G的很多應用場景中，主要的手機應用場景是eMBB（增強移動寬帶），數(shù)據(jù)速率可能成十倍、二十倍增加，因此引入了一些技術來支持高速數(shù)據(jù)需求。首先是新增頻段，如n77、78、79頻段，頻率更高，帶寬更大，通信速率進一步提升。

5G還引入了非常重要的功能，即MIMO（多進多出），針對現(xiàn)在的手機應用，特別是非?；鸬闹辈?，改變了之前下載為主的使用場景，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)下沉。4G一個頻段一路發(fā)射，5G增加到兩路發(fā)射，相應的射頻通路模塊也在增加，以保證直播下沉的速率需求。同時，下載速率也在進一步提升，從4G接收到5G同時發(fā)射和接收，未來還會有更多融合，這些都將將使5G射頻前端快速增長。

回顧5G射頻前端發(fā)展歷程，2G平臺非常分散，3G慢慢收斂，4G進一步收斂，高通、聯(lián)發(fā)科等主流手機平臺廠商構建了生態(tài)系統(tǒng)。從2014年開始，射頻方案的定義基本上是“兩年一個大節(jié)點”，2016年4G方案進入Phase 6，走向集成化模組；2018年提出5G射頻方案，2021年推出了一系列產(chǎn)品。

從發(fā)展脈絡看，Phase 2是非常經(jīng)典的4G方案，兩個模組就組成了完整的4G發(fā)射方案，濾波器還是分立式，手機需要什么頻段就用什么濾波器。國產(chǎn)Phase 2做得非常不錯，和國外幾大廠商相差不大，所以慢慢實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，這方面的產(chǎn)品2017年、2019年都獲得了“中國芯”獎。

現(xiàn)在，國際廠商也在構建新的壁壘，像高通和TDK的合資企業(yè)RF360也具備濾波器生產(chǎn)能力，并定義了Phase 6產(chǎn)品形態(tài)，將PA、濾波器和開關集成在一起，形成高集成化模組解決方案。不過，因為整個方案成本比較高，所以只在中高端手機中使用，中低端手機還是以Phase 2方案為主。

5G Phase 6到Phase 7階段引入了新的頻段，3000Hz以上的方案直接采用高集成度模組，國產(chǎn)方案也將PA、濾波器和開關集成在一起，獲得了“中國芯”重大創(chuàng)新突破獎，與國際廠商齊頭并進。

現(xiàn)在的Phase 7LE階段，以前是兩路接收，現(xiàn)在是雙頻四路，集成度越來越高，由于這種濾波器目前主要是LTCC（低溫共燒結(jié)陶瓷）為主，國內(nèi)廠商也在加快追趕。

關于未來趨勢，陳澤巖表示，5G設備器件數(shù)量呈2-3倍增長，手機中電池、攝像頭都在擠占空間，所以高集成化依然是未來幾年的趨勢。高集成度模組方案首先是提升鏈路效率，目前已有自主可控的創(chuàng)新；另外，5G芯片在非常小的空間中有很多MIMO，eMTC（基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)）和CA（載波聚合），都會影響芯片中鏈路的信號接收，需要構建強大的多器件平臺，以保證信號質(zhì)量。

在濾波器部分，國外廠商構建了專利壁壘，快速發(fā)展中的國內(nèi)濾波器在提高集成化時既要實現(xiàn)高帶寬、高性能、高功率，還要做到小尺寸，有一定挑戰(zhàn)。

PA、LNA、開關濾波器的集成主要是靠封裝工藝的演進，目前主要是用SMT工藝節(jié)省更多面積，也包括主要針對濾波器的3D封裝技術。這些集成技術需要有國內(nèi)上下游廠商的密切合作。