【何文高 每週專欄】聯發科與高通5G晶片短兵相接

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2019年下半年5G發展加速,更多國家發放5G執照,營運商積極導入商轉,展望2020年5G產業即將起飛,5G手機出貨量預估也由2019年初的數千萬,到年底2~3億隻的規模,隨著兩大晶片供應商聯發科(MTK)天璣1000與高通(Qualcomm)Snapdragon 865正式翻牌,5G行動處理器啟動第一回合近身肉搏,從架構選擇、規格與性能跑分、設計支援、產品售價、製程採用甚至產品規劃等無所不比。

2020年2月的西班牙世界通訊大會(MWC)預計將發表多款5G手機,做足準備的聯發科是否能有所斬獲?或是當仁不讓的高通繼續笑傲江湖?而在手機晶片技術發展已經成熟的現在,S865與天璣1000在規格上並沒有大幅差距,決勝的關鍵就在相對細節的項目,然而背後的策略操作與取捨,有非常多值得討論的重點,5G發展是否再一次顛覆產業版圖,由這兩款晶片的技術分析與產品表現,或能一窺5G行動平台霸主能否換人做做看。

MTK 5G SoC天璣1000搶先發表

聯發科2019年11月底正式發表5G旗艦級系統單晶片—天璣1000,英文名稱Dimensity,是MTK 5G晶片家族系列中首款5G單晶片,整合5G數據機,採用7奈米製程製造,支援5G雙載波聚合(2CC CA)技術,讓下載速度比業界一般水準快兩倍,同時也是全球第一款支援5G雙卡雙待的晶片。在Sub-6GHz頻段達到4.7Gbps下行和2.5Gbps上行速度。此外,也支援Sub-6GHz頻段SA獨立組網與NSA非獨立組網,以及2G到5G的各代蜂窩網路連接。

聯發科天璣1000採用主頻達2.6GHz的四個Arm Cortex-A77核心,四個主頻為2.0GHz的Arm Cortex-A55核心,兼顧性能與功耗。圖型處理也採用Arm Mali-G77 GPU晶片;在AI運算部分,搭載全新架構的聯發科獨立AI處理器—APU3.0,擁有4.5TOPS的AI算力,比上一代 APU2.0性能提升兩倍以上,在全球指標性蘇黎世AI跑分排名第一。聯發科執行長蔡力行提到,天璣1000在效能測試平台安兔兔跑分超過50萬,在頗受好評的旗艦產品後,該公司也於12月底透露2020年CES展再發表中階的天璣800 SoC。

Qualcomm Snapdragon 865/765/765G強勢登場

緊接著在2019年12月初,Qualcomm也推出Snapdragon 865搭配Snapdragon X55 5G數據機,採用分離式兩顆晶片的設計,最高傳輸速度可達7.5Gbps。支援TDD與FDD頻段中毫米波(mmWave)與Sub-6GHz頻段,並相容NSA及SA模式,動態頻譜共享(DSS)與全球5G漫遊。其人工智慧效能可達每秒15TOPS運算表現,為前代產品的兩倍。處理器同樣是四大四小的架構,不過大核為一顆A77 2.84GHz加三顆A77 2.4GHz,與小核則是四顆A55 1.8GHz,GPU採用Adreno 650。

高通還同場加映中階解決方案Snapdragon 765/765G整合Snapdragon X52數據機的系統單晶片,峰值下載速率可達3.7Gbps與上傳速率1.6Gbps。與X55一樣支援5G毫米波與Sub-6GHz、SA與NSA組網模式、TDD與FDD頻段動態頻譜共享等。處理器Kryo 475(A76雙核+A55六核)速度為大核2.3GHz,小核1.8GHz,圖型處理器Adreno 620 GPU可提升效能達20%。

深入觀察聯發科與高通5G解決方案的規格,如(表1)所示,從目前已經揭露的客觀數據上,CPU多核處理器跑分值天璣1000是13136、S865是13344,效能表現非常接近。S865使用一顆超頻2.84GHz的單核,有利於衝高跑分,但在實際應用時,有可能因為開「Turbo」導致系統耗電量大增。

聯發科Sub-6GHz先行快速導入做好/做滿

目前聯發科與高通5G平台效能表現從數據上來看差距僅在伯仲之間,不過就支援毫米波mmWave與採用SoC兩個策略選擇上,可以深入探討。市場分析認為,目前5G毫米波商用時程仍不普遍,多數國家以Sub-6GHz為主。聯發科無線通訊事業部總經理李宗霖(圖1)表示,該公司擁有Sub-6GHz和毫米波的技術,只不過最終在產品選擇上先以Sub-6GHz頻段為主,這不僅是MTK的產品策略,也是客戶現階段的需求,希望能先做好Sub-6GHz頻段的支援,再進入高頻毫米波。

根據GSMA協會調查顯示,全世界截至2019年12月5G商用網路的電信業者共有56個,其中有54個業者都以Sub-6GHz頻段為主,而進行到12月25日的台灣5G頻段競標,3.5GHz頻段的標金是28GHz頻段的數百倍。毫米波要發揮高速優勢與基礎建設關係密切,待5G網路建設更加普遍成熟,才是推展毫米波應用的最佳時機。

對此,資策會MIC資深產業分析師兼產品經理韓文堯表示,市場普遍認為聯發科此一策略有利於搶占5G先機,因為5G投資成本相當高昂,因此當然選擇較具成本效益、商機的市場先投入。雖說高通的S865和S765系列可支援Sub-6GHz和毫米波,但就現實面而言,5G毫米波商用國家仍是少數。以中國為例,目前5G商用也是先以Sub-6GHz為主,毫米波應用至少要等到2022年,因此中國的手機業者事實上可於後兩代的產品再支援毫米波應用。換言之,在目前Sub-6GHz先行的情況下,手機製造商會思考是否真需要選擇Sub-6GHz和毫米波並行的處理器,實際設計還需要騰出更多空間容納毫米波天線(圖2),並考量成本、功耗問題。

Sub-6GHz最大的優勢是網路布建容易與LTE系統接近、成本低、訊號覆蓋性好,可以快速普及5G,李宗霖強調,Sub-6GHz的物理特性跟天線設計比較接近LTE,比毫米波更容易導入手機。Sub-6GHz功耗也比毫米波好,整體使用者體驗較好,毫米波訊號衰減快,在手機與基地台視線(Line Of Sight, LOS)範圍之外傳輸距離不到100公尺。Sub-6GHz天線設計與4G天線設計類似,只是頻段不同,採用高頻特性較好的LCP或FPC,一般手機天線設計廠都可以做。

另外,為維持訊號完整性,毫米波天線與射頻前端(RF Front End, RFFE)元件如功率放大器(PA)、濾波器、交換器會採用高整合設計,李宗霖說明,毫米波天線做在晶片的封裝上稱為AiP(Antenna in Package),製程跟設計難度加大,傳統手機天線設計廠很難切入,量測/校準都都需要特別的儀器設備跟暗室。此外,mmWave在耗電量、手機設計難度都比Sub-6GHz高很多,所以mmWave手機成本短期內很難下降,目前市面上也很少手機支援毫米波。

手機空間/耗電錙銖必較SoC設計具優勢

而在系統設計上,高通的旗艦產品採用應用處理器S865與數據機X55分離的設計引發高度關注,在5G時代SoC是不是較不具彈性?或為牽就系統運作而犧牲部分效能?李宗霖認為,採用SoC的主要目的,在於達成系統產品輕薄短小、省電、散熱佳、品質高等優點。要能整合成一顆單晶片的過程中最關鍵、最困難的技術問題在於發熱問題,採外掛式的兩顆晶片模式是為了功能好的說法是說不過去的,以一般工程常理推測,溫度控制、續航提升和訊號穩定性方面,SoC都要明顯優於多晶片式設計。

而手機設計在空間與耗電上都「錙銖必較」,以成熟的4G手機設計為例,每個元件的位置與尺寸已經接近標準化,希望能盡量減少元件數量與體積,SoC的設計讓擺件比較容易,可讓出空間給電池,外觀設計也較為便利。865+X55並沒有發布體積,但與855+X50相比,天璣1000單晶片SoC設計,整個布板面積小855+X50達34%。

聯發科5G第一回合勝出

技術規格比較與策略選擇可能有客觀的標準,但行動晶片雙雄的爭霸還只是剛剛開始,聯發科在LTE時代臥薪嘗膽式的努力,明顯將差距追回,下個階段就是2020年第一季5G手機的百花齊放,MTK可以開出多少花朵,受到幾家客戶、幾款手機的青睞。目前高通已推出8系列與7系列高階與中階解決方案,聯發科也將發表中階天璣800 SoC,接著還要同時接受市場考驗,爭取消費者的認同,預期聯發科可以有所表現。

然而,對於高通來說不管是策略失誤或有所堅持,支援毫米波與SoC設計都可以很快調整,聯發科在產品與技術的優勢目前只看到2020上半年,下一個挑戰接著很快就來,李宗霖說,MTK支援毫米波的產品預計2020下半年推出,產品發展依然以SoC為主,而高通已經練兵高頻技術多時,下一代產品競爭力可能快速歸位,聯發科依舊臨深履薄。

MTK在5G系列產品提出「豈止領先」的口號,李宗霖深入解釋,有三個層面的意義,除了期許聯發科在技術與產品實質領先扮演Leader的角色之外,也希望能就技術發展貢獻產業扮演Contributor,最後推動產業的發展與進步扮演Promoter,期待MTK可以再次成為人們口中的「台灣之光」。

 

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