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5G世代的半導體技術發展

  • 陳婉潔

雖然全球產業受到疫情的負面影響而呈現衰退,但是在行動通訊領域方面,5G所帶來的全新產業型態卻讓半導體產業有了穩定,甚至逆勢成長的動力。

由於5G技術本身在頻寬上與延遲有極大的改善,這也讓過去4G時代無法負擔的許多應用成為可能,比如說,我們可以在手機上看更高畫質的影片,甚至和家中即時串流進行遊戲;同時,汽車也可以透過更快速的網路連結共享交通資訊,未來技術成熟時,由遠端直接遙控汽車,或者命令汽車自行導航駕駛到車主指定的目的地也成為可能。

由於交通是智慧城市最關鍵的組成元素之一,透過5G,可以更快速的收集以及反應交通狀況,管理者也能在最快的時間發現問題,並解決問題。而車主們也能更快的與城市交通系統進行溝通,取得更高效率的路線。

未來5G網路將是帶動智慧城市建立的關鍵(來源:Ribera Solutions)

而在產業方面,5G推動了許多IoT應用的智慧化,具備高效率管理能力的無人工廠也能成真,而雲端與終端的連結也更迅速,換言之,手機或其他家用的智慧終端上也能呈現更多元、複雜的智慧功能,更好地解決人類的問題。

而在偏遠鄉鎮,也能透過快速的5G網路,實現遠端醫療能力,遠端看診,甚至透過機器人遠端開刀,讓偏遠地區同樣能享受到高品質的醫療。

要說5G創造了什麼,那就是無限的可能性。但要達成這些應用,還是要回過頭來看最基礎的硬體架構,也就是晶片的設計。

5G手機晶片發展趨勢

各國5G先後開台,市場也看好整體5G手機的需求,有分析機構預估,2020年光是5G手機出貨就有可能超過2億支,而2021年更可能突破5億支,這就帶動了極為龐大的半導體製造需求。首先,在主要晶片方面,高通、聯發科、蘋果都先後進入5G世代,由於5G帶來更大的頻寬以及更好的數位內容畫面呈現,因此需要更強大的計算處理能力,而隨著終端AI應用的發展,手機晶片本身的運算能力也不斷強化。

除了架構的推進,以及增加更多關於AI與多媒體處理能力外,製程的演進也為這些塞了越來越多電晶體的晶片帶來更低的溫度、功耗,以及更高的效能表現。台積電2020年5nm製程量產,毫無意外的,蘋果與高通都成為第一波導入者,而聯發科也將有機會在2021年引入5nm製程,推出真正的高階產品。雖然華為因受到美國制裁,未來可能徹底退出手機市場,但是對手機業者而言,少了華為,其他業者仍將迅速遞補,原本專注於華為的業者可以更積極進行多元布局,而非將大部分業績賭在一家廠商身上。

手機半導體演進主要還是在運算、儲存以及通訊三方面(資料來源:TechInsight)

除了運算功能的增加以外,5G手機晶片也會從過去的分離式,在2020年走向一體式設計,聯發科算是首先在其中高低階全面採用一體式設計,整合5G機頻之後,能夠為手機機構帶來更靈活的配置空間,也能相對減低功耗。華為雖然被制裁,未來晶片將斷炊,但目前已經生產的5G晶片也已經走入一體式設計。至於高通,目前最高階的865晶片還是採用分離式設計,但年底即將量產的875預期會改為一體式,高通中低階5G晶片已經採用一體式設計,但支援的頻段會比較少。

而值得注意的是,蘋果一直以來都採用分離式設計,年底即將上市的新款iPhone也沒有改變,差別在於未來搭配的5G基頻從過去的英特爾方案改為高通方案。但蘋果已經收購英特爾的基頻部門,未來幾年內可能就會轉向全部自有設計,並且採用一體化方式,藉以提供更好的效能與更低的功耗。

而除了核心晶片以外,包含DRAM以及NAND Flash的需求也都因為內容品質的成長,導致儲存的需求也跟的大幅增加,不論是影片、遊戲,或者是相機拍照能力的演進而能夠儲存更高畫質的照片或者是自行拍攝的影片,都為手機的儲存能力帶來龐大的壓力。

也因為這些額外的儲存需求,從2020年開始,我們可以看到智慧型手機上128GB的NAND Flash已經成為入門規格,而DRAM也從2019年主流的4GB躍升至2020年的6GB至8GB,也因此,記憶體相關業者也都看好從手機產品增加的營收能夠抵銷疫情帶來的負面影響。

驅動高速運算與智慧城市發展的相關半導體需求

由於5G帶來的網路高速化趨勢,同時也帶動各種雲端與終端的運算性能需求,上從伺服器,下到監控或IoT設備中的晶片,都有程度不等的變革。

在雲端上,AI性能方面格外要求,這使得以GPU為運算主體的雲端AI伺服器建置需求大增,NVIDIA也因此股價大漲,另外,為了能夠協助資料中心不同機櫃伺服器之間的高速通訊,相關的通訊晶片設計也不斷演進。

處理器方面,英特爾也在其處理器核心中增加了更多針對AI運算最佳化的單元,協助增加效能表現,其競爭對手AMD雖然在伺服器領域仍佔少數,但其積極推動製程與架構演進的態度,亦成功爭取到了不少的客戶,市佔也在短短兩年內從不到1%成長到約10%。

英特爾在對手的追趕下,積極在晶片增加更多運算類型的支援(來源:英特爾)

而理所當然的,伴隨這些高速運算架構的發展,其相關儲存需求也跟著水漲船高,根據統計,由於5G基礎建設帶來的雲端運算需求,加上疫情帶動各種雲端服務以及遠距通訊服務興起,使得在疫情之下,整體伺服器市場仍不斷成長,並連帶推動相關的網路晶片、通訊晶片以及儲存、記憶體等設備需求的增加。相關的半導體產值也是欣欣向榮。

另外,在自動化工業控制和自動駕駛這些對延遲有非常高要求的應用也因為5G的布建而加速,網路快了,這些終端應用的核心晶片也需要相應的變革,比如說增加AI運算能力,更快速/省電的網路連接能力,同時也要在雲端與終端再增加一層邊緣運算能力,最佳化整體網路的效率。