Couverture ElectroniqueS n°127

JUSQU'ICI CANTONNÉES À LA BANDE SUB-6 GHz, LES SOLUTIONS DE RÉCEPTION 5G POUR SMARTPHONES, QU'ELLES SOIENT L'OBJET D'UN MODEM DISTINCT OU INTÉGRÉES DANS LE PROCESSEUR D'APPLICATIONS, COUVRENT DE PLUS EN PLUS LES AUTRES BANDES DE FRÉQUENCES PRÉVUES ENTRE 24 ET 100 GHz. Associé au modem Exynos 5123, le dernier processeur d'application Exynos 990 de Samsung peut espérer un débit théorique de 7,35 Gbit/s. Planifié pour 2020, le lancement global par les opérateurs d'offres 5G, en particulier dans les métropoles, met sous pression les fabricants de semi-conducteurs. Si des modems 5G discrets sont largement disponibles depuis un an au moins, les choses sérieuses ont commencé avec les premiers processeurs pour smartphones intégrant en leur sein cette partie modem 5G. Cette intégration est décisive car elle permet de diminuer de manière significative le coût en composants des smartphones 5G, qui, pour ce qui est des premiers modèles déjà commercialisés, s'avèrent particulièrement onéreux. La principale difficulté rencontrée par les concepteurs de jeux de circuits 5G réside dans la couverture des deux bandes de fréquences prévues, à savoir celle située en-deçà des 6 GHz (5G NR sub-6 GHz) et celle située entre 24 GHz et 100 GHz (5G NR mmWave) et qui exploite notamment les bandes 24,2527,5 GHz et 27,5-29,5 GHz. Transmettre à 28 GHz oblige à s'exposer à de nombreux challenges, en particulier les pertes entre station de base et combiné (jusqu'à 90 dB sur 30 mètres), le blocage des ondes (main, corps, murs, etc.) et la complexité (l'encombrement, le coût et la consommation d'énergie) de l'étage d'émission-réception RF. Par exemple, une architecture à réseau d'antennes doit être déployée non seulement au niveau de la station de base (128 éléments minimum), mais aussi dans le smartphone, qui embarquera typiquement 4 à 32 antennes. Et, pour des raisons physiques évidentes, les ondes à 28 GHz ont tendance à être bloquées mais aussi à rebondir sur des objets plus petits que celles de moindre fréquence, d'où l'importance des antennes multidirectionnelles pour capter toutes les réflexions possibles des signaux utiles. QUALCOMM PANACHE LES RÉCEPTIONS SUB-6 GHz ET MMWAVE Le traitement numérique en bande 5 GHz est, lui, relativement plus simple à appréhender. Relativement, car il met tout de même en œuvre des techniques complexes : modulation OFDM, codage LDPC plus efficace que les actuels codes Turbo LTE pour les débits de données élevés, algorithmes de formation, de suivi et de commutation de faisceaux, etc. Pour toutes ces raisons, les premiers circuits modems et processeurs 5G se concentraient souvent sur le spectre sub-6 GHz. Mais une offre assez conséquente apparaît désormais, incluant également les fréquences mmWave. Leader incontesté du secteur, Qualcomm avait lancé les hostilités avec un modem 5G discret estampillé X50 et utilisé dans les premiers combinés du marché compatibles 5G. Assurant la fonction modem à la fois pour les bandes sub-6 GHz et mmWave, cette puce gravée en 10 nm permet théoriquement des débits descendants pouvant atteindre 5 Gbit/s (cinq fois plus que le modem LTE du Snapdragon X16), grâce notamment à l'agrégation de huit porteuses de 100 MHz de large chacune en mode mmWave, soit une largeur totale de 800 MHz contre seulement 80 MHz (4 x 20 MHz) pour le X16. Tant pour le Snapdragon 855 que pour le plus récent 855+, les plateformes 5G de l'américain ont dans un premier temps reposé sur ce modem externe ou sur sa mise à jour, le X55, qui reprend (et améliore) les fonctionnalités 5G du X50 mais prend également en charge les réseaux 2G, 3G et 4G pour former une solution complète. Le débit descendant théorique culmine ici à 7 Gbit/s (3 Gbit/s dans le sens ascendant), avec possibilité de partager les bandes de fréquences en fonctionnement multimode. La bande passante demeure 800 MHz en 5G mmWave, mais double en 5G sub-6 GHz pour atteindre 200 MHz, toujours en MIMO 4 x 4. En début d'année, Qualcomm a profité de son Snapdragon Tech Summit pour annoncer ses nouveaux processeurs 7 nm pour smartphones. Ces derniers intègrent enfin la partie modem 5G. Le nouvel arrivant haut de gamme, référencé Snapdragon 865, embarque notamment huit cœurs 64 bits Kryo 585 tournant jusqu'à 2,84 GHz, un moteur graphique Adreno 650, un modem 5G X55 en technologie FinFET 7 nm délivrant jusqu'à 7,5 Gbit/s en voie descendante et 3 Gbit/s en voie ascendante, un module caméra gérant jusqu'à 200 MPixels en mode photo et 64 MPixels en mode vidéo à 30 images/ seconde, un moteur d'intelligence artificielle de cinquième génération ou encore un bloc de connexion supportant les standards Wi-Fi 6 et Bluetooth 5.1. Les circuits Snapdragon 765/765G sont, eux, plutôt orientés vers le milieu de gamme (cœurs Kryo 475, moteur Adreno 620, modem 5G X52). Pour compléter sa plateforme 5G, Qualcomm a par ailleurs présenté au salon IFA de Berlin un module antenne 5G mmWave baptisé QTM527. Ce module offre une bande passante maximale de 800 MHz (dans les bandes 24,25-27,5 GHz, 26,529,5 GHz, 27,5-28,35 GHz et / ou 37-40 GHz) et convient notamment aux systèmes d'accès haut débit via la 5G, dans les zones mal couvertes par des réseaux filaires. Ses 64 éléments d'antenne à double polarisation sont capables de transmettre plus de 40 dBm de puissance (classe 1). En cours d'échantillonnage, ce module sera utilisé en volume au premier semestre 2020. Également en cours d'échantillonnage, le prochain modem 5G de Qualcomm, le X60, ne devrait pas s'inviter à bord de smartphones commerciaux avant le début de l'année 2021. Il s'agit selon l'américain du premier circuit modem supportant l'agrégation de bandes sub-6 GHz et mmWave en FDD/TDD, permettant même aux opérateurs de recycler des portions de spectre LTE pour la 5G afin d'en accélérer le déploiement, et également du premier circuit modem 5G fabriqué dans un process FinFET 5 nm, avec des économies d'énergie substantielles à la clé. JUSQU'À 7,5 GBIT/S EN RÉCEPTION Le X60 délivre des débits théoriques ascendants et descendants de 7,5 Gbit/s et 3 Gbit/s respectivement – comme le X55 donc, mais avec un débit réel sans doute significativement boosté. Il est accompagné du module antenne QTM535, troisième génération de module mmWave de l'américain offrant une conception plus compacte. De son côté, Samsung a lancé en fin d'année dernière la production en volume de l'Exynos 980, son premier processeur pour smartphones intégrant un modem 5G. Fabriqué en technologie FinFET 8 nm, ce circuit peut recevoir jusqu'à 2,55 Gbit/s en 5G (bande sub-6 GHz), et même 3,55 Gbit/s dans le mode EN-DC qui combine 5G et LTE. Il supporte en outre les standards Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) et Bluetooth 5. L'Exynos 980 s'appuie sur deux cœurs Cortex-A77 tournant jusqu'à 2,2 GHz et six cœurs Cortex-A55 à 1,8 GHz, ainsi que sur un moteur graphique Mali-G76 MP5, un accélérateur de réseaux neuronaux 2,7 fois plus rapide que son prédécesseur et un processeur de traitement d'images supportant le capteur à 108 millions de pixels récemment dévoilé par le sud-coréen, ou jusqu'à cinq imageurs distincts. Le codec vidéo interne gère des contenus 4K à 120 images par seconde, y compris au format HDR10+. À noter que l'Exynos 990 annoncé par la suite n'est pas réellement le successeur de l'Exynos 980 puisqu'il n'intègre pas de modem 5G. En contrepartie, il offre davantage de puissance de calcul grâce à la mise à jour des différents cœurs embarqués (Cortex-A76 à la place des A75, Mali G77 au lieu du G76, mémoire LPDDR5 et non plus LPDDR4X, etc.). Pour accéder aux bandes de fréquence mmWave avec des composants Samsung, il faudra donc pour l'instant s'en tenir aux modems discrets Exynos 51xx qui, eux, gèrent à la fois les spectres sub-6 GHz et mmWave (en plus des réseaux 2G, 3G et 4G), avec un débit maximal annoncé à 6 Gbit/s. Dernier membre de cette famille, l'Exynos 5123, fabriqué en technologie FinFET 7 nm à ultraviolets extrêmes, réceptionne les signaux 2G (GSM, CDMA), 3G (WCDMA, TD-SCDMA, HSPA), 4G (LTE-FDD, LTE-TDD) et 5G avec un débit maximal atteignant 3 Gbit/s en LTE, 5,1 Gbit/s en sub-6 GHz et 7,35 Gbit/s en mmWave. Unisoc, ex-Spreadtrum, vient d'annoncer son premier processeur pour smartphones équipé d'un modem 5G. Par l'intermédiaire de sa filiale semi-conducteurs HiSilicon, le chinois Huawei a lui aussi procédé à l'intégration d'un modem 5G au sein de son dernier processeur pour smartphones, le Kirin 990 5G. Fabriqué en FinFET 7 nm (avec, précise Huawei, le process TSMC 7FF+ aux ultraviolets extrêmes) et comptant plus de dix milliards de transistors, il couvre, dans sa partie modem, les réseaux 2G, 3G, 4G et 5G en bande sub-6 GHz, avec un débit descendant culminant à 2,3 Gbit/s et un débit ascendant maximal de 1,25 Gbit/s. Le Kirin 990 5G est alimenté par deux cœurs Cortex-A76 à 2,86 GHz, deux autres limités à 2,36 GHz et quatre Cortex-A55 à 1,96 GHz. La partie graphique est confiée à un moteur Mali-G76 MC16 (16 cœurs, donc) à 700 MHz, tandis que le traitement des réseaux neuronaux échoit à trois cœurs asymétriques dédiés répondant à l'architecture Da Vinci que le chinois a conçu et entend décliner dans toutes ses applications nécessitant de l'intelligence artificielle. À noter qu'une version 4G simplement appelée Kirin 990 est également disponible avec un modem 2G/3G/LTE, des cœurs Cortex limités à des fréquences légèrement inférieures et deux cœurs neuronaux seulement. Huawei a également lancé tout une gamme de modules 5G prêts à l'emploi, développés en interne ou avec des partenaires chinois (AI-Link, Quectel, China Mobile) et optimisés pour différentes applications comme la transmission vidéo, les systèmes industriels, les objets connectés ou encore la communication automobile V2X. Les amateurs de modems 5G discrets se tourneront vers le Balong 5000, un circuit compatible avec toutes les normes allant de la 2G à la 5G avec un débit de données maximal annoncé à 4,6 Gbit/s en sub-6 GHz, 6,5 Gbit/s en mmWave et même 7,5 Gbit/s avec agglomération LTE. Le processeur Dimensity 1000 de MediaTek rivalise avec l'état de l'art côté numérique, mais son modem 5G se limite aux fréquences sub-6 GHz. SUB-6 GHz : MEDIATEK ET UNISOC EN EMBUSCADE On citera également le taïwanais MediaTek qui, génération après génération, se rapproche du très haut de gamme. Les jeux de circuits Helio lui ont permis de remporter de nombreux marchés dans les smartphones 4G, notamment en Chine. Le Helio M70 5G lui a même ouvert les portes des combinés 5G en combinant des cœurs Cortex-A77, un moteur graphique Mali-G77, un nouveau processeur de réseaux neuronaux et un modem 5G en bande sub-6 GHz sur une puce gravée en FinFET 7 nm. À l'instar de ses concurrents, MediaTek planche également sur la réception 5G en bandes mmWave, et compte proposer des solutions ad hoc l'an prochain à mesure que les infrastructures correspondantes seront déployées. Pour l'heure, les vitesses théoriques (donc à prendre avec les pincettes d'usage) pour l'Helio M70 5G atteignent 4,7 Gbit/s en download et 2,5 Gbit/s en upload. Pour mieux marquer le passage à la 5G, MediaTek a inauguré une nouvelle famille de composants baptisés Dimensity et emmenés par le Dimensity 1000. Toujours fabriqué en 7 nm, ce processeur à modem 5G intégré vise les portables haut de gamme. Il s'appuie pour cela sur quatre cœurs Cortex-A77 à 2,6 GHz, quatre Cortex-A55 à 2 GHz et neuf moteurs graphiques Mali-G77, ainsi qu'un accélérateur IA de troisième génération (4,5 Tops, soit 2,5 fois plus que le précédent APU 2.0). Toujours limitée aux fréquences situées sous la barre des 6 GHz, la partie modem 5G promet tout de même un débit de données maximal de 4,7 Gbit/s en réception et de 2,3 Gbit/s en émission. Récemment, MediaTek a profité du CES pour étendre sa gamme de processeurs à modem 5G intégré avec les Dimensity 800. Confinés à la technologie FinFET 7 nm, ces processeurs attendus pour le premier semestre 2020 visent, eux, les smartphones de milieu de gamme. Ils s'appuient sur quatre cœurs Cortex-A76 à 2 GHz, quatre Cortex-A55 culminant à la même fréquence, des moteurs graphiques et IA (2,5 Tops) à quatre cœurs chacun et un processeur d'images gérant les capteurs jusqu'à 64 millions de pixels. La partie modem se concentre sur les fréquences 5G sub-6 GHz actuellement déployées en Amérique du Nord, en Europe et en Asie, avec la possibilité d'agréger deux porteuses. Également présent sur le marché chinois et de moins en moins cantonné aux smartphones d'entrée de gamme, Unisoc (anciennement Spreadtrum Communications) a récemment annoncé le T7520, son premier processeur embarquant un modem 5G. Fabriqué par TSMC dans une technologie FinFET 6 nm aux ultraviolets extrêmes, le T7520 comprend quatre cœurs Cortex-A76, quatre Cortex-A55, un moteur graphique Mali-G57 et un accélérateur IA. La partie modem se concentre sur les fréquences sub-6 GHz mais supporte également les réseaux 2G, 3G et 4G ainsi que l'agrégation TDD/FDD avec un débit crête de 3,25 Gbit/s en téléchargement. À noter qu'Unisoc propose égalent, sous la référence Ivy510, un modem 5G discret fabriqué par TSMC en 12 nm.

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