Smartphones : les processeurs et modems 5G adoptent la bande mmWave

Le 27/05/2020 à 0:00 par La rédaction

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.

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