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5G未來

 

 

任正非開始從香港進口電話交換機時,線路設備只能讓電話通話。在電話發展的早期,交換是手工完成,一排排的婦女坐在一整牆的插塞(plug)前,根據通話者的不同,以不同的組合來拔插電話交換板上的電線,再把他們連接起來。到了1980年代,接線員已被電子開關取代,那些電子開關通常是使用半導體裝置。儘管如此,管理一棟大樓的電話線,仍需要一個1如衣櫃大小的開關設備。如今,電信業者比以往更依賴矽晶片,但現在一整櫃的設備可以處理電話、簡訊、影片的傳輸,而且通常是透過無線網路傳輸,而不是透過固網。

華為已掌握了透過無線網路傳輸電話與資料的最新一代設備,也就是5G。然而,5G的關鍵其實不是電話,而是攸關運算的未來,因此也攸關半導體。5G中的G是generation(代)的縮寫。我們已歷經四代的行動網路標準,每代標準都需要在手機與基地台安裝新的硬體。誠如摩爾定律讓我們在晶片上塞入更多的電晶體一樣,透過無線電波往返手機的1與0數量也穩定增加。2G手機可傳輸圖文,3G手機可打開網站,4G幾乎可以從任何地方串流影片,5G也可以提供類似的技術大躍進。

如今多數人覺得使用智慧型手機是再自然不過的事情,多虧了功能愈來愈強大的半導體,我們覺得手機上的圖文沒什麼大不了的,影片串流只要稍稍延遲,我們就會不耐煩。管理手機無線上網的數據機晶片,使手機天線可以透過無線電波,傳輸更多的1與0。

內建於行動網路與基地台的晶片也發生了類似的變化。透過空中傳輸1與0,又要盡量減少通話中斷或影片串流延遲,是極其複雜的流程。無線電波頻譜的可用空間有限。世界上的無線電波頻率就只有這麼多,其中許多頻率並不適合用來發送大量資料或遠距傳輸。因此,電信公司依賴半導體,把愈來愈多的資料塞入現有的頻譜空間中。亞德諾公司(Analog Devices)專門生產管理無線電傳輸的半導體,該公司的晶片專家大衛.羅伯森(Dave Robertson)解釋:「頻譜遠比矽還昂貴。」因此,半導體一直是無線傳輸更多資料的基礎。高通等晶片設計公司找到了透過無線電頻譜優化資料傳輸的新方法,而亞德諾等晶片製造商則是製造了名為「無線射頻收發機」(radio frequency transceiver)的半導體,那種收發機可以更精準地收發無線電波2而且更省電。

下一代的網路技術5G可以無線傳輸更多的資料,這有部分是透過更複雜的方法來共用頻譜空間。要做到這點,需要靠更複雜的演算法,手機與基地台也要有更強大的運算力,才能在無線頻譜的最小閒置空間中插入1與0。此外,5G網路將使用一種新的無線頻譜來發送更多的資料,以前大家認為使用那種頻譜不切實際。先進的半導體不僅可以在某個頻率的無線電波中塞入更多的1與0,也可以把無線電波傳得更遠,並以前所未有的精準度鎖定它們的傳輸。無線網路將辨識手機的位置,並使用波束成形(beamforming)的技術,直接向手機發送無線電波。典型的無線電波(例如傳到汽車收音機的音樂電波),是向四面八方發送訊號,因為它不知道你的汽車在哪裡。這種無線電波不僅浪費了電力,也產生更多的波與干擾。相反的,使用波束成形時,基地台可以辨識裝置的位置,只往該方向發送所需的訊號。結果是,對每個人來說,干擾更少,訊號更強。

能夠傳輸更多資料的更快網路,不止可以讓現有的手機運作得更快,還會改變我們看待行動運算的方式。在1G時代,手機太貴了,多數人買不起。到了2G時代,我們開始知道手機可以傳輸簡訊和語音。如今,我們認為手機與平板電腦應該擁有個人電腦的幾乎所有功能。當我們可以透過無線網路傳輸更多資料時,就會讓更多裝置連線上網。我們擁有的裝置愈多,它們產出的資料愈多,當然就需要更多的處理力來解讀那些資料。

可以讓更多裝置連線上網並從中獲取更多資料,這樣的前景聽起來可能沒有什麼革命性。你可能覺得,5G網路又不能泡出更好喝的咖啡,但不久的將來,你的咖啡機就會收集及處理它泡每杯咖啡的溫度與品質的相關資料。在商業與工業上,更多的資料與更多的裝置連線,將以多種方式帶來更好的服務與更低的成本,例如優化拖拉機在田間的行駛、協調裝配線上的機器人等等。醫療裝置與感測器將會追蹤及診斷更多的症狀。世界上可感測的資訊,遠比我們目前能夠數位化、傳輸、處理的還多。

伊隆.馬斯克(Elon Musk)的汽車公司特斯拉(Tesla)是說明連線力與運算力將如何把舊產品轉化為數位化機器的最佳案例。特斯拉的狂熱擁護者及飆升的股價吸引了大量的關注,但較少人注意到的是,特斯拉也是頂尖的晶片設計公司。該公司聘請吉姆.凱勒(Jim Keller)等知名的半導體設計師,專門為其自駕需求開發晶片,那些晶片是以頂尖的技術製造。早在2014年,一些分析師就指出,特斯拉的汽車3「類似智慧型手機」。大家常把特斯拉拿來與蘋果相比,蘋果也是自己設計半導體。就像蘋果的產品一樣,特斯拉精心微調的用戶體驗,以及看似毫不費力地把先進運算整合到汽車(20世紀的產品)中,這一切都是靠訂製的晶片才有可能辦到。1970年代以來,汽車就已經採用簡單的晶片了。然而,電動車需要專門的半導體來管理電源。電動車的普及,再加上自駕功能的需求增加,預示著一輛典型汽車內的晶片數量與晶片成本將大幅增加。

收發更多資料的能力,將會在處於網路「邊緣」的裝置上、在無線網路本身,以及在巨大的資料中心裡,創造出更多的運算力需求,汽車只是證明這點的最明顯例子而已。2017年左右,隨著世界各地的電信公司開始與設備供應商簽署建設5G網路的合約,中國的華為處於領先地位,提供業界認為高品質、4價格又有競爭力的設備。華為似乎可能在5G網路的建設中,扮演比其他公司更大的角色,超越僅剩的兩家無線基地台的主要供應商:愛立信與諾基亞。

與競爭對手一樣,華為在無線基地台的設備裡內建了大量的晶片。日本媒體《日經新聞》對華為的無線部門5做了一項研究,發現華為非常依賴美國製的晶片,例如萊迪思半導體公司的現場可程式化邏輯閘陣列(萊迪思就是幾年前紫光在俄勒岡收購的公司,後來紫光又出售了該公司的少數股權)。德儀、亞德諾、博通(Broadcom)、賽普拉斯(Cypress Semiconductor)也設計及製造了華為的無線設備所依賴的晶片。該研究顯示,美國的晶片與其他元件,占華為每個系統的近30%成本。不過,主處理器晶片是由華為旗下的海思半導體在國內設計的,並在台積電製造。華為尚未實現技術上的自給自足,它依靠多家外國晶片公司來生產專用半導體,也依靠台積電來製造其內部設計的晶片。然而,華為自己生產每個無線系統中一些最複雜的電子元件,也知道如何整合所有元件的細節。

隨著華為的設計部門證明自己有世界級的實力,不難想像,未來中國的晶片設計公司也會像矽谷巨擘一樣,成為台積電的重要客戶。如果以2010年代末期的趨勢來展望未來,到2030年,中國晶片業的影響力可能與矽谷匹敵。這不單只是顛覆科技公司與貿易流動而已,也會使軍力平衡重新洗牌