Разбор множества способов, которыми первое поколение оборудования с поддержкой 5G (временно?) уничтожит существующие наработки в дизайне телефонов
«5G уже здесь»
5G уже здесь, но это не значит, что вам обязательно его покупать
2019 год станет годом 5G – по крайней мере, такие заявления продолжает делать сотовая индустрия. Мы увидим запуск продаж нескольких смартфонов с поддержкой 5G от таких OEM, как Samsung, Motorola и OnePlus, а операторы будут лезть вон из кожи, рассказывая вам, насколько круты их новые сети 5G, несмотря на кучу звёздочек после рекламного текста. Я хотел придумать какую-нибудь шутку, демонстрирующую абсурдный уровень шумихи вокруг 5G, но очень сложно переплюнуть реальные цитаты от директоров предприятий – например, Verizon заявляет, что 5G «кардинально улучшит наше глобальное сообщество». Более быстрый мобильный интернет уже на подходе, но на самом ли деле пора беспокоиться на этот счёт?
Недавно Qualcomm сделала большое объявление о своих чипах на 2019 год, и поскольку это крупнейший поставщик чипов для смартфонов в мире, мы можем составить достаточно неплохое представление о том, как будет выглядеть будущее железо для 5G. Индустрия изо всех сил старается представить 5G как «следующий хит», но 5G наступающего года будет определённо пробой первого поколения. Самым первым пользователям 5G придётся принять весь спектр компромиссов. И в связи с тем, что там, где вы живёте, может в принципе не быть покрытия 5G, возможно, лучше будет просто подождать годик-другой.
Справочник по 5G mmWave: используем спектр, который никому не был нужен
5G – это краткое обозначение технологии сотовых сетей следующего поколения, запускающейся в 2019-м. Вся эта система нумерации с буквой G началась в 1990-х с запуска технологии GSM, которую назвали «вторым поколением» [second generation], или 2G – мобильных сетевых технологий. GSM обновила самые первые сети с аналогового в цифровой вид, и поэтому старые аналоговые сети задним числом назвали 1G. С тех пор мы получаем всё новые G после каждого обновления сетей примерно раз в 10 лет. Эти этапы развития подарили нам такие важные вещи, как сообщения SMS и MMS, сети на основе IP и мобильный интернет, и, конечно, ещё больше скорости.
Сегодня современные смартфоны работают на 4G LTE на частотах в промежутке от 450 МГц до 5,9 ГГц. Переход на 5G будет включать улучшения существующей инфраструктуры LTE, но определяющие характеристики 5G – это добавление нового куска спектра в диапазоне от 24 ГГц до 90 ГГц. Индустрия договорилась называть этот диапазон mmWave (от «миллиметровые волны»), и они потребуют установки нового железа в телефон, нового оборудования на башни и больших изменений в схеме работы телефона и телефонной сети.
mmWave предлагает широкую полосу спектра, но её сложно использовать
Мы привыкли, что эти обновления сети G сопровождаются убедительными презентациями о том, насколько лучше всё станет после внедрения, но переход к 5G mmWave нельзя назвать убедительным аргументом. Поскольку частота работы диапазона mmWave гораздо выше, чем у LTE, у него хватает недостатков. У диапазона меньшее расстояние приёма, он хуже проникает сквозь препятствия, по сравнению с LTE. Сигнал mmWave блокируется зданиями, деревьями, и даже рукой. mmWave плохо работает во время дождя или тумана, а на уровне 60 ГГц сигнал поглощается кислородом. Да, да – часть спектра mmWave блокируется воздухом.
Учитывая такое количество препятствий, которые необходимо преодолевать, mmWave кажется ужасным отрезком спектра для выстраивания на его основе мобильной сети, пока вы не рассмотрите два ключевых момента: увеличение частоты означает, что у mmWave большая пропускная способность и малое время ожидания, если всё сработает, как надо, и, самое главное, этот спектр свободен. mmWave не используется практически ни для чего, поскольку работать с ним – одна головная боль. Поэтому, если вы сможете решить все проблемы реализации, у вас внезапно появится огромное рабочее пространство. И это первое, о чём рассказывают компании, когда начинается разговор про mmWave. Они говорят, что вся эта затея будет крайне сложной и весьма трудной, но оно того стоит.
LTE появился в 2011 году, и за последние годы наблюдается значительный прогресс в деле уменьшения, ускорения и повышения эффективности работы смартфонов с 4G. С 5G мы потеряем довольно крупную часть этой технической зрелости, запихнув в аппараты кучу нового дорогого оборудования для 5G.
Отдельные модемы 5G – больше компонент, больше потребление, меньше батареи
Сегодня почти все смартфоны работают на основе одного чипа, который подходящим образом называется "система на чипе" [System on a Chip] или SoC. Название говорит нам о том, что это основные компоненты, при помощи которых можно создать компьютер на одном крохотном чипе. Обычно там находится куча ядер CPU, GPU, ISP для камеры, WiFi и многое другое. Память технически не располагается на этом чипе, но для экономии места её размещают поверх SoC. Главный компонент, находящийся не на SoC, это хранилище, а кроме того по материнской плате обычно бывают рассыпаны крохотные чипы, управляющие питанием, аудио, Bluetooth, NFC и всем остальным. А затем задачей материнской платы уже становится соединить всё со всем и быстренько убраться с дороги, поскольку как можно большую часть телефона необходимо заполнить аккумулятором.
Суть в том, что место внутри смартфона очень ценное, и хотя мы ничего не можем сделать с размером таких компонентов, как SoC, камера, SIM-карта или USB-порт, мы как угодно можем менять размер батарейки. То есть, «размер смартфона» означает «размер батареи». Если что-то увеличивается в размерах, батарея уменьшается. Всё, что требует дополнительных компонентов, уменьшает батарею. Батарейка получает оставшееся пространство смартфона (это и есть аргумент против разъёма для наушников).
В последние годы производители смартфонов пытались убедить нас, что разъём для наушников нам не нужен, и что их удаление позволит уменьшить сложность системы и освободит место для батареи. Директор Razer Минь-Лян Тань даже оценил это количественно: он заявил, что избавившись от разъёма для наушников в телефоне Razer Phone, компания могла бы увеличить ёмкость батареи на 50 мАч.
А почему это важно в статье про 5G? Если кратко, то 5G mmWave потребует гораздо большего количества железа, чем 4G, что и поднимает все эти проблемы с размером аккумулятора и сложностью устройства.
Для 5G нужен отдельный чип, даже с новой SoC от Qualcomm
Крупнейшим преимуществом Qualcomm в эру 4G были их модемы. Комбинация собственных технологий и прав на интеллектуальную собственность позволила компании стать единственным производителем чипов, способным комбинировать SoC и модем на одном чипе и продавать это по всему миру за небольшие деньги.
Qualcomm – единственная компания с доступным решением SoC+модем, имеющая значительную сеть распространения по всему миру.
Samsung предлагает интегрированные модемы в линейке Exynos, но в США, Китае, Латинской Америке и Японии устройства от Samsung всё равно используют чипы от Qualcomm. Huawei и MediaTek находятся в сходном положении: они могут изготавливать LTE на чипе, но не распространяют эти чипы по всему миру. Apple делает SoC для iPhone, но использует отдельный чип для модема. Apple ушла от модемов Qualcomm в iPhone XS в пользу модемов от Intel, но это породило целый ворох судебных разбирательств между Apple и Qualcomm.
Qualcomm принадлежат базовые патенты на сотовую связь в некоторых странах, и она агрессивно использует свою интеллектуальную собственность для поддержания доминирующей позиции. Компания уже сталкивалась с многочисленными судебными разбирательствами со стороны многих компаний во многих странах мира в связи с недобросовестным лицензированием патентов, но это не повлияло на реальность рынка, на котором все, кроме Apple, используют модемы от Qualcomm.
Решение на одном чипе – большое преимущество, позволяющее сделать материнскую плату меньше размером, дешевле и проще, оставив больше места для аккумулятора. Если свести всё на едином чипе, это позволит сэкономить энергию во время работы, поскольку обычно один чип потребляет меньше энергии, чем два. Годами пользователи Qualcomm с удовольствием пользовались SoC с модемами 4G LTE, и компания использовала это преимущество для доминирования на рынке. Сегодня она практически держит монополию среди производителей SoC высокого класса, поскольку практически все флагманы на базе Android используют SoC от Qualcomm.
Qualcomm недавно продемонстрировала свой флагманский SoC на 2019 год, Snapdragon 855. И хотя компания тратит бешеные усилия на раскрутку шумихи вокруг возможностей Snapdragon 855, касающихся 5G, у него на борту не будет модема 5G mmWave. У него будет встроенная поддержка LTE, как обычно, но телефонам понадобится отдельный модем для 5G – Qualcomm потеряет свое преимущество единого чипа при появлении 5G. Как я объяснял выше, это будет означать уменьшение аккумулятора и увеличение энергопотребления.
Мы уже переживали всю эту историю с «сетевым оборудованием первого поколения». Когда начался переход на 4G, первая партия оборудования тоже пришла с отдельными модемами – этот компромисс мы увидим и в случае с 5G. Наиболее знаменитым примером был HTC Thunderbolt, первое устройство с поддержкой 4G в сети Verizon. Он использовал Qualcomm Snapdragon MSM8655 SoC (до упрощённой нумерации моделей) с отдельным LTE-модемом Qualcomm MDM9600. И этот Thunderbolt стал катастрофой, поскольку всё его новое 4G оборудование шло в комплекте с аккумулятором всего на 1400 мАч. Телефон был медленным, горячим, глючным и быстро тратил батарейку. Thunderbolt постоянно попадает в списки худших телефонов за всё время, и один сотрудник HTC даже извинялся за его создание. Новое сетевое оборудование может обернуться катастрофой, если его неправильно применить.
Гигантские чипы первого поколения 5G от Qualcomm
Не могу гарантировать, что первое поколение оборудования 5G окажется настолько плохим, как Thunderbolt – с тех пор в дизайне смартфонов многое поменялось – но беспокойство по поводу ранних версий сетевого оборудования остаётся. Новое сетевое оборудование является новым потому, что его впервые уменьшают достаточно для того, чтобы оно могло поместиться в смартфоне. Компании не ждут до тех пор, пока им будет легко удовлетворить требования по размеру, чтобы выпустить продукт; они начинают разработку нового телефона в ту же секунду, когда сетевое оборудование едва-едва вмещается. Эти устройства 2019 года наверняка будут переполнены железом для 5G – самым крупным из существующего железа для 5G.
Давайте сравним внутренние компоненты, необходимые для того, чтобы заработали сети 4G и 5G. Касаемо основных чипов от Qualcomm в 2019 году в телефоне с 4G будет установлен Snapdragon 855 – и всё. В него встроен LTE-модем, поэтому отдельный чип не нужен, а антенны для LTE – это крохотные проводочки, обычно интегрированные в материнскую плату. 5G – совершенно другое дело: вам будет нужен Snapdragon 855, модем Snapdragon X50 5G, набор антенных модулей QTM052 – а это реально чипы, а не просто проводочки или дорожки материнки.
Чипы Qualcomm рядом с центами для масштаба
Я не встречал публикаций от Qualcomm с размерами чипов 5G или Snapdragon 855, но они по привычке выкладывают их фотографии рядом с центами. Они должны говорить, «посмотрите, насколько наши чипы малы», но кроме того, они дают прекрасную шкалу – мы можем загрузить фотки в фотошоп и получить изображения чипов в масштабе.
Получается, что чипы 5G первого поколения будут здоровенными – по крайней мере, по сравнению с другими чрезвычайно мелкими компонентами. Модем X50 и единственный модуль RF занимают больше места, чем весь Snapdragon 855. Учитывайте, что 855-й – это SoC полностью, то есть всё, что нужно для работы компьютера, плюс встроенный модем 4G, поэтому невероятно, что модем 5G и один модуль RF занимают почти столько же места, как все остальные ключевые компоненты, за исключением хранилища. Пока что у 4G есть аккуратная схема размещения на чипе, а 5G придётся иметь дело с массивными чипами.
«Экспоненциально» более сложное железо и куча трудностей в разработке
На конференции Qualcomm Snapdragon Summit на Гавайях, проходившей в декабре, президент компании Кристиано Амон немного рассказал о том, насколько сложно создать смартфон для 5G. На одном из слайдов презентации упоминалось, что 5G «экспоненциально» усложняет разработку смартфонов. И хотя Амон надеялся, что это будет впечатляющим комплиментом инженерам компании, по-моему, это звучит, как ужас, убивающий аккумулятор. Сложность – это плохо. Сложность – это дорого.
Дело не только в том, что железо для 5G крупнее железа для 4G – нужно будет набить телефон железом для 5G, чтобы заставить его работать. mmWave так плохо проникают через препятствия, что сигнал можно легко заблокировать рукой – а для устройства, которое вы постоянно держите при использовании, это представляет проблему. Чтобы избежать ситуации, в которой вы "держите его неправильно", Qualcomm решила набить телефон несколькими антеннами 5G.
Так что вашему телефону потребуется не только Snapdragon 855, модем X50 и антенный модуль QTM052 – ему потребуется несколько чипов QTM052. В спецификациях компании указывается, что для обхода ограничений mmWave потребуется четыре модуля, размещённых в разных местах, хотя более передовые версии схемы могут обойтись и тремя. На всех диаграммах для 5G изображено четыре антенных модуля – по одному с каждой стороны. На «справочной» схеме прототипа 5G видно три антенны 5G – сверху, слева и справа. У 5G Moto Mod от Motorola – а это самое близкое к реальному потребительскому продукту, что есть на сегодня – четыре антенны: слева, справа, и две наверху.
И неважно, какую конфигурацию выберут OEM, судя по всему, у всех телефонов будет по нескольку антенн, и телефон сможет выбирать антенну, которую в данный момент не блокирует ваша рука. К примеру, если вы держите его в портретном режиме, то ваша рука может блокировать левую и правую антенны, и телефон может переключиться на верхнюю и нижнюю. Если вы используете ландшафтное расположение, всё происходит наоборот. 5G будет самостоятельно переключаться на антенны, способные работать с сигналом.
Больше антенн – более сложные внутренности и меньше свободного места. Возвращаясь к фотографиям чипов в масштабе, мы видим, что набор чипов будет занимать огромный объём по сравнению с 4G. Не знаю, какова их толщина, но если мерить в пикселях, то 5G занимает в 3,3 раза больше площади, чем 4G на SoC. Для индустрии, которая уже не может обеспечивать разъём для наушников, поскольку он занимает слишком много места, всё это дополнительное 5G оборудование сложно оправдать.
Антенны сбоку? У типичного смартфона по периметру идёт металлическая рамка – и этот вариант явно уже не пройдёт
Но разработка схемы становится более сложным делом, чем просто размещение всех компонентов на плоском листе. Несколько антенн нужны для реализации техники под названием «трёхмерное формирование лучей» [3D beamforming]. Вместо того, чтобы отправлять сигнал в виде волны (представьте себе символ WiFi), формирующая луч антенна может обнаружить станцию и запустить концентрированный сигнал прямо в неё. При этом станция будет обнаруживать ваш телефон и отправлять луч прямо к вам. Qualcomm говорит, что эта технология – ключевое свойство устройств 5G, поскольку концентрированный луч поможет преодолеть некоторые проблемы mmWave, связанные с расстоянием и проникновением. И пока что все спецификации Qualcomm и всё железо говорят о том, что эти антенны располагаются в перпендикулярной плоскости к материнской плате, на краю телефона.
Если для электроники 5G реально нужно, чтобы большая площадь поверхности антенны была сбоку – а пока что все свидетельства подтверждают это – это вызывает некоторые интересные мысли по поводу дизайна. Сегодня беспроводные зарядки привели к тому, что телефоны переходят от полностью металлических корпусов к стеклянным крышкам, позволяющим радиосигналам проходить сквозь заднюю часть корпуса. Поскольку стекло не такой уж прочный материал, у этих телефонов имеется металлическая рамка, упрочняющая конструкцию, которая обычно видна с боков. Вряд ли смартфон с металлическим ободком будет совместим с антеннами 5G, расположенными по сторонам. Конечно, стеклянного ободка тоже быть не может, и что же остаётся – пластик? 5G может открыть эру смартфонов с пластиковыми боками. Другого способа заставить эти боковые антенны работать я не вижу.
Кроме того, кому-то придётся оплачивать все эти дополнительные компоненты 5G, и, судя по всему, это будет делать потребитель. Директор OnePlus Пит Лау недавно рассказал The Verge, что 5G сделает телефоны дороже на $200-$300. А это куча денег за телефон, который будет больше размером и меньше проработает, чем телефон с 4G.
Жестокая реальность выхода 5G
5G, очевидно, потребует от смартфонов компромиссов в области железа – по крайней мере, в ближайшем будущем. Переход на 5G будет означать принятие множества компромиссов по сравнению с телефоном 4G – а что же мы получим взамен? В 2019 году – только «возможно, более быстрый интернет», что зависит от целой кучи переменных, связанных по большей части с вашим местоположением. Во-первых, вы должны быть в городе, где работает 5G, потом вы должны находиться в определённом месте, где можно принять сигнал 5G, а потом вам надо решить, нужно ли вам вообще это увеличение скорости.
Судя по диаграмме, Qualcomm представляет себе, что mmWave будет использоваться только в городах, из-за ограничения по расстоянию. В других местах будут только LTE различных классов.
Большая скорость на 5G связана с возможностью в первую очередь поймать сигнал 5G, а пока что реализация этой технологии кажется кошмаром. Поскольку 5G работает на более высоких частотах и гораздо хуже проникает сквозь препятствия по сравнению с 4G, обновлением базовых станций дело не закончится. Снаружи зданий неэлегантным решением проблем с дальностью работы и слабым проникновением 5G будет «построить больше вышек», то есть, медленные переговоры по поводу прав на недвижимость и размещение вышек.
Из-за ограниченной дальности пока что даже не стоит такой задачи, покрыть 5G mmWave всё вокруг. Директор Qualcomm описал архитектуру 5G в США, как использование mmWave в «плотной городской застройке» – а в других местах останется только LTE. Использовать mmWave в городах довольно разумно, если учесть проблемы с дальностью. Постройка огромного количества новых сотовых вышек для 5G не окупится вне города, поэтому там придётся довольствоваться LTE. А даже если вы окажетесь в городе с покрытием 5G, поймать его в помещении будет проблематично из-за проблем с проникновением сквозь препятствия. Скорее всего для того, чтобы ловить 5G в зданиях, нужно будет размещать вышки внутри них (точки доступа femtocell), или вы откатитесь на LTE. Ни один представитель индустрии не заявляет об отказе от LTE, и более того, текущий план подразумевает усовершенствование LTE параллельно со вводом 5G.
Так что, несмотря на большую шумиху по поводу скоростей, в принципе достижимых на 5G, реальные модемы 2019 года не получат увеличения скорости «в десять раз», которое так часто упоминается – особенно при условии усовершенствований LTE. Модем 4G LTE, находящийся на борту Snapdragon 855 – а это решение на едином чипе без каких бы то ни было компромиссов, присущих 5G – получил новую теоретическую максимальную скорость в 2 Гбит/с, если верить Qualcomm. Модем X50 5G и кучка радиомодулей могут более чем удвоить эту теоретическую скорость скачивания, доходя до 5 Гбит/с.
Но оба этих числа – это теоретические скорости, которых никогда не достичь в реальности. Однако имейте в виду, что для идеального просмотра видео высокого качества с разрешением 1080р на 60 кадрах в секунду вам нужна скорость только в 0,006 Гбит/с. Даже такие безумные вещи, как потоковое видео 4К, требует лишь около 0,025 Гбит/с, поэтому текущих скоростей 4G достаточно для всех. Уверен, что когда-нибудь, когда мы начнём передавать потоковые данные для виртуальной реальности на компьютер в шлеме, нам пригодится быстрый интернет 5G. Но для моего следующего смартфона LTE – который ещё не закончил ускоряться — должно хватить с лихвой.
Вернёмся к теме в 2020-м
5G mmWave 2019 года даст нам более толстые, горячие и сложные телефоны, использующие больше энергии и стоящие больше. Пока у нас нет коммерчески доступных примеров, так что реальные последствия всех этих ухудшений ещё предстоит понять, но нельзя отрицать, что железо 5G первого поколения не будет дотягивать до более зрелых схем 4G. И поскольку сети 5G пока находятся в зародыше, а за телефон с 5G собираются просить дополнительно $200-$300, похоже, что для пользователя этот вариант не будет оправдан.
Qualcomm права насчёт верхушки айсберга, но покупать только верхушку не стоит.
Ни одна технология не появляется полностью сформировавшейся. Эти ранние разработки 5G необходимо проводить, они закладывают фундамент для будущих улучшений. В будущем технология 5G будет важной, по крайней мере, для больших городов, и она нужна, чтобы помочь мобильным сетям выживать в условиях постоянного запроса на увеличение пропускной способности. Но это не значит, что вы обязаны тратить деньги на 5G прямо сегодня.
Через пару лет железо для mmWave станет более зрелым и интегрированным. Один из знаков, за которыми стоит следить – будет ли в 2020 году SoC от Qualcomm включать в себя интегрированный модем 5G, поскольку это вернёт множество преимуществ системы на одном чипе, которые сейчас есть у 4G. Но незрелость 5G не остановит надвигающегося рекламного шторма. Вскоре вы увидите запуске первого телефона с поддержкой 5G у оператора Х, и все операторы планеты будут рекламировать 5G как лучшее, что случилось с момента изобретения нарезанного хлеба. Не верьте шумихе. В ближайшем будущем, если вы сможете купить телефон версии 4G, то, пожалуй, вам стоит так и поступить.
Автор: Вячеслав Голованов
