Mobilfunk: Mit 5G wird es eng im Smartphone

Zu Beginn des nächsten Jahres werden die ersten 5G-Smartphones auf den Markt kommen. Die Grundlage wird in vielen Fällen Qualcomms Fusion Platform auf Basis des Snapdragon 855 und des 5G-Modems Snapdragon X50 bilden. Chips und Antennen werden um jeden verfügbaren Kubikmillimeter im Smartphone-Gehäuse kämpfen.

Die fortschreitende Miniaturisierung von Hardware-Komponenten aus immer kleineren Fertigungsprozessen wird im 5G-Zeitalter eine noch wichtigere Rolle spielen. Denn obwohl viele Bauteile stetig kleiner werden und dadurch weniger Platz im Smartphone benötigen, wird es mit den ersten 5G-Smartphones seit langer Zeit wieder aufwendiger, die gesamte Hardware in dem Gerät unterzubringen. Dass parallel die Displays mehr von der Vorderseite einnehmen und Kameramodule aus mittlerweile mindestens zwei, wenn nicht sogar aus drei Objektiven bestehen, macht die Sache für Ingenieure nicht einfacher. Einzig der Trend zu größeren Bildschirmen lässt viele Firmen aufatmen.

Ein 10-nm-Modem fast so groß wie ein 10-nm-SoC

Dass Smartphone-Hersteller bei der Entwicklung der ersten 5G-Smartphones sorgsam mit dem im Gehäuse zur Verfügung stehenden Volumen umgehen müssen, verdeutlicht schon die Tatsache, dass Qualcomm das eigene 5G-Modem Snapdragon X50 zunächst nicht direkt in ein SoC integrieren wird. Fusion Platform nennt sich die mit dem zum Dezember erwarteten Snapdragon 855 eingeführte Lösung, die das SoC samt integriertem LTE-Modem Snapdragon X24 mit dem 5G-Modem verbindet. Dass das Snapdragon X50 schon für sich alleine betrachtet ein hochkomplexer Prozessor ist, der vergleichsweise viel Platz benötigt, zeigt der Größenvergleich mit dem Snapdragon 845. Wie groß der Snapdragon 855 aus der 7-nm-Fertigung sein wird, ist noch nicht bekannt.

Das Package von Qualcomms 5G-Modem hat trotz der modernen 10-nm-Fertigung eine Größe von 11 × 10,8 mm. Zum Vergleich: Der gesamte Snapdragon 845 samt Snapdragon-X20-Modem nimmt 12,4 × 12,4 mm ein. Wollte Qualcomm das Snapdragon X50 direkt in den Snapdragon 855 integrieren, würde das Package deutlich größer ausfallen. Deshalb gibt es mit der Fusion Platform eine alternative Lösung, die das 5G-Modem extern auslagert. Ähnlich macht es derzeit schon Apple mit den SoCs der A-Serie, die ebenfalls kein Modem integriert haben. Das kauft Apple derzeit noch extern bei Intel und Qualcomm ein und verbaut es separat auf dem Logic Board.

Wohin mit all den Antennen?

In einem 5G-Smartphone benötigen aber nicht nur SoC und Modem mehr Platz, sondern auch die neuen 5G-Antennenmodule, wie sie Qualcomm passend zum Snapdragon X50 vor einigen Tagen vorgestellt hat. Qualcomm geht davon aus, dass Smartphone-Hersteller von dem Millimeterwellenspektrum-Antennenmodul der Familie QTM052 im Regelfall drei verbauen werden, möglich ist aber der Einsatz von bis zu vier Modulen. Alleine eines der Antennenmodule belegt schon eine Fläche von 18,6 × 6,9 mm.

Wie davon platzsparend bis zu vier unter Berücksichtigung der anderen Antennen für LTE, WLAN, Bluetooth, GNSS, NFC und andere Funktechnologien in einem Smartphone untergebracht werden sollen, wird Ingenieure vor neue Aufgaben stellen. Und dann müssen ja auch noch die RF-Module für den hierzulande zunächst relevanten Sub-6-GHz-Bereich integriert werden. Im Rahmen der letztjährigen 4G/5G-Konferenz von Qualcomm hatte Sony erklärt, dass die Integration der Antennen eine der großen Herausforderungen bei der Entwicklung von 5G-Smartphones werden wird. Es wird spannend zu beobachten werden, wie die ersten 5G-Telefone der Smartphone-Hersteller im kommenden Jahr aussehen und vor allem wie teuer diese aufgrund der aufwendigen Entwicklung sein werden. Und, wie groß ein 5G-Smartphone werden wird.