5G技术其修远兮,光功耗和成本问题就够它喝一壶?

2018-03-23 08:39:48 来源:EEFOCUS
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两种技术
5G技术有两种方案。一种是sub-6 GHz频段,它在4G LTE的基础上略有改进,另一种则使用了24GHz以上的频率,最终形式是毫米波技术。一般而言,随着频率的提升,数据传输速度和以更快速度传输更多数据的能力也会提高。另一方面,随着频率的提高,信号传播距离也在降低,结果就是,需要部署更多中继器和基站。这对半导体行业来说当然是一个好消息,但是这也同时意味着5G技术的推出时间要比前几代移动通信技术更长,因为需要更多的时间部署5G通信所需的更多基础设施。

“5G的频率非常高,噪音更低,并且可以催生新的应用,”格罗方德22FDX项目总监Jamie Schaeffer说。“从基站角度来说,需要一个带数据转换器的数字前端。而5G手机则需要集成前端模块,并实现低功耗。对于面部识别等应用,24 GHz-40 GHz频段下的5G技术是最好的解决方案。”

5G设备可以使用波束成形和波束追踪技术以及大规模MIMO(多输入多输出)技术将多组拆分信号拼凑在一起。

所有方案的背后都有技术权衡。随着频率的提高,用在RF滤波上的薄膜厚度变得更小,这就会产生另一个问题。

应用材料公司的Rosa说:“在2-2.5 GHz的频率下,前端RF薄膜(通常是氮化铝基薄膜)的厚度通常约为1微米。随着频率越来越高,薄膜变得越来越薄。当前的工艺很难控制8英寸和12英寸晶圆上的应力均匀性。所以增加了钪掺杂工序,但是它也有极限。最终你会发现,你需要反过来研究开发这些薄膜的方式,现在它们是通过溅射形式生成的。从短期来看,这似乎不是什么大不了的事情,但是随着时间的推移,我们需要寻找一些替代方案来沉积出更薄的薄膜来。”

即使是薄膜材料也可能发生改变。例如,现在人们普遍认为铌酸锂可能会替代氮化铝,因为它可以使机电耦合的效率加倍。现在大部分RF开关器件都是使用硅锗实现的,但是在基站中,一方面需要增加功率以将更多信号驱动到更多中继器上,另一方面还需要应对功率本身带来的电力成本,所以可能会用氮化镓取代硅锗。


其它技术问题
不仅仅是基站需要解决功耗问题,当5G手机掉线后搜索信号时,会比它们在有效的服务区中更快耗尽电池电量。

“用户设备天线端需要完成很多工作,以便当你拿起来设备时就能直接使用,”美国国家仪器公司软件定义无线电部门高级产品营销经理Sarah Yost说。 “目前,业界还在努力研究如何为所有这些天线创建高效的波束模式。 如果手机上有8到多达64路输入,波束模式的数量就会非常大。你可能有12个发送模式和12个接收模式,所有这些模式的幅度可能都互不相同。”

这使得使用当今的设备和方法测试5G芯片变得非常耗时。“今天,测试时间为毫秒级,”Yost说。“如果需要测试所有这些波束模式和更多能力,测试时间会延长2500倍之多。这些芯片的测试是必不可少的,只是现在您需要采用不同的测试方法,我们现在正在试验空中测试方法。”

 

图3 布里斯托大学和隆德大学研制的128天线大规模MIMO测试平台


这种方法的优点是它可以连续测试芯片,从而优化信号,但是在测试领域,这是一个新概念。“这种方案的优点是您可以将其升级为模块化平台,以便跟踪适应标准的变化,”Yost说。 “它使得平台成为真实网络的一部分,从而可以尽早让您在设计过程中实现拨打电话功能。”

该方法可以和某些外部系统级测试相结合,以加速测试和内置自检过程。


为变化做计划
目前的设计层面也不是太明朗。太多的未知因素使得芯片设计优化变得困难重重。因此,无论是在架构层面还是在结构布局方面,都需要增加灵活性,在可编程能力的逻辑层面也要灵活可变。

“人们在想,他们是否需要更大的控制系统,”NetSpeed Systems首席执行官Sundari Mitra说。 “这需要架构层面的根本性改变,需要更多的动态计算,这意味着这些设计的复杂程度会有所提高。你不能采用传统的系统架构,把它拼凑到5G系统中,因为5G需要异构计算,需要访问内存的不再只是单个处理器。”

从任何角度来看,5G本身就是一种颠覆性技术。但是,当它和自动驾驶技术等其它颠覆性技术结合使用时,未知因素会显著增加。

ArterisIP首席技术官Ty Garibay表示:“当一辆汽车进入自动驾驶模式后,将始终需要5G连接性。这些汽车每个小时就会产生数TB的数据。其中一些数据会在终端芯片处理,另外的数据则需要转发后在云端处理,5G将是转发数据的关键。挑战在于如何将不同类型的处理和I/O汇集在一起,对任何人来讲,这都是一个大难题。”

与前几代移动通信技术不同的是,5G的采用可能将是多代技术混合长期演变的过程。因此,虽然5G将会在不久的将来就会推出,但是实现城市之外的5G手机和基站覆盖可能需要长达数十年时间。事实上,这项技术是否具有普遍性目前也存在争议。

“如果你看看现在所谓的5G系统,它们只能算是原型机,”Achronix战略规划和业务发展高级总监Mike Fitton说。 “这就是为什么他们都使用可编程逻辑的原因。标准在发生变化,一些不同的应用场景也在不断出现。所以你需要在ASIC中建立一些可编程性。3G和4G也是如此,这些技术的早期市场几乎完全基于FPGA,市场成熟之后,才被ASIC取代,以降低成本和功耗。5G同样如此,只是它需要更长时间。它的演进第一阶段将是UHF,然后是毫米波。所以,市场表现将是,在4G的汪洋大海中,5G刚开始作为孤岛出现,然后慢慢扩大势力范围。”

但是,5G什么时候爆发并不明确。Flex Logix公司首席执行官Geoff Tate表示,由于这种不确定性,业界对eFPGAs的兴趣大增。他表示:“随着5G的出现,人们对嵌入式FPGA的兴趣不断增加。基站存在功率限制。如果可以不使用SerDes,就可以节省大量的电力。功耗节约很重要,因为性能要求会越来越高。而且,5G需要部署更多的基站,现在是每半英里大概有一个基站,但是5G的部署密度会更大。一个大基站会跟着很多小基站,这将对功率提出更大的要求。”

这对于嵌入式可编程器件来说是一个好兆头,因为它们比ASIC灵活性更强,而且比分立式FPGA更小,功耗更低。

Achronix的Fitton指出,5G规范的下一个修订版,即修订版16会增加一些额外的功能。“你会发现这些新功能非常适合于物联网类型的应用,物联网需要超可靠的低延迟特性,5G会催生一些新的应用案例。”


技术演进
以更高的视角来看,从5G的最初发布,到该技术未来的迭代,5G生态系统有很多不断变化的组成部分。实际上,这就像管理一个随着时间不断变化的3D矩阵一样,矩阵中的各个部分处于研究、开发甚至定义的不同阶段。

“在5G中,您可以将模拟、数字和RF系统融合在一起,”ClioSoft市场营销副总裁Ranjit Adhikary说。“一旦你开始使用这项技术,一些bug会隐藏在IP中迁移,过了一段时间之后,就没有人能够搞明白为什么要做某件事。人们在不同的公司跳槽,大量的IP知识就逐渐消失不见了。”

Adhikary说随着5G技术的演进,IP的开发、优化和描述也会受到影响。“现在的5G没有太多第三方IP,但是我们必须确保一点,当新版本的5G技术发布时,在系统级层面来看,所有要素都要能够很好地被追踪到,包括脚本和流程在内。5G技术的演进将以有线调制解调器为起点,因为它的协议和规范变化非常快,以至于过了几个月之后就很难再追踪到它的变化。而且,全球范围内公司那么多,你必须跟踪正在使用的IP是为哪个版本开发的,是这家第三方IP的哪个版本。如果规范出了新版本,你怎么确保使用这个IP的所有人都能使用正确的IP呢?”


结论
多个市场和技术之间的不确定性正在相互交织,提出了更多关于未来将如何使用5G技术、5G什么时候商用、最终需要花费多少资金和其它资源的问题。

“所有这些市场都对续航、成本有额外的要求,未来在实现自动电气控制时,它们仍然会对系统设计和制造造成重大挑战,”联华电子的Liu说。

在这些技术的转变中,5G是其中一个重要难题,但是究竟有多难,何时能商用还有待继续观察。

 

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