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5G商用前这些问题要先解决

时间:2018-06-25 作者:Martin Rowe 阅读:
在5G力拼2020上路之前,业界必须重新思考自身产业的策略方向:半导体厂可能必须改变晶圆工艺、工程师要搞清楚如何测试,手机设计人员要能追踪控制波束…

在我们真的看到5G网络和手机以前,半导体晶圆厂必须先改变其制造晶圆的方式,测试工程师需要搞清楚如何进行测试,还有,手机设计人员也得知道如何随着人们的移动而追踪控制波束。除此之外,无线产品还必须能以接近当前可负担的价格销售。这些都是日前在2018年国际微波会议(2018 International Microwave Symposium;IMS)中一场5G高峰会(5G Summit)的与会者提出的看法。

尽管目前已经有一些5G芯片陆续出现了,但究竟要采用什么工艺技术来生产功率放大器(PA)和相控阵天线,至今仍不明朗。针对PA,参与“智能型手机的毫米波无线:在未来2、5、10年…”(mmWave Radios in Smartphones: What they will look like in 2, 5, 10 years)专题讨论的成员们讨论了所谓的“IV族”工艺———如硅晶CMOS和锗,以及“III-V族”工艺——包括磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等。IV族是指元素周期表(Periodic Table)中第14列的元素,而III-V族则是第13和15列的元素。

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Harish Krishnaswamy在IMS 5G Summit上回答与会观众的提问

美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology;NIST)电子工程师的Dylan Williams、国家仪器(NI)研发工程师Amarpal Khanna是这场专题讨论的主持人。Williams指出,磷化铟在高频(此处指mmWave频段)方面的性能超越CMOS PA,而CMOS则在6GHz以下胜出。但是,美国哥伦比亚大学(Columbia University)电子工程副教授Harish Krishnaswamy则表示,相较于CMOS工艺,采用III-V族工艺打造的电路更加高效。此外,Lockheed Martin首席技术官Deveraux Palmer补充说,“当今的III-V族工艺也无法在高速下进行切换,”导致其用途受限。

不过,Williams问道:“效率那么重要吗?”症结就在于手机的续航力必须能在每次充饱后至少撑1天半,让使用者就算晚上睡觉前忘记为手机充电,第二天手机仍能正常使用或到了早上才充电。

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IMS 5G Summit与谈人(由左至右):Northrop Grumman先进计划项目经理Tim LaRocca、Maja Systems首席技术官Joy Laskar、Anokiwave营销副总裁Gary St. Onge、哥伦比亚大学电子工程副教授Harish Krishnaswamy、Lockheed Martin首席技术官Dev Palmer、Straighpath Communications技术副总裁Farshid Aryanfar、加州大学圣地亚哥分校(USCD)客座教授Walid Ali-Ahmad,以及专题讨论主持人——国家仪器(NI)研发工程师Amarpal Khanna与NIST电子工程师Dylan Williams。

“6GHz以上频率需要一些技术突破。”MACOM副总裁兼首席架构师Anthony Fischetti在稍后的简报中表示:“III-V工艺与CMOS不同,GaAs在6GHz以下频率的功率太大了。”Fischetti解释了他的公司MACOM如何因应这些不同工艺的作法。例如,MACOM目前正与意法半导体(STMicroelectronics;ST)合作,使用硅基氮化镓(GaN)工艺制造射频(RF)组件。虽然目前这一工艺可行,但所需要的生产数量仍不符实际。所需要的设备不是无法取得就是极其昂贵。他指出,以MACOM目前晶圆厂日以继夜运转来看,每周可制造大约5万片CMOS晶圆。而如果以当今所能取得的设备制造GaN (III-V)晶圆,该公司大概要花一个月的时间才能生产出相同的量。“采用III-V工艺的晶圆厂必须改变,才能尽快达到今日CMOS工艺的规模。”

Fischetti还指出,III-V工艺要在经济上可行,就不能有重制晶圆(reworked wafer)。质量必须成为工艺的一部份。此外,还必须使用光学微影技术拍摄各层影像至晶圆上。电子束(e-beam)微影技术的速度太慢了。III-V工艺的另一个问题是在无层室中不能出现任何金元素,员工也不能配戴金表和含金的珠宝等。

5G除了将带来工艺问题,还存在着测试挑战。在这场专题讨论上,Maja Systems首席技术官Loy Laskar表示,大约有80-90%的材料清单(BOM)成本可能都来自IC组装和测试。

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Charles Schroeder

尽管为军事应用打造的测试IC和系统采用特殊工艺、mmWave频谱和相控阵天线,但其数量并不多,但这种测试在针对具有庞大数量需求的消费装置则相当具有挑战性。NI RF营销副总裁Charles Schroeder、是德科技(Keysight Technologies)全球5G项目经理Roger Nichols强调了几项5G测试挑战,其中最明显的要算是必须采用空中传输(OTA)进行测试。透过OTA能够探测到具有高集成组件(PA与相控阵天线)的mmWave系统。但OTA测试确实会对生产测试时间造成影响,而且,测试设备必须有能力处理这些工作负载。

Schroeder指出,处理mmWave频率带来的更大带宽信号,需要庞大的运算能力,以及大量的时间。目前,测试工程师并不知道他们是否需要PC级的处理器、FPGA或GPU来处理信号。这需要对于目前处理无线信号的方式进行一些反思。

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其他问题则来自于高带宽。因为带宽相当宽——可能是100MHz,传输路径的阻抗可能会有所不同。测试系统必须知道这一点并相应地进行补偿。

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Roger Nichols

Nichols进一步讨论测试问题,并指出近场和远场测量的问题。“远场的OTA测试可能被认为比近场更困难。然而,二者其实存在着折衷。在远场,电磁场的表现更好。例如,此时更接近于典型定义的垂直E场、H场和波印廷(Poynting)向量。造成远场测试更困难的是信号损耗以及电波暗室的大小。而在近场,其挑战在于取得准确侦测天线行为以及信号相位与振幅之间的关系。再者,mmWave的波长短,由于近场变换至远场(NF/FF)与波长的倒数成正比,因此,波长越小,NF/FF转换之间的距离越长。”

Nichols指出:“人们所做的事情是很随机的,例如移动手机。”这种随机的移动并不是什么问题,因为天线的设计是全向性的。但是,为了降低5G的功耗,相控数组天线的波束控制将成为常态。这将迫使测试必须在不同的方向进行,测试系统必须验证手机,因为手机会不断地追踪其方向并相应地调整波束。最重要的是,必须降低测试的不确定性。Nichols说:“在你能取得验证数字以前,你无法确定其运作效能如何。”

编译:Susan Hong

本文授权转载自Aspencore旗下EDN姐妹网站EETimes。参考原文《5G Will Take Some Rethinking to Scale》,by Martin Rowe

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Martin Rowe
"EE Times/EDN资深测试与量测技术编辑。Martin Rowe在《测试和测量世界》担任技术编辑和高级技术编辑达20年,其中包括担任EDN Design Ideas编辑三年。在此期间,Martin的报道涵盖了大部分的技术和公司,包括台式仪器,如示波器、仪表、信号​​源及其应用。他最喜欢这些仪器的应用包括高速信号测量、基本测量(电压/电流/功率)、校准和EMC/EMI/RFI。所有这些都直接适用于连接器和连接性能。从2004年到2012年,为了了解工程师是如何进行测试的,Martin访问了多家公司,包括Bose,DeWalt和Tyco Electronics(现为TE Con​​nectivity)。 让Martin出名的还有他的音乐——他写了六首描述工程师生活的歌曲。这一切始于2006年的“测量蓝调(Measurement Blue)”,证明了任何事情都能用蓝调写出来,连接器都成了Martin的歌。 “Below a GigaHertz”这首歌向那些还工作在1GHz以下信号的工程师致敬,他们是古老历史的见证者。 Martin曾在IEEE EMC Symposia上现场演出了“The Measurement Blues”和“The Lab in the corner”。 Martin拥有伍斯特理工学院的电子工程学士学位和宾利学院的MBA学位。"
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