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有些人認為5G離他們太遠，還沒到馬上要考慮的地步；也有些人認為5G太復雜，或目標太前衛。可是朋友們，5G將會像餓虎撲羊一樣快速到來。 在與許多重要的半導體公司的交流中，我感覺他們最有可能在目前的架構以及未來的技術、工藝和架構等演變與發展基礎上創建出5G解決方案。本文討論了5G發展道路上可能出現的情況，介紹了各方的觀點。當然，這些公司對路線圖的規劃是非常小心謹慎的，但從他們的表述中可以看到許多精辟的見解。 本文將從分立半導體解決方案開始討論，然后介紹本人對架構、接口和工藝方面的預測，最后討論來自這個行業中的半導體領先公司有關IC解決方案可能性和挑戰的反饋，得出更復雜的IC解決方案，并以時鐘問題結束。 宜普電源轉換公司 我與宜普電源轉換公司的首席執行官、共同創始人Alex Lidow一起討論了5G，他表示： 隨著消費者要求通過無線方式獲得更多的數據，這個行業迫切需要從4G升級到5G傳輸技術。遺憾的是，當數據傳輸速率越來越高時，傳送設備的效率呈現不可接受的指數式下降。這種效率的下降可以通過利用一種被稱為包絡跟蹤的技術來解決，這種技術在較新的4G/LTE基站以及蜂窩電話中已經被采納。基站中的包絡跟蹤所要求的高速、大功率和高電壓性能只有使用氮化鎵(GaN)技術才能滿足。對氮化鎵晶體管來說這是最大的市場之一，今后幾年都將如此。 本人非常期待增強型氮化鎵(eGaN)技術成為提高5G基站基礎設施功效的最重要解決方案之一；在5G系統中峰均比將更低。包絡跟蹤顯然是目前eGaN功率晶體管能夠馬上實現的一種方式，而且在今后3至5年中，隨著eGaN技術的不斷發展，將有更多的應用涌現出來。 圖1：線性輔助開關的實現電路，可用作射頻功放的包絡跟蹤電源。 Lidow指出： 電子在GaN中的移動具有更高的效率，加上小結構尺寸，非常有利于提高器件的速度(電子的遷移距離不必像硅器件中那么遠)。 目前在4G蜂窩電話中使用的2.61GHz頻率用CMOS能夠很好地應付。但對5G及更新代的移動通信來說，期望的頻率在3.8GHz以上，甚至高達13GHz。這些頻率要求基站和蜂窩電話中的功放(PA)使用其它的材料來實現。 GaN Systems公司 GaNSystems公司擁有一種非常巧妙的島技術。他們的島結構就是核心GaN Systems IP。它具有減小氮化鎵器件尺寸和成本的雙重優勢，同時又能從片上金屬到單獨載體傳輸大電流。GaNSystems公司的目標是使設計師和系統工程師能夠輕松采用氮化鎵器件，筆者認為這對更高效的5G散熱解決方案來說很重要。 GaN Systems公司負責銷售和營銷的副總裁Larry Spaziani對此話題也很感興趣。下面是他的想法： 實現5G網絡所需的功率晶體管革命將源自氮化鎵。 我們目前處于什么位置，為什么？ 數據中心：一直希望采用相同的冷卻技術在相同的機架中容納更高的功率→更高的密度，更高的效率。 數據中心和基站：總體擁有成本→ 降低供電成本→在各種負載情況下都具有更高的效率。 基站：在固定功率的基礎設施中容納更大的容量/更多的信道→更高的效率，更高的密度，以及包絡跟蹤。 5G目標： ·每個地理區域中的移動數據量增長1000倍，達到≥10 Tb/（s?km2）的目標； ·聯網設備的數量增長1000倍，密度達到≥1M終端/km2； ·用戶數據速率提高100倍，峰值終端數據速率達到≥10Gb/s； ·與2010年相比，能耗降低到原來的1/10； ·端到端延時減小到1/5，比如觸覺互聯網和射頻鏈路延時達到5ms，車到車通信延時目標≤1ms； ·網絡管理運營成本(OPEX)減小到1/5； ·服務部署時間減小到原來的1/1000，一次完整的部署時間在≤90min以內。 很難(我想說不可能)想象，沒有電源管理方面的徹底革命性的改變能夠實現這些目標。大多數主要的細分市場領先公司都將寬帶隙特別是硅基氮化鎵(因為我們討論的是12V至離線電壓范圍內的電壓)看作是實現電源管理巨大改進的一種方式。 讓我們詳細討論每一項： （1)每個地理區域中的移動數據量增長1000倍，達到≥10Tb/s/km2的目標。 ·更多數據=更多數據中心=更多服務器=更多功耗→需要更高的效率和更多的節能。 ·更多數據=在體育館、商場、街道和家庭中部署數百萬的“微微基站”。每個基站的功耗很低，但在許多情況下要求離線效率、永遠在線。 （2)聯網設備的數量增長1000倍，密度達到≥1M終端/km2。 ·想象在1km2內有100萬臺設備。想象(像5G規劃那樣)每個國家每條道路每隔幾米部署的傳感器以及現有的每個消費產品都要連到互聯網。非常小但非常高效的電源轉換會有巨大的需求，這種電源轉換允許傳感器有許多年的電池壽命，而且體積非常小，在這種情況下用GaN可以支持非常高頻的開關(我們有位客戶測試我們的器件達到了70MHz)。 （3) 用戶數據速率提高100倍，峰值終端數據速度達到≥10Gb/s。 ·功放必須處理更高的數據速率→更高功耗→更多信道，因此要求包括包絡跟蹤在內的極高效率。 （4) 與2010年相比，能耗降低到原來的1/10。 ·這一項清楚說明了事實。如果不在配置的各個方面專注于如何降低功耗以及在哪里降低功耗，那如何做到其它指標提高100倍或1000倍而功耗要下降90%呢？大多數報告認為這個目標幾乎不可能實現，需要付出巨大的努力。我不能想象沒有了氮化鎵(和GaN Systems公司)會怎樣。 GaNSystems公司在做什么？ （1) 我們正在開發歷史上最容易驅動、具有最高品質因數(Rdson×Qg)的功率晶體管，比最好的硅晶體管還要好13倍。 （a) 品質因數(FOM)對于開發出最小、最輕、最有效率、最低成本的系統來說至關重要； （b) 最容易驅動對于加快和簡化工程師的工作至關重要——這是工程師們一直夢寐以求的。 （2) 我們正在做100V(用于48V系統)和650V(用于離線系統)的產品。 （3) 我們在開發大電流器件(GaN市場中唯一的)，用于提高大型數據中心基礎設備的效率，比如數百千瓦UPS的效率。 （4) 我們還有低至40V的路線圖，用于支持DC/DC領域中特別高的頻率和成本結構，這將是總體部署的重要組成部分。 架構 5G架構發展中的首個有前途的領域是轉向全數字無線電器件(或至少接近于全數字)。在這種設計中，我們也實現了氮化鎵電壓模式S級功放(VMCS-PA)，用于增強總體功效。 圖2：采用了VMCS-PA和包絡Δ-∑調制器的數字發射機框圖。 利用CMOS微縮幾何尺寸的增強型數字處理技術也能極大地提高射頻采樣ADC的性能。 接下來將會是單比特∑-Δ架構向較低功耗5G速度的可能推斷。事實表明，擁有射頻數字流和無線信號的組合的單比特數字發射器，可以經過放大、濾波后，再經功放發送到發射天線。使用開關型功放還可以極大地進一步提高效率(參考上面的氮化鎵電壓模式S級功放框圖)。 過去在手機中使用的連續時間Δ-∑(CTDS)ADC也許能用于未來的蜂窩基礎設施系統。 模數轉換器交錯技術的發展也可能有助于提高采樣速率。 接口 對于高速數據轉換器來說JESD204B是相對較新的一種高速接口。由于現在的數據轉換器工作在每秒吉樣值(Gsps)的速度，必須采納新推出的JESD204B或其它新標準和/或接口架構。 工藝 CMOS仍是一種極有前途的工藝，正在向數據轉換器中要求的更低功耗和更高速度發展。 在射頻段工作的氮化鎵晶體管可能會得到基于金剛石的氮化鎵技術的幫助。 亞德諾半導體公司 亞德諾半導體公司負責通信基礎設施的首席技術官Thomas Cameron對我說出了他對即將到來的5G的見解。他表示，目前LTE-A只是5G的序曲，最終將發展為5G。為了支持5G所需的帶寬，將出現范圍從6GHz至100GHz的更高頻率。ITU將在2019年批準具有更高頻率的頻段。3.8GHz至4.2GHz頻段應該在今年的WRC-15大會上得到重新分配，從而為5G部署預先提供急需的頻譜資源。 5G系統中會出現具有波束操控功能的大量天線和大規模MIMO，而且需要工作在更高頻率與帶寬的射頻與模擬電路和這些天線陣列一起使用。 我堅信，亞德諾半導體公司在5G時代扮演的角色會因2014年對HittiteMicrowave公司的戰略性收購而得到極大的增強。 圖3：亞德諾半導體公司豐富的產品包括收購的Hittite射頻器件以及自己的高速放大器和數據轉換器、解調器和永遠不會被忘記的電源解決方案(ADI公司提供)。 Cameron認為，尺寸、功耗、每比特更低的工作成本以及保持能效并提高頻譜效率將是5G無線電發展的主要關注點。我們必須推動集成度的進一步提高，這將有助于改善尺寸和功耗。 移動性是所有這些努力背后的動力。最大的驅動力是移動互聯網——各種應用層出不窮，這也進一步豐富了用例。5G將在垂直市場中催生新的應用。宣傳最廣的應用是要求大規模連接(每平方公里數百萬個設備)的物聯網。另一種新興的5G應用是用于任務關鍵型工業控制的高可靠性低延時通信。雖然這兩種應用有很大的不同，但背后都要有5G技術的支持。 我們必須先從信道模型開始，以表征厘米波和毫米波頻率的傳播信道。在紐約大學/布魯克林理工大學等學府都成立有龐大的工作組。至今為止的結果還是比較積極的，但要求波束成形來克服傳播損耗。在為標準討論做準備的過程中下一個會出現的是新的波形建議和系統測試臺。標準化過程將花幾年的時間才能完成，但IMT2020初始標準規范有望在2020年完成。 在厘米波和毫米波頻率，具有超過100個振子的波束操控振子天線陣列是非常小的。主要的挑戰是開發它背后的電子器件。 5G中的算法和設計技術將促進開發，就像蜂窩電話技術那樣推動手機更長的電池壽命和更小的尺寸。在5G時代，我們需要更加明智地以切實可行的方式實現甚高頻操作。我們需要把為蜂窩基站無線電器件開發的集成技術應用到厘米波和毫米波無線電器件中去。 通篇瀏覽IMS2015技術規劃，我高興地看到許多有關厘米波和毫米波先進性的論文，覆蓋基本的電路技術、工藝技術、系統架構、天線設計和封裝技術等方方面面。所有這些領域必須一起向前走才能實現實用的5G波束成形系統。 無線架構從一代走向下一代要花10年的時間。這個行業開展5G研究還沒有幾年，因此還有很長的路要走。我個人對于亞德諾半導體公司在用未來的模擬和射頻技術實現5G中所扮演的角色感到相當興奮。 凌力爾特公司 我最近就5G采訪了凌力爾特公司負責高頻產品的產品營銷經理James Wong。Wong認為，要想使載波聚合發揮作用，無線電器件需要很寬的帶寬來覆蓋800MHz、2.4GHz和5.8GHz頻率，從而確保無線電器件可以同時工作在所有頻段上。 凌力爾特公司擁有可以讓混頻器和無線電器件工作在450MHz、700MHz、850MHz以及1.9GHz和3.6GHz范圍的技術。一種器件可以處理所有頻率是很大的挑戰，目前即使有也是很少量的射頻IC可以做到這一點。那些宣稱可以在一個IC中處理所有頻率的人需要重新調整每個信道。 凌力爾特公司開發的無需重新調諧就能搭建并發接收器的方法雖然難度大，但確實成功了。他們的LTC5577下變頻混頻器可以處理從300MHz至6GHz的頻率。在多頻段的5G系統中，還存在另外一個在LTE-A和更高頻段非常流行的大問題——也就是有更多潛在的干擾源和阻塞源，比如來自治安和消防廣播無線電臺的干擾。 凌力爾特公司的混頻器和調制器具有5G無線電設備所需的高動態范圍輸入性能。目前它們有100MHz至1GHz的帶寬，未來還會進一步拓展。 Wong指出，5G無線電設備中的主要挑戰將是功耗和散熱問題。發射側的功放(PA)采用數字預失真(DPD)技術可以有效提升效率。凌力爾特公司有種工作在100MHz的射頻檢測器，可以通過跟蹤5G包絡來提高功放效率——這種被稱為包絡跟蹤加上數字預失真的技術對于提高功放的功效是很有幫助的。 功放會產生二次和三次諧波，因而可能無法滿足ACPR要求。這種情況可以通過實現數字預失真加以改進。在這種數字預失真技術中，高速ADC將反饋一部分功放的輸出信號用于進一步的FFT信號處理。FFT先捕獲諧波分量，然后創建該FFT的負分量，再向后累加進信號中，從而實現對功放輸出信號的預失真操作。 凌力爾特公司專注于在他們的設計中使用更低的能量，并提高散熱性能。Wong向我透露，不久他這個部門將開發出集成了數字預失真接收器的設計。 在大規模MIMO方面，對運營商來說存在相當大的部署成本。舉例來說，一個由100個片狀天線組成的大型天線由于物體尺寸的原因成本會很高。他們需要為這些大型天線支付一部分擁有成本。凌力爾特公司則致力于取得最優的功耗與性能平衡，幫助減輕這種成本困境。 Wong相信MIMO，但必須以一種聰明的方式來部署。需要集成盡可能多更強大且具有成本效益的功能。Wong小組目前已經開發出了符合標準MIMO的雙路混頻器LTC5569。針對未來的5G系統還會開發8路和4路混頻器。他們還撰寫了題為《使MIMO接收器更小》的白皮書，書中著重討論了尺寸和功耗問題——這項工作還將進一步向大規模MIMO推進。 圖4：凌力爾特公司推出的具有190MHz帶通中頻匹配功能的分集接收器是展示他們高速和射頻產品組合功能的優秀例子(凌力爾特公司提供)。 5G需要超過1GHz的帶寬，這意味著ADC速度也必須和無線電及射頻帶寬一樣跟上來。由于在5G系統中噪聲是寬帶的，因此噪聲頻帶也將增加。 為了創建最優的解決方案，還需要滿足半導體工藝要求。凌力爾特公司正在與所有基站制造商一起通力合作，隨著2020年5G時代的到來，他們將開發出相應完善的5G解決方案。 美信半導體公司 美信半導體公司執行總監Rajeev Krishnamoorthy告訴我，美信公司關注的不僅是元器件解決方案，更是客戶的端到端系統需求，以及他們的解決方案用在哪里可以最好地增強5G系統。 由于5G將改變基站的架構，射頻和基帶前端的分離將受到影響。 圖5：云端授權的無線接入網(C-RAN)的推薦架構(美信公司提供)。 作為5G的一部分，他眼中的云端授權無線接入網(C-RAN)是基帶和處理功能位于中心，并有高速光纖直達射頻前端。美信致力于發展適合移動寬帶應用且工作在幾個Gsps(每秒吉樣本數)的高速ADC和DAC，使前端模塊變得更加高效。 高效的功率和動態的頻譜都需要得到滿足，因為這是業界實現5G面臨的兩大挑戰。5G發展之初是大規模MIMO的應用，目前正在測試的波束成形設計以64至128根天線作為起點。TD-LTE系統中超過半數的宏基站已在使用8根天線(8發8收)，而且有的商用系統也已經在配置更多數量的天線。 基帶中的數據量正在快速變化，因為： 1.到基帶無線電設備的通信容量越來越大 2.基帶到射頻前端的數字化數據有如此多的通道，以致要消耗大量的功率。前端建議使用的大量多副天線也會導致功耗急劇上升。 隨著數字預失真(DPD)從基帶轉移到前端，美信公司希望實現更高效的前端。 功放是嚴重影響功效的一個主要因素，特別是伴隨著波形復雜性的提高，就像在具有高峰均功率比(PAPR)的多載波調制信號(MCM)中那樣。美信的線性化技術目的就是提高寬帶功放的效率，從而解決這個問題。 功放合作伙伴正在研發大約50%效率的10W至90W設計。5W系統以及低至100mW的系統都是AB類功放，效率只有5%至20%。最近功放公司提高小功率(100mW-5W)功放效率的努力就將結出碩果，雖然它們都需要線性化才能達到較高的效率。為了使射頻前端消耗更低的功率，這是必需的。 使用更高的頻率需要付出一定的代價。在更高頻率時路徑損耗會增加，進而意味著更低的覆蓋率。為了對此加以補償，信號將更具方向性，也正因為此需要更多的天線。 在企業系統中，基帶設計將由以太網供電(PoE)，因此也需要超低功耗。 5G中的小蜂窩必須具有頻率靈活性，并且具有更寬的帶寬。美信的ADC和DAC運行在幾個Gsps數量級，可以完全滿足這些需求。 我對采用大規模MIMO的天線尺寸有些擔心，但Krishnamoorthy告訴我，以8×8陣列部署的128天線系統并沒有很大的占地面積或尺寸。事實上，中國的TD-LTE采用的是64×2陣列的8發8收天線。波束是電控的，可以聚焦于最高效的地方——朝向地面。天線甚至可以在早高峰時在快速車道間切換，然后在晚高峰時重新定向到相反的方向。 目前天線陣列中的天線數量從10到100不等，尺寸為（3～5）英尺×（3～5）英尺。在塔頂也可能安裝16或32個天線陣列。至于塔頂空間，電信提供商會因為“風載荷”而支付空間費用。這里也存在折中，因為在更高頻率時天線一般靠得更近。 注意前面幾段文字：人們對天線陣列的尺寸仍有一些擔心，因為3×5英尺并不算小！對于宏基站來說這不是個問題，但相對于小蜂窩來說很大了。另外一個需要注意的點是，頻率越高(超過6GHz)，天線越小——天線的尺寸正比于波長，因此尺寸隨頻率增加而減小。大規模MIMO系統將越來越多地隨5G系統中的更高頻率系統一起部署，因此有助于減輕尺寸問題。 在轉向毫米波時，我們需要良好的精度和波束成形技術。在像紐約這樣的大城市里，每個相對位置都有大量的用戶，而且有大量的光纖被安裝進紐約的基礎設施中。 小蜂窩在這類城市中可以工作得很好。 在東京，每隔幾百米就有基站。 美信半導體公司完全理解端到端系統。 微芯科技公司 微芯公司負責模擬與接口產品的產品經理Trent Butcher跟我分享了微芯公司對5G的看法。Butcher認為，5G會把目前業界還沒有實現的速度、帶寬和分辨率發揮至極致。微芯公司現在有16位分辨率、200Msps的ADC解決方案，隨著公司在全數字IC處 理方面力量的不斷增強，Butcher非常看好他們IC中的數字處理功能。 微芯公司的智能電源管理解決方案也將在5G中扮演重要的角色。 德州儀器公司 TI公司的Chuck Sanna就5G與我進行了討論。Sanna是TI公司負責無線基礎設施的產品線經理(PLM)。他認為異構網絡(HetNet)對5G來說很重要。另外我們還討論了有關大規模MIMO的一些內容，主要是工作在2.6GHz中心頻率、采用128端口陣列的可操控天線。像這種128振子線性陣列的長度可達7.3m。雖然很大，但仍是可以實現的。 TI憑借其Kilby實驗室研發團隊而擁有相當大的開發優勢。目前有三個Kilby實驗室，分別位于得克薩斯州的達拉斯、印度和硅谷。TI公司還計劃在全球其它地方建設更多的實驗室。 Sanna相信，4G將在混合組建模型中處理通信任務，以滿足5G系統的高速要求，就像今天的4G使用3G作為其語音通信通道一樣。TI已經有適合當今基礎設施的可靠高速轉換器產品組合，未來還將做進一步的開發。當然，可能需要不同的和突破性的架構，通道成本也需要保持低，而且在波束操控型天線陣列中還需要實現最優的控制。 Sanna表示，每家公司自然想用他們自己現有的產品組合或其更先進的版本。他們將發揮各自的強項并在此基礎上滿足5G的需求。4.5G和5G將成為TI業務的支柱，雖然4.5G和5G目前還不存在。3G和4G以及航空、國防、醫療以及測試測量是TI業務的基礎。 當然，一開始測試測量小伙伴們將用他們的解決方案在前面引路，并可能第一個實現創新變化并適應5G的需求。 然后繼續實現更高的復雜性和集成度。 微電子研究中心(IMEC) 我與IMEC的感知系統項目總監Wim Van Thilo就5G發展進行了交流。 Peraso Technologies公司是一家無工廠半導體公司，擁有一款型號為PRS4000的60GHz WiGig基帶IC，這款IC被InterDigital公司選用于其回傳系統中。在這個回傳系統中，Interdigital公司的軟件為多跳網狀網回傳提供自配置和數據路由。這是用于小蜂窩的首款基于WiGig的毫米波網狀網回傳解決方案。這個系統還包含IMEC的60GHz PHARA4射頻電路和相位陣列天線，該天線可以對方位角和仰角進行快速電子化波束操控。今后IMEC還可能增加28GHz和32GHz的能力。 在有助于5G發展的射頻領域中，IMEC已經完成了以下一些工作： 1.與瑞薩一起開發了一款可重配置的無線電測試平臺，可用于6GHz以下頻率的認知無線電和軟件無線電，以及WiFi、LTE-A和LTE，最終為5G提供良好的框架。這個研究為LTE和LTE-A提供了良好的經驗，它在一個IC中覆蓋了如此多不同的頻段。這項工作采用45nm和28nm工藝完成，其中電感沒有變化，但功耗降低了……功耗是5G中的一個關鍵因素。 2.IMEC對毫米波功耗的研究包括60GHz通信以及79GHz雷達。 Van Thilo透露，目前大規模MIMO在業界仍處于早期研究階段，但他們針對毫米波開發的更小蜂窩對5G來說有許多優勢： 1.更小和中等規模的回傳系統不能使用光纖，因此毫米波在這里非常理想。 2.采用毫米波的更小蜂窩將使用28GHz、32GHz和60GHz頻點的回傳——這對IMEC技術來說是很理想的選擇。 Van Thilo認為，主要的挑戰是成本和功耗。 在2015年舉行的全球移動大會上，IMEC推出了一款采用0.18μm SOI CMOS工藝制造的獨立多頻段電子平衡雙工器。這種雙工器是在移動電話中實現的、用于提供發送到接收(TX-to-RX)隔離的固定頻率聲表面波(SAW)濾波器的潛在替代產品。 在高速ADC方面，IMEC的最新產品同時適用于無線可再配置無線電設備和毫米波領域： 1.可再配置無線電設備：IMEC有一個前端可再配置程序，它們可以與WLAN、WPAN、廣播以及頻率范圍從174MHz到6GHz的定位標準一起工作。SAR ADC包括一款采用28nm工藝制造的11比特、400Msps、功耗為2.1mW的ADC，今后還將開發采用28/16nm工藝且速度更快、功耗更低的ADC。 2.毫米波應用：最新的是8倍交錯混合型SAR/CABS ADC，這是一款采用40nm工藝的7比特、2Gsps且功耗小于4mW的產品。IMEC的思路是，在毫米波頻率時基站之間靠得更近，因此可能不需要像4G中那樣10比特至16比特的動態范圍，干擾問題在5G毫米波系統中也比較輕。 針對完全集成的系統，IMEC也有自己的技術。這種技術能使解決方案更小，并滿足5G的需求。 時鐘 隨著我們越來越接近5G，定時器件/時鐘性能也必須跟得上。小蜂窩和異構網絡(HetNet)需要高速和最小功耗的時鐘系統。 給多ADC架構中使用JESD204B的寬帶ADC提供時鐘是今后需要進一步開發的優秀技術。 本文小結 本文介紹了在今后幾年電信業迎來5G系統時將面臨的潛在挑戰以及解決的可能性。隨著我們逐漸走向5G時代，我們的技術肯定會像過去多年來一樣不斷地進步，因為電子設計中已經在使用鍺晶體管。身處電子行業并在21世紀的第二個十年中繼續做一個工程師是多么令人興奮的一件事啊。 |
