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5G技術其修遠兮,功耗和成本問題就夠它喝一壺

時間:2018-3-29 15:46:00   來源:工控中國   添加人:admin

  5G的腳步越來越近了,但并非所有地方都有它的身影,它也不會突兀而至,最先來到人們眼前的也不是該技術的最快版本。實際可能出現的情況是,5G首先會在人口密集的大都市完成首秀,從2020年或2021年開始,在之后的十年中逐漸普及開來。

  5G技術其修遠兮,功耗和成本問題就夠它喝一壺

  就像今天的智能手機跨越了2G、3G和4G LTE三代無線標準那樣,5G也不太可能完全取代4G LTE。向后兼容性是所有這些標準的重要考量因素。5G信號的頻率非常高,最高頻率可達到300 GHz,而4G LTE則是2.6 GHz頻段。提高帶寬可以增加數據密度,所以頻率的提高使得5G信號可以攜帶更多數據,但是更高的頻率也意味著信號更容易受到樹木、大樓和人體的干擾,我們自己的身體也可以阻擋毫米波信號。

  5G技術需要克服幾個重大挑戰:回傳、尋址和頻譜,摩根士丹利執行董事James Faucette在最近的一次演講中表示。想要使用5G,你必須部署多出幾百倍的基站。5G的運行頻率比以前的無線標準高得多,當達到毫米波頻段時,5G信號基本上連一個房間都覆蓋不了。信號的不可預測性以及能傳輸多遠都是很大的問題。

  這些困難都沒有阻止5G的發展,但它們肯定影響了5G技術的推廣計劃。5G終端的第一種實現形式可能是無線形式的固定設備,基本上是無線對傳。毫米波信號穿不過窗戶,所以需要一根天線。必須部署那么多的中繼器和小基站,這些設備的安裝地點需要支付租金,這會給運營商帶來相當大的財務壓力。

  為5G做好準備

  今年在韓國平昌舉辦的冬奧會在一定程度上揭示了5G技術的發展前景。從虛擬現實到不需要佩戴特殊3D眼鏡的8K視頻等所有內容都佐證了準5G技術帶寬增加的效果。三星甚至為滑板運動員提供了SmartSuits,這些運動員可以使用傳感器繪制身體位置并將振動信號發送到可穿戴設備上。

  但是,真正能夠推動5G技術需求的應用是自動駕駛汽車。

  5G代表了自動駕駛體驗需要的基礎技術,聯電公司市場部副總裁Steven Liu表示。自主駕駛技術需要更多的車輛間通信(V2V)和車輛-基礎設施通信(V2I,V2X),意味著汽車需要部署的雷達系統數量將不斷增加,涉及到的技術包括防碰撞雷達、GPS、辨識停車信號和交警調度車輛手勢的傳感器等。這些系統將和現有系統相結合,包括舒適控制系統、信息娛樂系統、監測溫度、輪胎壓力和調節氣體的動機監控子系統。用于長途運輸的卡車需要負載平衡、負載轉移和曲線切變系統,這些系統必須協同工作以確保貨物在運輸過程中不被損壞,以及集裝箱在整個行駛行程中保持穩定。5G通信對這些系統能夠正確執行各自操作來說是至關重要的。

  事實上,5G對于輔助駕駛和自動駕駛是如此地重要,以至于它可以改變這些汽車使用的電子設備的設計。但是,汽車電子設備最終如何進化在部分程度上取決于5G技術和零部件供應商哪一方首先做好準備。

  隨著電動汽車和ADAS的問世,4G/5G可能會成為汽車通信的主流標準,應用材料公司200mm設備產品事業部戰略與技術營銷總監Mike Rosa說。隨著5G技術的投入使用,汽車內的電子器件可能會減少,因為云端的存儲器更多,當然云端不會處理所有事務,但是大量的處理可以在云端進行,然后通過5G鏈路向汽車提供服務。

  兩種技術

  5G技術有兩種方案。一種是sub-6 GHz頻段,它在4G LTE的基礎上略有改進,另一種則使用了24GHz以上的頻率,最終形式是毫米波技術。一般而言,隨著頻率的提升,數據傳輸速度和以更快速度傳輸更多數據的能力也會提高。另一方面,隨著頻率的提高,信號傳播距離也在降低,結果就是,需要部署更多中繼器和基站。這對半導體行業來說當然是一個好消息,但是這也同時意味著5G技術的推出時間要比前幾代移動通信技術更長,因為需要更多的時間部署5G通信所需的更多基礎設施。

  5G的頻率非常高,噪音更低,并且可以催生新的應用,格羅方德22FDX項目總監Jamie Schaeffer說。從基站角度來說,需要一個帶數據轉換器的數字前端。而5G手機則需要集成前端模塊,并實現低功耗。對于面部識別等應用,24 GHz-40 GHz頻段下的5G技術是最好的解決方案。

  5G設備可以使用波束成形和波束追蹤技術以及大規模MIMO(多輸入多輸出)技術將多組拆分信號拼湊在一起。

  所有方案的背后都有技術權衡。隨著頻率的提高,用在RF濾波上的薄膜厚度變得更小,這就會產生另一個問題。

  應用材料公司的Rosa說:在2-2.5 GHz的頻率下,前端RF薄膜(通常是氮化鋁基薄膜)的厚度通常約為1微米。隨著頻率越來越高,薄膜變得越來越薄。當前的工藝很難控制8英寸和12英寸晶圓上的應力均勻性。所以增加了鈧摻雜工序,但是它也有極限。最終你會發現,你需要反過來研究開發這些薄膜的方式,現在它們是通過濺射形式生成的。從短期來看,這似乎不是什么大不了的事情,但是隨著時間的推移,我們需要尋找一些替代方案來沉積出更薄的薄膜來。

  即使是薄膜材料也可能發生改變。例如,現在人們普遍認為鈮酸鋰可能會替代氮化鋁,因為它可以使機電耦合的效率加倍。現在大部分RF開關器件都是使用硅鍺實現的,但是在基站中,一方面需要增加功率以將更多信號驅動到更多中繼器上,另一方面還需要應對功率本身帶來的電力成本,所以可能會用氮化鎵取代硅鍺。

  其它技術問題

  不僅僅是基站需要解決功耗問題,當5G手機掉線后搜索信號時,會比它們在有效的服務區中更快耗盡電池電量。

  用戶設備天線端需要完成很多工作,以便當你拿起來設備時就能直接使用,美國國家儀器公司軟件定義無線電部門高級產品營銷經理Sarah Yost說。目前,業界還在努力研究如何為所有這些天線創建高效的波束模式。如果手機上有8到多達64路輸入,波束模式的數量就會非常大。你可能有12個發送模式和12個接收模式,所有這些模式的幅度可能都互不相同。

  這使得使用當今的設備和方法測試5G芯片變得非常耗時。今天,測試時間為毫秒級,Yost說。如果需要測試所有這些波束模式和更多能力,測試時間會延長2500倍之多。這些芯片的測試是必不可少的,只是現在您需要采用不同的測試方法,我們現在正在試驗空中測試方法。

  這種方法的優點是它可以連續測試芯片,從而優化信號,但是在測試領域,這是一個新概念。這種方案的優點是您可以將其升級為模塊化平臺,以便跟蹤適應標準的變化,Yost說。它使得平臺成為真實網絡的一部分,從而可以盡早讓您在設計過程中實現撥打電話功能。

  該方法可以和某些外部系統級測試相結合,以加速測試和內置自檢過程。

  為變化做計劃

  目前的設計層面也不是太明朗。太多的未知因素使得芯片設計優化變得困難重重。因此,無論是在架構層面還是在結構布局方面,都需要增加靈活性,在可編程能力的邏輯層面也要靈活可變。

  人們在想,他們是否需要更大的控制系統,NetSpeed Systems首席執行官Sundari Mitra說。這需要架構層面的根本性改變,需要更多的動態計算,這意味著這些設計的復雜程度會有所提高。你不能采用傳統的系統架構,把它拼湊到5G系統中,因為5G需要異構計算,需要訪問內存的不再只是單個處理器。

  從任何角度來看,5G本身就是一種顛覆性技術。但是,當它和自動駕駛技術等其它顛覆性技術結合使用時,未知因素會顯著增加。

  ArterisIP首席技術官Ty Garibay表示:當一輛汽車進入自動駕駛模式后,將始終需要5G連接性。這些汽車每個小時就會產生數TB的數據。其中一些數據會在終端芯片處理,另外的數據則需要轉發后在云端處理,5G將是轉發數據的關鍵。挑戰在于如何將不同類型的處理和I/O匯集在一起,對任何人來講,這都是一個大難題。

  與前幾代移動通信技術不同的是,5G的采用可能將是多代技術混合長期演變的過程。因此,雖然5G將會在不久的將來就會推出,但是實現城市之外的5G手機和基站覆蓋可能需要長達數十年時間。事實上,這項技術是否具有普遍性目前也存在爭議。

  如果你看看現在所謂的5G系統,它們只能算是原型機,Achronix戰略規劃和業務發展高級總監Mike Fitton說。這就是為什么他們都使用可編程邏輯的原因。標準在發生變化,一些不同的應用場景也在不斷出現。所以你需要在ASIC中建立一些可編程性。3G和4G也是如此,這些技術的早期市場幾乎完全基于FPGA,市場成熟之后,才被ASIC取代,以降低成本和功耗。5G同樣如此,只是它需要更長時間。它的演進第一階段將是UHF,然后是毫米波。所以,市場表現將是,在4G的汪洋大海中,5G剛開始作為孤島出現,然后慢慢擴大勢力范圍。

  但是,5G什么時候爆發并不明確。Flex Logix公司首席執行官Geoff Tate表示,由于這種不確定性,業界對eFPGAs的興趣大增。他表示:隨著5G的出現,人們對嵌入式FPGA的興趣不斷增加。基站存在功率限制。如果可以不使用SerDes,就可以節省大量的電力。功耗節約很重要,因為性能要求會越來越高。而且,5G需要部署更多的基站,現在是每半英里大概有一個基站,但是5G的部署密度會更大。一個大基站會跟著很多小基站,這將對功率提出更大的要求。

  這對于嵌入式可編程器件來說是一個好兆頭,因為它們比ASIC靈活性更強,而且比分立式FPGA更小,功耗更低。

  Achronix的Fitton指出,5G規范的下一個修訂版,即修訂版16會增加一些額外的功能。你會發現這些新功能非常適合于物聯網類型的應用,物聯網需要超可靠的低延遲特性,5G會催生一些新的應用案例。

  技術演進

  以更高的視角來看,從5G的最初發布,到該技術未來的迭代,5G生態系統有很多不斷變化的組成部分。實際上,這就像管理一個隨著時間不斷變化的3D矩陣一樣,矩陣中的各個部分處于研究、開發甚至定義的不同階段。

  在5G中,您可以將模擬、數字和RF系統融合在一起,ClioSoft市場營銷副總裁Ranjit Adhikary說。一旦你開始使用這項技術,一些bug會隱藏在IP中遷移,過了一段時間之后,就沒有人能夠搞明白為什么要做某件事。人們在不同的公司跳槽,大量的IP知識就逐漸消失不見了。

  Adhikary說隨著5G技術的演進,IP的開發、優化和描述也會受到影響。現在的5G沒有太多第三方IP,但是我們必須確保一點,當新版本的5G技術發布時,在系統級層面來看,所有要素都要能夠很好地被追蹤到,包括腳本和流程在內。5G技術的演進將以有線調制解調器為起點,因為它的協議和規范變化非常快,以至于過了幾個月之后就很難再追蹤到它的變化。而且,全球范圍內公司那么多,你必須跟蹤正在使用的IP是為哪個版本開發的,是這家第三方IP的哪個版本。如果規范出了新版本,你怎么確保使用這個IP的所有人都能使用正確的IP呢?

  結論

  多個市場和技術之間的不確定性正在相互交織,提出了更多關于未來將如何使用5G技術、5G什么時候商用、最終需要花費多少資金和其它資源的問題。

  所有這些市場都對續航、成本有額外的要求,未來在實現自動電氣控制時,它們仍然會對系統設計和制造造成重大挑戰,聯華電子的Liu說。

  在這些技術的轉變中,5G是其中一個重要難題,但是究竟有多難,何時能商用還有待繼續觀察。

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