5G技術(shù)其修遠兮，光功耗和成本問(wèn)題就夠它喝一壺？

　　5G技術(shù)將如何普及，在前行的道路上還需要解決哪些難題?

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

　　就像今天的智能手機跨越了2G、3G和4GLTE三代無(wú)線(xiàn)標準那樣，5G也不太可能完全取代4GLTE。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300GHz，而4GLTE則是2.6GHz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(zhù)信號更容易受到樹(shù)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(shù)需要克服幾個(gè)重大挑戰：回傳、尋址和頻譜，”摩根士丹利執行董事JamesFaucette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(wú)線(xiàn)標準高得多，當達到毫米波頻段時(shí)，5G信號基本上連一個(gè)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(wèn)題。”

　　圖1頻譜范圍

　　這些困難都沒(méi)有阻止5G的發(fā)展，但它們肯定影響了5G技術(shù)的推廣計劃。5G終端的第一種實(shí)現形式可能是無(wú)線(xiàn)形式的固定設備，基本上是無(wú)線(xiàn)對傳。毫米波信號穿不過(guò)窗戶(hù)，所以需要一根天線(xiàn)。必須部署那么多的中繼器和小基站，這些設備的安裝地點(diǎn)需要支付租金，這會(huì )給運營(yíng)商帶來(lái)相當大的財務(wù)壓力。

　　圖25G技術(shù)接受度曲線(xiàn)

　　為5G做好準備

　　今年在韓國平昌舉辦的冬奧會(huì )在一定程度上揭示了5G技術(shù)的發(fā)展前景。從虛擬現實(shí)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(shù)帶寬增加的效果。三星甚至為滑板運動(dòng)員提供了SmartSuits，這些運動(dòng)員可以使用傳感器繪制身體位置并將振動(dòng)信號發(fā)送到可穿戴設備上。

　　但是，真正能夠推動(dòng)5G技術(shù)需求的應用是自動(dòng)駕駛汽車(chē)。

　　“5G代表了自動(dòng)駕駛體驗需要的基礎技術(shù)，”聯(lián)電公司市場(chǎng)部副總裁StevenLiu表示。“自主駕駛技術(shù)需要更多的車(chē)輛間通信(V2V)和車(chē)輛-基礎設施通信(V2I，V2X)，意味著(zhù)汽車(chē)需要部署的雷達系統數量將不斷增加，涉及到的技術(shù)包括防碰撞雷達、GPS、辨識停車(chē)信號和交警調度車(chē)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(lè )系統、監測溫度、輪胎壓力和調節氣體的動(dòng)機監控子系統。用于長(cháng)途運輸的卡車(chē)需要負載平衡、負載轉移和曲線(xiàn)切變系統，這些系統必須協(xié)同工作以確保貨物在運輸過(guò)程中不被損壞，以及集裝箱在整個(gè)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(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。”

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

　　“隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)和ADAS的問(wèn)世，4G/5G可能會(huì )成為汽車(chē)通信的主流標準，”應用材料公司200mm設備產(chǎn)品事業(yè)部戰略與技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)總監MikeRosa說(shuō)。“隨著(zhù)5G技術(shù)的投入使用，汽車(chē)內的電子器件可能會(huì )減少，因為云端的存儲器更多，當然云端不會(huì )處理所有事務(wù)，但是大量的處理可以在云端進(jìn)行，然后通過(guò)5G鏈路向汽車(chē)提供服務(wù)。”

　　兩種技術(shù)

　　5G技術(shù)有兩種方案。一種是sub-6GHz頻段，它在4GLTE的基礎上略有改進(jìn)，另一種則使用了24GHz以上的頻率，最終形式是毫米波技術(shù)。一般而言，隨著(zhù)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(huì )提高。另一方面，隨著(zhù)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(yè)來(lái)說(shuō)當然是一個(gè)好消息，但是這也同時(shí)意味著(zhù)5G技術(shù)的推出時(shí)間要比前幾代移動(dòng)通信技術(shù)更長(cháng)，因為需要更多的時(shí)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JamieSchaeffer說(shuō)。“從基站角度來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)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(shí)現低功耗。對于面部識別等應用，24GHz-40GHz頻段下的5G技術(shù)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(shù)以及大規模MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)將多組拆分信號拼湊在一起。

　　所有方案的背后都有技術(shù)權衡。隨著(zhù)頻率的提高，用在RF濾波上的薄膜厚度變得更小，這就會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題。

　　應用材料公司的Rosa說(shuō)：“在2-2.5GHz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(zhù)頻率越來(lái)越高，薄膜變得越來(lái)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(huì )發(fā)現，你需要反過(guò)來(lái)研究開(kāi)發(fā)這些薄膜的方式，現在它們是通過(guò)濺射形式生成的。從短期來(lái)看，這似乎不是什么大不了的事情，但是隨著(zhù)時(shí)間的推移，我們需要尋找一些替代方案來(lái)沉積出更薄的薄膜來(lái)。”

　　即使是薄膜材料也可能發(fā)生改變。例如，現在人們普遍認為鈮酸鋰可能會(huì )替代氮化鋁，因為它可以使機電耦合的效率加倍?，F在大部分RF開(kāi)關(guān)器件都是使用硅鍺實(shí)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(dòng)到更多中繼器上，另一方面還需要應對功率本身帶來(lái)的電力成本，所以可能會(huì )用氮化鎵取代硅鍺。

　　其它技術(shù)問(wèn)題

　　不僅僅是基站需要解決功耗問(wèn)題，當5G手機掉線(xiàn)后搜索信號時(shí)，會(huì )比它們在有效的服務(wù)區中更快耗盡電池電量。

　　“用戶(hù)設備天線(xiàn)端需要完成很多工作，以便當你拿起來(lái)設備時(shí)就能直接使用，”美國國家儀器公司軟件定義無(wú)線(xiàn)電部門(mén)高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理SarahYost說(shuō)。“目前，業(yè)界還在努力研究如何為所有這些天線(xiàn)創(chuàng )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(huì )非常大。你可能有12個(gè)發(fā)送模式和12個(gè)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(shí)。“今天，測試時(shí)間為毫秒級，”Yost說(shuō)。“如果需要測試所有這些波束模式和更多能力，測試時(shí)間會(huì )延長(cháng)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。”

　　圖3布里斯托大學(xué)和隆德大學(xué)研制的128天線(xiàn)大規模MIMO測試平臺

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以連續測試芯片，從而優(yōu)化信號，但是在測試領(lǐng)域，這是一個(gè)新概念。“這種方案的優(yōu)點(diǎn)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(shuō)。“它使得平臺成為真實(shí)網(wǎng)絡(luò )的一部分，從而可以盡早讓您在設計過(guò)程中實(shí)現撥打電話(huà)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(guò)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(yōu)化變得困難重重。因此，無(wú)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，”NetSpeedSystems首席執行官SundariMitra說(shuō)。“這需要架構層面的根本性改變，需要更多的動(dòng)態(tài)計算，這意味著(zhù)這些設計的復雜程度會(huì )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(fǎng)問(wèn)內存的不再只是單個(gè)處理器。”

　　從任何角度來(lái)看，5G本身就是一種顛覆性技術(shù)。但是，當它和自動(dòng)駕駛技術(shù)等其它顛覆性技術(shù)結合使用時(shí)，未知因素會(huì )顯著(zhù)增加。

　　ArterisIP首席技術(shù)官TyGaribay表示：“當一輛汽車(chē)進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式后，將始終需要5G連接性。這些汽車(chē)每個(gè)小時(shí)就會(huì )產(chǎn)生數TB的數據。其中一些數據會(huì )在終端芯片處理，另外的數據則需要轉發(fā)后在云端處理，5G將是轉發(fā)數據的關(guān)鍵。挑戰在于如何將不同類(lèi)型的處理和I/O匯集在一起，對任何人來(lái)講，這都是一個(gè)大難題。”

　　與前幾代移動(dòng)通信技術(shù)不同的是，5G的采用可能將是多代技術(shù)混合長(cháng)期演變的過(guò)程。因此，雖然5G將會(huì )在不久的將來(lái)就會(huì )推出，但是實(shí)現城市之外的5G手機和基站覆蓋可能需要長(cháng)達數十年時(shí)間。事實(shí)上，這項技術(shù)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(yè)務(wù)發(fā)展高級總監MikeFitton說(shuō)。“這就是為什么他們都使用可編程邏輯的原因。標準在發(fā)生變化，一些不同的應用場(chǎng)景也在不斷出現。所以你需要在A(yíng)SIC中建立一些可編程性。3G和4G也是如此，這些技術(shù)的早期市場(chǎng)幾乎完全基于FPGA，市場(chǎng)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(cháng)時(shí)間。它的演進(jìn)第一階段將是UHF，然后是毫米波。所以，市場(chǎng)表現將是，在4G的汪洋大海中，5G剛開(kāi)始作為孤島出現，然后慢慢擴大勢力范圍。”

　　但是，5G什么時(shí)候爆發(fā)并不明確。FlexLogix公司首席執行官GeoffTate表示，由于這種不確定性，業(yè)界對eFPGAs的興趣大增。他表示：“隨著(zhù)5G的出現，人們對嵌入式FPGA的興趣不斷增加?；敬嬖诠β氏拗?。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(huì )越來(lái)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(gè)基站，但是5G的部署密度會(huì )更大。一個(gè)大基站會(huì )跟著(zhù)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(lái)說(shuō)是一個(gè)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(gè)修訂版，即修訂版16會(huì )增加一些額外的功能。“你會(huì )發(fā)現這些新功能非常適合于物聯(lián)網(wǎng)類(lèi)型的應用，物聯(lián)網(wǎng)需要超可靠的低延遲特性，5G會(huì )催生一些新的應用案例。”

　　技術(shù)演進(jìn)

　　以更高的視角來(lái)看，從5G的最初發(fā)布，到該技術(shù)未來(lái)的迭代，5G生態(tài)系統有很多不斷變化的組成部分。實(shí)際上，這就像管理一個(gè)隨著(zhù)時(shí)間不斷變化的3D矩陣一樣，矩陣中的各個(gè)部分處于研究、開(kāi)發(fā)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(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁RanjitAdhikary說(shuō)。“一旦你開(kāi)始使用這項技術(shù)，一些bug會(huì )隱藏在IP中遷移，過(guò)了一段時(shí)間之后，就沒(méi)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(jiàn)了。”

　　Adhikary說(shuō)隨著(zhù)5G技術(shù)的演進(jìn)，IP的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和描述也會(huì )受到影響。“現在的5G沒(méi)有太多第三方IP，但是我們必須確保一點(diǎn)，當新版本的5G技術(shù)發(fā)布時(shí)，在系統級層面來(lái)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(shù)的演進(jìn)將以有線(xiàn)調制解調器為起點(diǎn)，因為它的協(xié)議和規范變化非?？?，以至于過(guò)了幾個(gè)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(gè)版本開(kāi)發(fā)的，是這家第三方IP的哪個(gè)版本。如果規范出了新版本，你怎么確保使用這個(gè)IP的所有人都能使用正確的IP呢?”

　　結論

　　多個(gè)市場(chǎng)和技術(shù)之間的不確定性正在相互交織，提出了更多關(guān)于未來(lái)將如何使用5G技術(shù)、5G什么時(shí)候商用、最終需要花費多少資金和其它資源的問(wèn)題。

　　“所有這些市場(chǎng)都對續航、成本有額外的要求，未來(lái)在實(shí)現自動(dòng)電氣控制時(shí)，它們仍然會(huì )對系統設計和制造造成重大挑戰，”聯(lián)華電子的Liu說(shuō)。

　　在這些技術(shù)的轉變中，5G是其中一個(gè)重要難題，但是究竟有多難，何時(shí)能商用還有待繼續觀(guān)察。