5G技術其修遠兮，光功耗和成本問題就夠它喝一壺？

　　5G技術將如何普及，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(xiàn)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。

　　就像今天的智能手機跨越了2G、3G和4GLTE三代無線標準那樣，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(shù)據(jù)密度，所以頻率的提高使得5G信號可以攜帶更多數(shù)據(jù)，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(zhàn)：回傳、尋址和頻譜，”摩根士丹利執(zhí)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。”

　　圖1頻譜范圍

　　這些困難都沒有阻止5G的發(fā)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(xiàn)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。

　　圖25G技術接受度曲線

　　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(fā)展前景。從虛擬現(xiàn)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(fā)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(lián)電公司市場部副總裁StevenLiu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(tǒng)數(shù)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(tǒng)將和現(xiàn)有系統(tǒng)相結合，包括舒適控制系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、監(jiān)測溫度、輪胎壓力和調節(jié)氣體的動機監(jiān)控子系統(tǒng)。用于長途運輸?shù)目ㄜ囆枰撦d平衡、負載轉移和曲線切變系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須協(xié)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(wěn)定。5G通信對這些系統(tǒng)能夠正確執(zhí)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(chǎn)品事業(yè)部戰(zhàn)略與技術營銷總監(jiān)MikeRosa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-6GHz頻段，它在4GLTE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(shù)據(jù)傳輸速度和以更快速度傳輸更多數(shù)據(jù)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(yè)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(jiān)JamieSchaeffer說。“從基站角度來說，需要一個帶數(shù)據(jù)轉換器的數(shù)字前端。而5G手機則需要集成前端模塊，并實現(xiàn)低功耗。對于面部識別等應用，24GHz-40GHz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(guī)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(chǎn)生另一個問題。

　　應用材料公司的Rosa說：“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(fā)現(xiàn)，你需要反過來研究開發(fā)這些薄膜的方式，現(xiàn)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(fā)生改變。例如，現(xiàn)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?，F(xiàn)在大部分RF開關器件都是使用硅鍺實現(xiàn)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(qū)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(chǎn)品營銷經(jīng)理SarahYost說。“目前，業(yè)界還在努力研究如何為所有這些天線創(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(shù)量就會非常大。你可能有12個發(fā)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(xiàn)在您需要采用不同的測試方法，我們現(xiàn)在正在試驗空中測試方法。”

　　圖3布里斯托大學和隆德大學研制的128天線大規(guī)模MIMO測試平臺

　　這種方法的優(yōu)點是它可以連續(xù)測試芯片，從而優(yōu)化信號，但是在測試領域，這是一個新概念。“這種方案的優(yōu)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(wǎng)絡的一部分，從而可以盡早讓您在設計過程中實現(xiàn)撥打電話功能。”

　　該方法可以和某些外部系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)，”NetSpeedSystems首席執(zhí)行官SundariMitra說。“這需要架構層面的根本性改變，需要更多的動態(tài)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(tǒng)的系統(tǒng)架構，把它拼湊到5G系統(tǒng)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TyGaribay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(chǎn)生數(shù)TB的數(shù)據(jù)。其中一些數(shù)據(jù)會在終端芯片處理，另外的數(shù)據(jù)則需要轉發(fā)后在云端處理，5G將是轉發(fā)數(shù)據(jù)的關鍵。挑戰(zhàn)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(xiàn)城市之外的5G手機和基站覆蓋可能需要長達數(shù)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(xiàn)在所謂的5G系統(tǒng)，它們只能算是原型機，”Achronix戰(zhàn)略規(guī)劃和業(yè)務發(fā)展高級總監(jiān)MikeFitton說。“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，一些不同的應用場景也在不斷出現(xiàn)。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(xiàn)將是，在4G的汪洋大海中，5G剛開始作為孤島出現(xiàn)，然后慢慢擴大勢力范圍。”

　　但是，5G什么時候爆發(fā)并不明確。FlexLogix公司首席執(zhí)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5G的出現(xiàn)，人們對嵌入式FPGA的興趣不斷增加?；敬嬖诠β氏拗啤Ｈ绻梢圆皇褂肧erDes，就可以節(jié)省大量的電力。功耗節(jié)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(xiàn)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(guī)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(fā)現(xiàn)這些新功能非常適合于物聯(lián)網(wǎng)類型的應用，物聯(lián)網(wǎng)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(fā)布，到該技術未來的迭代，5G生態(tài)系統(tǒng)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(fā)甚至定義的不同階段。

　　“在5G中，您可以將模擬、數(shù)字和RF系統(tǒng)融合在一起，”ClioSoft市場營銷副總裁RanjitAdhikary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(fā)、優(yōu)化和描述也會受到影響。“現(xiàn)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(fā)布時，在系統(tǒng)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(xié)議和規(guī)范變化非?？欤灾劣谶^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(fā)的，是這家第三方IP的哪個版本。如果規(guī)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(xù)航、成本有額外的要求，未來在實現(xiàn)自動電氣控制時，它們仍然會對系統(tǒng)設計和制造造成重大挑戰(zhàn)，”聯(lián)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(xù)觀察。