在我們真的看到5G網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)以前，半導(dǎo)體晶圓廠必須先改變其制造晶圓的方式，測試工程師需要搞清楚如何進(jìn)行測試，還有，手機(jī)設(shè)計(jì)人員也得知道如何隨著人們的移動而追蹤控制波束。除此之外，無線產(chǎn)品還必須能以接近當(dāng)前可負(fù)擔(dān)的價(jià)格銷售。這些都是日前在2018年國際微波會議(2018 International Microwave Symposium；IMS)中一場5G高峰會(5G Summit)的與會者提出的看法。

盡管目前已經(jīng)有一些5G芯片陸續(xù)出現(xiàn)了，但究竟要采用什么工藝技術(shù)來生產(chǎn)功率放大器(PA)和相控?cái)?shù)組天線，至今仍不明朗。針對PA，參與“智能型手機(jī)的毫米波無線：在未來2、5、10年…”(mmWave Radios in Smartphones: What they will look like in 2, 5, 10 years)專題討論的成員們討論了所謂的“IV族”工藝———如硅晶CMOS和鍺，以及“III-V族”工藝——包括磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)等。IV族是指周期表(Periodic Table)中第14行的元素，而III-V族則是第13和15行的元素。

Harish Krishnaswamy在IMS 5G Summit上回答與會觀眾的提問

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology；NIST)電子工程師的Dylan Williams、國家儀器(NI)研發(fā)工程師Amarpal Khanna是這場專題討論的主持人。Williams指出，磷化銦在高頻(此處指mmWave頻段)方面的性能超越CMOS PA，而CMOS則在6GHz以下勝出。但是，美國哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)電子工程副教授Harish Krishnaswamy則表示，相較于CMOS工藝，采用III-V族工藝打造的電路更加高效。此外，Lockheed Martin首席技術(shù)官Deveraux Palmer補(bǔ)充說，“當(dāng)今的III-V族工藝也無法在高速下進(jìn)行切換，”導(dǎo)致其用途受限。

不過，Williams問道：“效率那么重要嗎？”癥結(jié)就在于手機(jī)的續(xù)航力必須能在每次充飽后至少撐1天半，讓使用者就算晚上睡覺前忘記為手機(jī)充電，第二天手機(jī)仍能正常使用或到了早上才充電。

IMS 5G Summit與談人(由左至右)：Northrop Grumman先進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)理Tim LaRocca、Maja Systems首席技術(shù)官Joy Laskar、Anokiwave營銷副總裁Gary St. Onge、哥倫比亞大學(xué)電子工程副教授Harish Krishnaswamy、Lockheed Martin首席技術(shù)官Dev Palmer、Straighpath Communications技術(shù)副總裁Farshid Aryanfar、加州大學(xué)圣地亞哥分校(USCD)客座教授Walid Ali-Ahmad，以及專題討論主持人——國家儀器(NI)研發(fā)工程師Amarpal Khanna與NIST電子工程師Dylan Williams。

“6GHz以上頻率需要一些技術(shù)突破。”MACOM副總裁兼首席架構(gòu)師Anthony Fischetti在稍后的簡報(bào)中表示：“III-V工藝與CMOS不同，GaAs在6GHz以下頻率的功率太大了?！盕ischetti解釋了他的公司MACOM如何因應(yīng)這些不同工藝的作法。例如，MACOM目前正與意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics；ST)合作，使用硅基氮化鎵(GaN)工藝制造射頻(RF)組件。雖然目前這一工藝可行，但所需要的生產(chǎn)數(shù)量仍不符實(shí)際。所需要的設(shè)備不是無法取得就是極其昂貴。他指出，以MACOM目前晶圓廠日以繼夜運(yùn)轉(zhuǎn)來看，每周可制造大約5萬片CMOS晶圓。而如果以當(dāng)今所能取得的設(shè)備制造GaN (III-V)晶圓，該公司大概要花一個(gè)月的時(shí)間才能生產(chǎn)出相同的量。“采用III-V工藝的晶圓廠必須改變，才能盡快達(dá)到今日CMOS工藝的規(guī)模?！?/p>

Fischetti還指出，III-V工藝要在經(jīng)濟(jì)上可行，就不能有重制晶圓(reworked wafer)。質(zhì)量必須成為工藝的一部份。此外，還必須使用光學(xué)微影技術(shù)拍攝各層影像至晶圓上。電子束(e-beam)微影技術(shù)的速度太慢了。III-V工藝的另一個(gè)問題是在無層室中不能出現(xiàn)任何金元素，員工也不能配戴金表和含金的珠寶等。

5G除了將帶來工藝問題，還存在著測試挑戰(zhàn)。在這場專題討論上，Maja Systems首席技術(shù)官Loy Laskar表示，大約有80-90%的材料清單(BOM)成本可能都來自IC組裝和測試。

Charles Schroeder

盡管為軍事應(yīng)用打造的測試IC和系統(tǒng)采用特殊工藝、mmWave頻譜和相控?cái)?shù)組天線，但其數(shù)量并不多，但這種測試在針對具有龐大數(shù)量需求的消費(fèi)裝置則相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。NI RF營銷副總裁Charles Schroeder、是德科技(Keysight Technologies)全球5G項(xiàng)目經(jīng)理Roger Nichols強(qiáng)調(diào)了幾項(xiàng)5G測試挑戰(zhàn)，其中最明顯的要算是必須采用空中傳輸(OTA)進(jìn)行測試。透過OTA能夠探測到具有高整合組件(PA與相控?cái)?shù)組天線)的mmWave系統(tǒng)。但OTA測試確實(shí)會對生產(chǎn)測試時(shí)間造成影響，而且，測試設(shè)備必須有能力處理這些工作負(fù)載。

Schroeder指出，處理mmWave頻率帶來的更大帶寬信號，需要龐大的運(yùn)算能力，以及大量的時(shí)間。目前，測試工程師并不知道他們是否需要PC級的處理器、FPGA或GPU來處理信號。這需要對于目前處理無線信號的方式進(jìn)行一些反思。

其他問題則來自于高帶寬。因?yàn)閹捪喈?dāng)寬——可能是100MHz，傳輸路徑的阻抗可能會有所不同。測試系統(tǒng)必須知道這一點(diǎn)并相應(yīng)地進(jìn)行補(bǔ)償。

Roger Nichols

Nichols進(jìn)一步討論測試問題，并指出近場和遠(yuǎn)場測量的問題?！斑h(yuǎn)場的OTA測試可能被認(rèn)為比近場更困難。然而，二者其實(shí)存在著折衷。在遠(yuǎn)場，電磁場的表現(xiàn)更好。例如，此時(shí)更接近于典型定義的垂直E場、H場和波印廷(Poynting)向量。造成遠(yuǎn)場測試更困難的是信號損耗以及電波暗室的大小。而在近場，其挑戰(zhàn)在于取得準(zhǔn)確偵測天線行為以及信號相位與振幅之間的關(guān)系。再者，mmWave的波長短，由于近場變換至遠(yuǎn)場(NF/FF)與波長的倒數(shù)成正比，因此，波長越小，NF/FF轉(zhuǎn)換之間的距離越長?！?/p>

Nichols指出：“人們所做的事情是很隨機(jī)的，例如移動手機(jī)?！边@種隨機(jī)的移動并不是什么問題，因?yàn)樘炀€的設(shè)計(jì)是全向性的。但是，為了降低5G的功耗，相控?cái)?shù)組天線的波束控制將成為常態(tài)。這將迫使測試必須在不同的方向進(jìn)行，測試系統(tǒng)必須驗(yàn)證手機(jī)，因?yàn)槭謾C(jī)會不斷地追蹤其方向并相應(yīng)地調(diào)整波束。最重要的是，必須降低測試的不確定性。Nichols說：“在你能取得驗(yàn)證數(shù)字以前，你無法確定其運(yùn)作效能如何?！?/p>