5G技术其修远兮 光功耗和成本问题就够它喝一壶

         5G技术将如何普及，在前行的道路上还需要解决哪些难题？

5G的脚步越来越近了，但并非所有地方都有它的身影，它也不会突兀而至，最先来到人们眼前的也不是该技术的最快版本。实际可能出现的情况是，5G首先会在人口密集的大都市完成首秀，从2020年或2021年开始，在之后的十年中逐渐普及开来。

就像今天的智能手机跨越了2G、3G和4G LTE三代无线标准那样，5G也不太可能完全取代4G LTE。向后兼容性是所有这些标准的重要考量因素。5G信号的频率非常高，最高频率可达到300 GHz，而4G LTE则是2．6 GHz频段。提高带宽可以增加数据密度，所以频率的提高使得5G信号可以携带更多数据，但是更高的频率也意味着信号更容易受到树木、大楼和人体的干扰，我们自己的身体也可以阻挡毫米波信号。

“5G技术需要克服几个重大挑战：回传、寻址和频谱，”摩根士丹利执行董事James Faucette在最近的一次演讲中表示。“想要使用5G，你必须部署多出几百倍的基站。5G的运行频率比以前的无线标准高得多，当达到毫米波频段时，5G信号基本上连一个房间都覆盖不了。信号的不可预测性以及能传输多远都是很大的问题。”

图1 频谱范围

这些困难都没有阻止5G的发展，但它们肯定影响了5G技术的推广计划。5G终端的第一种实现形式可能是无线形式的固定设备，基本上是无线对传。毫米波信号穿不过窗户，所以需要一根天线。必须部署那么多的中继器和小基站，这些设备的安装地点需要支付租金，这会给运营商带来相当大的财务压力。

图2 5G技术接受度曲线

为5G做好准备

今年在韩国平昌举办的冬奥会在一定程度上揭示了5G技术的发展前景。从虚拟现实到不需要佩戴特殊3D眼镜的8K视频等所有内容都佐证了准5G技术带宽增加的效果。三星甚至为滑板运动员提供了SmartSuits，这些运动员可以使用传感器绘制身体位置并将振动信号发送到可穿戴设备上。

但是，真正能够推动5G技术需求的应用是自动驾驶汽车。

“5G代表了自动驾驶体验需要的基础技术，”联电公司市场部副总裁Steven Liu表示。“自主驾驶技术需要更多的车辆间通信（V2V）和车辆－基础设施通信（V2I，V2X），意味着汽车需要部署的雷达系统数量将不断增加，涉及到的技术包括防碰撞雷达、GPS、辨识停车信号和交警调度车辆手势的传感器等。这些系统将和现有系统相结合，包括舒适控制系统、信息娱乐系统、监测温度、轮胎压力和调节气体的动机监控子系统。用于长途运输的卡车需要负载平衡、负载转移和曲线切变系统，这些系统必须协同工作以确保货物在运输过程中不被损坏，以及集装箱在整个行驶行程中保持稳定。5G通信对这些系统能够正确执行各自操作来说是至关重要的。”

事实上，5G对于辅助驾驶和自动驾驶是如此地重要，以至于它可以改变这些汽车使用的电子设备的设计。但是，汽车电子设备最终如何进化在部分程度上取决于5G技术和零部件供应商哪一方首先做好准备。

“随着电动汽车和ADAS的问世，4G／5G可能会成为汽车通信的主流标准，”应用材料公司200mm设备产品事业部战略与技术营销总监Mike Rosa说。“随着5G技术的投入使用，汽车内的电子器件可能会减少，因为云端的存储器更多，当然云端不会处理所有事务，但是大量的处理可以在云端进行，然后通过5G链路向汽车提供服务。”

两种技术

5G技术有两种方案。一种是sub－6 GHz频段，它在4G LTE的基础上略有改进，另一种则使用了24GHz以上的频率，最终形式是毫米波技术。一般而言，随着频率的提升，数据传输速度和以更快速度传输更多数据的能力也会提高。另一方面，随着频率的提高，信号传播距离也在降低，结果就是，需要部署更多中继器和基站。这对半导体行业来说当然是一个好消息，但是这也同时意味着5G技术的推出时间要比前几代移动通信技术更长，因为需要更多的时间部署5G通信所需的更多基础设施。

“5G的频率非常高，噪音更低，并且可以催生新的应用，”格罗方德22FDX项目总监Jamie Schaeffer说。“从基站角度来说，需要一个带数据转换器的数字前端。而5G手机则需要集成前端模块，并实现低功耗。对于面部识别等应用，24 GHz－40 GHz频段下的5G技术是最好的解决方案。”

5G设备可以使用波束成形和波束追踪技术以及大规模MIMO（多输入多输出）技术将多组拆分信号拼凑在一起。

所有方案的背后都有技术权衡。随着频率的提高，用在RF滤波上的薄膜厚度变得更小，这就会产生另一个问题。

应用材料公司的Rosa说：“在2－2．5 GHz的频率下，前端RF薄膜（通常是氮化铝基薄膜）的厚度通常约为1微米。随着频率越来越高，薄膜变得越来越薄。当前的工艺很难控制8英寸和12英寸晶圆上的应力均匀性。所以增加了钪掺杂工序，但是它也有极限。最终你会发现，你需要反过来研究开发这些薄膜的方式，现在它们是通过溅射形式生成的。从短期来看，这似乎不是什么大不了的事情，但是随着时间的推移，我们需要寻找一些替代方案来沉积出更薄的薄膜来。”

即使是薄膜材料也可能发生改变。例如，现在人们普遍认为铌酸锂可能会替代氮化铝，因为它可以使机电耦合的效率加倍。现在大部分RF开关器件都是使用硅锗实现的，但是在基站中，一方面需要增加功率以将更多信号驱动到更多中继器上，另一方面还需要应对功率本身带来的电力成本，所以可能会用氮化镓取代硅锗。

其它技术问题

不仅仅是基站需要解决功耗问题，当5G手机掉线后搜索信号时，会比它们在有效的服务区中更快耗尽电池电量。
“用户设备天线端需要完成很多工作，以便当你拿起来设备时就能直接使用，”美国国家仪器公司软件定义无线电部门高级产品营销经理Sarah Yost说。 “目前，业界还在努力研究如何为所有这些天线创建高效的波束模式。 如果手机上有8到多达64路输入，波束模式的数量就会非常大。你可能有12个发送模式和12个接收模式，所有这些模式的幅度可能都互不相同。”

这使得使用当今的设备和方法测试5G芯片变得非常耗时。“今天，测试时间为毫秒级，”Yost说。“如果需要测试所有这些波束模式和更多能力，测试时间会延长2500倍之多。这些芯片的测试是必不可少的，只是现在您需要采用不同的测试方法，我们现在正在试验空中测试方法。”

图3 布里斯托大学和隆德大学研制的128天线大规模MIMO测试平台

这种方法的优点是它可以连续测试芯片，从而优化信号，但是在测试领域，这是一个新概念。“这种方案的优点是您可以将其升级为模块化平台，以便跟踪适应标准的变化，”Yost说。 “它使得平台成为真实网络的一部分，从而可以尽早让您在设计过程中实现拨打电话功能。”

该方法可以和某些外部系统级测试相结合，以加速测试和内置自检过程。

为变化做计划

目前的设计层面也不是太明朗。太多的未知因素使得芯片设计优化变得困难重重。因此，无论是在架构层面还是在结构布局方面，都需要增加灵活性，在可编程能力的逻辑层面也要灵活可变。

“人们在想，他们是否需要更大的控制系统，”NetSpeed Systems首席执行官Sundari Mitra说。 “这需要架构层面的根本性改变，需要更多的动态计算，这意味着这些设计的复杂程度会有所提高。你不能采用传统的系统架构，把它拼凑到5G系统中，因为5G需要异构计算，需要访问内存的不再只是单个处理器。”

从任何角度来看，5G本身就是一种颠覆性技术。但是，当它和自动驾驶技术等其它颠覆性技术结合使用时，未知因素会显著增加。

ArterisIP首席技术官Ty Garibay表示：“当一辆汽车进入自动驾驶模式后，将始终需要5G连接性。这些汽车每个小时就会产生数TB的数据。其中一些数据会在终端芯片处理，另外的数据则需要转发后在云端处理，5G将是转发数据的关键。挑战在于如何将不同类型的处理和I／O汇集在一起，对任何人来讲，这都是一个大难题。”

与前几代移动通信技术不同的是，5G的采用可能将是多代技术混合长期演变的过程。因此，虽然5G将会在不久的将来就会推出，但是实现城市之外的5G手机和基站覆盖可能需要长达数十年时间。事实上，这项技术是否具有普遍性目前也存在争议。

“如果你看看现在所谓的5G系统，它们只能算是原型机，”Achronix战略规划和业务发展高级总监Mike Fitton说。“这就是为什么他们都使用可编程逻辑的原因。标准在发生变化，一些不同的应用场景也在不断出现。所以你需要在ASIC中建立一些可编程性。3G和4G也是如此，这些技术的早期市场几乎完全基于FPGA，市场成熟之后，才被ASIC取代，以降低成本和功耗。5G同样如此，只是它需要更长时间。它的演进第一阶段将是UHF，然后是毫米波。所以，市场表现将是，在4G的汪洋大海中，5G刚开始作为孤岛出现，然后慢慢扩大势力范围。”

但是，5G什么时候爆发并不明确。Flex Logix公司首席执行官Geoff Tate表示，由于这种不确定性，业界对eFPGAs的兴趣大增。他表示：“随着5G的出现，人们对嵌入式FPGA的兴趣不断增加。基站存在功率限制。如果可以不使用SerDes，就可以节省大量的电力。功耗节约很重要，因为性能要求会越来越高。而且，5G需要部署更多的基站，现在是每半英里大概有一个基站，但是5G的部署密度会更大。一个大基站会跟着很多小基站，这将对功率提出更大的要求。”
这对于嵌入式可编程器件来说是一个好兆头，因为它们比ASIC灵活性更强，而且比分立式FPGA更小，功耗更低。

Achronix的Fitton指出，5G规范的下一个修订版，即修订版16会增加一些额外的功能。“你会发现这些新功能非常适合于物联网类型的应用，物联网需要超可靠的低延迟特性，5G会催生一些新的应用案例。”

技术演进

以更高的视角来看，从5G的最初发布，到该技术未来的迭代，5G生态系统有很多不断变化的组成部分。实际上，这就像管理一个随着时间不断变化的3D矩阵一样，矩阵中的各个部分处于研究、开发甚至定义的不同阶段。

“在5G中，您可以将模拟、数字和RF系统融合在一起，”ClioSoft市场营销副总裁Ranjit Adhikary说。“一旦你开始使用这项技术，一些bug会隐藏在IP中迁移，过了一段时间之后，就没有人能够搞明白为什么要做某件事。人们在不同的公司跳槽，大量的IP知识就逐渐消失不见了。”

Adhikary说随着5G技术的演进，IP的开发、优化和描述也会受到影响。“现在的5G没有太多第三方IP，但是我们必须确保一点，当新版本的5G技术发布时，在系统级层面来看，所有要素都要能够很好地被追踪到，包括脚本和流程在内。5G技术的演进将以有线调制解调器为起点，因为它的协议和规范变化非常快，以至于过了几个月之后就很难再追踪到它的变化。而且，全球范围内公司那么多，你必须跟踪正在使用的IP是为哪个版本开发的，是这家第三方IP的哪个版本。如果规范出了新版本，你怎么确保使用这个IP的所有人都能使用正确的IP呢？”

结论

多个市场和技术之间的不确定性正在相互交织，提出了更多关于未来将如何使用5G技术、5G什么时候商用、最终需要花费多少资金和其它资源的问题。

“所有这些市场都对续航、成本有额外的要求，未来在实现自动电气控制时，它们仍然会对系统设计和制造造成重大挑战，”联华电子的Liu说。

在这些技术的转变中，5G是其中一个重要难题，但是究竟有多难，何时能商用还有待继续观察。