行動產業似乎才剛結束在西班牙巴塞隆納舉行的世界行動通訊大會(MWC)嘉年華,科技產業的供應商、系統OEM與行動營運商馬上就面臨著一連串亟待解決的5G發展障礙。事實上,這些問題還只是個起點。

5G發展的技術議題是多方面的。其中,用於5G毫米波(mmWave)——預計將執行於28GHz、39GHz或60GHz頻率——的智慧天線和射頻(RF)前端,可能嚴重影響尚未出現的5G mmWave手機性能。

Yole Développement的RF電子業務負責人Claire Troadec在MWC之後接受《EETimes》的專訪。她說:「儘管像高通(Qualcomm)、英特爾(Intel)、聯發科技(MediaTrk)和三星(Samsung)等許多公司都以手機作為5G mmWave的展示平台,但我們認為,手機並不會是首先落實5G mmWave的應用之處。」相形之下,5G mmWave更可能成為書桌或桌面上的固定式資料數據機,讓消費者能夠用於下載或串流大量的寬頻應用。

Claire Troadec
Claire Troadec

為什麼呢?這其實是因為5G mmWave頻段存在著高傳播損耗、指向性以及對於障礙物十分敏感等問題,因此,想要設計一款能始終運作而不至於失去訊號的5G手機並不是一件容易的事。想像一下,消費者可能會因此被迫停留在某一個頁面,而且必須不斷地尋找其他訊號。

在手機中部署5G mmWave無線訊號的另一項挑戰是電池的壽命和耗電問題。在今年於平昌舉行的2018年冬季奧運(Winter Olympics 2018)期間,三星據稱展示了自家的5G平板電腦。雖然這台裝置的運作十分順利,但是充斥在MWC上的評價卻相當令人驚訝:在30分鐘後電池就沒電了。

針對這個傳聞,Troadec認為,「手機的5G mmWave訊號傳輸會出現功耗過高的問題。」她猜想「大多數的主導廠商應該都在廣泛地關注這個領域。」但她補充說,她發現這些技術供應商並未針對5G新無線電(5G New Radio;5G NR)應用中這個明顯的系統級功耗問題提出許多補救措施。她說,沒有人願意在展會上進一步討論這個問題。

5G mmWave RF模組對於新興5G市場將會帶來的干擾,並不僅限於技術的變化。深受影響的還包括目前供應3G和4G RF元件和模組的整個「產業供應鏈」。

Yole解釋,由於5G mmWave讓供應商得以使用CMOS或SOI技術,在SoC中設計RF前端模組,因此該領域將為目前在手機生態系統架構中的「先進CMOS設計和製造商」開啟進軍RF市場的大門。除了英特爾和高通之外,進軍這一領域的業者還包括三星、華為(Huawei)和聯發科技。

5G頻段越多,RF前端模組就更多

隨著技術供應商開始致力於打造能夠處理頻段日益增加的複雜RF前端(RFFE)模組,行動產業已經取得了很大的進展。根據Troadec,隨著蜂巢式標準從3G發展到4G,RF前端必須因應的頻段數量從4個大幅增加到了30個。

20180320_5G_NT01P1 智慧型手機中支援的頻段數越來越多,徒增RF前端的複雜度(來源:Yole Développement)

隨著5G技術和應用逐漸到位,情況將會變得更加複雜。雖然5G在理論上是一項標準,但它有三個重要的組成元素:用於物聯網(IoT)的5G、使用sub-6 GHz頻段的5G,以及使用mmWave的5G。以RF技術來看,Troadec觀察到「這意味著必須把不同性能的元件整合在一起。」

這表示5G將遵循「不同實施階段、不同5G版本平行發展」的方向。換句話說,不會有一種統一的5G RFFE,而是「5G IoT、5G sub-6 GHz和5G mmWave各自依其路徑發展,並分別以其RF系統級封裝(SiP)進展建立平行的生態系統。」

那麼,每一種5G技術將分別採取哪些RFFE路徑發展?Troadec認為,5G mmWave技術將會帶來最具顛覆性的創新。她並預計接下來將會需要重新更改設計以及採用新的材料。

值得慶幸的是,5G mmWave可以終結目前用於2G、3G和4G RF前端系統中基於SiP技術的複雜前端模組應用。Troadec解釋說:「你可以根據先進的CMOS或SOI技術,設計每一個建構模組——包括功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、濾波器、開關和被動元件。」這將會為許多以前較欠缺RF專業技術的數位晶片供應商帶來開發SoC前端模組的機會。

同時,對於在6GHz頻段以下(sub-6 GHz)的5G技術,Troadec認為它將建立在漸進式創新的基礎上。她解釋說,在這個頻段上預計只需要以變化最小的材料清單(BoM)更改目前的RF封裝架構即可。

由於5G IoT將使用低於1GHz的頻率,因此,Troadec認為在這個頻段上,5G RFFE的半導體封裝「只需要很少或幾乎無需創新」。儘管如此,針對大量IoT裝置產生資料傳輸問題的5G IoT規範和協定,至今尚未完成定義和標準化。

20180320_5G_NT01P2 各種不同版本的5G技術平行發展(來源:Yole Développement)

RF供應鏈中有哪些「大咖」?

在深入探索5G的RF解決方案細節之前,讓我們先看看目前有哪些主要的RF元件和模組供應商。

通常,RF前端模組是由諸如RF開關、PA/LNA、RF濾波器和天線元件(調諧器和開關)等RF元件組成的。

在這個擁擠的RF供應鏈中,主要的RF廠商包括Sony、村田(Murata;2014年底收購Peregrin Semiconductor)、Skyworks、Qorvo、英飛凌(Infineon)、博通(Broadcom)/Avago、Cavendish Kinetics、TDK EPCOS等。

每一家公司都有自己專有的RF元件,通常各自採用不同的基板和製程技術。這些技術選擇包括從RF-SOI和BiCMOS到bulk CMOS、氮化鎵(GaN)和RF MEMS等包羅萬象。

由於不同類型的RF元件分別採用不同的製程技術,因此,當今用於整合RF模組的途徑通常選擇的是SiP,而非SoC的形式。

目前,對於2G、3G、4G以及5G的6 GHz以下頻段,Troadec證實,「滿足智慧型手機中嚴格無線性能要求的唯一方法就是SiP途徑。」

20180320_5G_NT01P3 (來源:Yole Développement)

目前沒有任何一家RF元件供應商有能力擁有每一種最佳技術。Troadec解釋說,在RF前端整合中,「每一種建構模組都需要非常專用的技術:使用砷化鎵(GaAs)技術的最佳PA、使用SOI技術的最佳開關、使用表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)的最佳濾波器,以及使用矽鍺(SiGe)技術的最佳LNA等。」

Troadec並表示:「博通、Murata、Qorvo、Skyworks和TDK/高通,則是目前能夠為RF前端模組提供SiP製程技術的廠商。」

她解釋說,每一種產品都有各自的特性要求,例如高頻模組、中頻模組、低頻模組和多樣化接收模組等,分別採用了「整合多工器的PA模組」(PAMiD)或是「整合多工器的前端模組」(FEMiD)形式。PAMiD是高度整合的客製模組、性能導向但成本高,僅限於蘋果(Apple)、三星和華為等幾家業者採用;而FEMiD則提供較優的性能和成本折衷,較受LG和手機公司等二級(Tier 2)智慧型手機製造商的青睞。

她總結道:「我們確實看到只有少數幾家公司能夠在此高度技術混合的環境中發揮作用。」

5G sub-GHz:沿用SiP...

隨著蜂巢式產業朝向5G方向發展,對於5G sub-GHz的RF前端模組而言,預計仍將沿用相同的原則——SiP整合。

然而,據Yole指出,針對SiP和封裝內部的更多整合,未來將會發生一些變化。Troadec解釋說,這些新的措施包括在基於SOI的平台上整合LNA和開關於同一晶片中,以及採用更多用於濾波器的晶圓級封裝(WLP)途徑,以節省晶片空間(例如,目前只有博通採用這種方法,以及Qorvo正在開發這種方法)。此外,晶圓級封裝途徑也適用於封裝PA (至今仍採用線接合方式)。

5G mmWave:從SiP到SoC

無疑地,5G mmWave RF前端模組將徹底改變最複雜的RF元件/模組供應鏈。由於使用各種不同的製程技術,因而製造出大量複雜的RF元件。未來,即將出現的可能是在基於先進CMOS或SOI技術實現的SoC中導入mmWave前端模組。

讓5G mmWave得以在SoC中設計RF模組的原因有很多。

首先,Troadec解釋說,5G mmWave意味著它正轉向頻寬可用的頻譜區域。「因此,我們並不需要很多頻段來發送資訊,進一步簡化了它的無線架構。」

因此,這也降低了對於濾波器技術的限制。「模組中不必再進行高階濾波,」然而,她提醒道,「我們仍然必須在不同的無線技術(4G或5G sub-6 GHz以及5G mmWave)之間切換高階開關(高度隔離、線性度)。

她還指出,針對4G技術,「我們使用了每頻段20MHz頻寬的載波聚合(carrier aggregation;CA),而且還使用了多個頻段。因此,它需要高階濾波器技術,以區別每個頻段中的每個訊號,但目前只有BAW元件(MEMS技術)可用。

另一個重要的因素是5G mmWave將採用波束成形(beam-forming)技術,使其得以形成波束,同時向多個用戶傳送資訊。「這將會降低PA功率發射的限制和要求。另一方面,這也意味著CMOS技術能夠發揮作用。」她補充說:「在mmWave頻率下,電感變小了;因此,就可能採用CMOS/SOI技術整合被動元件了。」

然而,Troadec再次強調,對於5G mmWave RF模組而言,限制因素之一似乎就在於整個系統的功耗。「為什麼我們必須釐清這個問題?而且,至今還沒有人從技術上解釋為什麼,以及必須做些什麼,」才能解決這個問題。

進軍RF領域的新進業者

一旦業界轉而採用CMOS或SOI技術,在SoC中設計5G mmWave RF前端模組,目前的RF生態將會從一個看似和諧的RF前端模組供應商俱樂部(如博通、Murata、Qorvo、Skyworks 以及TDK/高通)開始發生變化。

Troadec指出,英特爾和高通已經準備好進軍手機數據機和收發器業務了,他們很有希望能夠掌握無線RF領域以及提供端對端的解決方案。這些公司的目標在於「為RF產業鏈帶來由上而下的完整自家設計」。

如果博通收購了高通…

從博通和高通旗下的產品和技術領域來看,手機市場是這兩大巨擘極具業務互補性的市場。 根據Troadec的觀察,博通高度定位於無線和Wi-Fi領域,而高通則廣泛經營應用處理器(AP)、數據機、收發器、Wi-Fi/藍牙(BT)等市場,再加上恩智浦(NXP)的NFC及其微控制器(MCU)業務。

如今,高通逐漸從5G mmWave領域取得了市場動能,而博通則專注於sub-6 GHz。Troadec表示,如果兩家公司的收購案之前沒有被美國總統川普擋下來,那麼,博通和高通的整併「將會在市場上形成高度寡頭壟斷的局面。」她質疑說:「這就是為什麼我們看到英特爾變得十分擔心,並試圖介入這項收購案的討論,甚至還撂下考慮收購博通的話來。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:5G to Alter RF Front-End Landscape,by Junko Yoshida)