在我們真的看到5G網路和手機以前,半導體晶圓廠必須先改變其製造晶圓的方式,測試工程師需要搞清楚如何進行測試,還有,手機設計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,無線產品還必須能以接近當前可負擔的價格銷售。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。

儘管目前已經有一些5G晶片陸續出現了,但究竟要採用什麼製程技術來生產功率放大器(PA)和相控陣列天線,至今仍不明朗。針對PA,參與「智慧型手機的毫米波無線: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」製程———如矽晶CMOS和鍺,以及「III-V族」製程¬¬——包括磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)等。IV族是指週期表(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

美國國家標準與技術研究院(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(Columbia University)電子工程副教授Harish Krishnaswamy則表示,相較於CMOS製程,採用III-V族製程打造的電路更加高效。此外,Lockheed Martin技術長Deveraux Palmer補充說,「當今的III-V族製程也無法在高速下進行切換,」導致其用途受限。

不過,Williams問道:「效率那麼重要嗎?」癥結就在於手機的續航力必須能在每次充飽後至少撐1天半,讓使用者就算晚上睡覺前忘記為手機充電,第二天手機仍能正常使用或到了早上才充電。

20180622_5G_NT01P1 IMS 5G Summit與談人(由左至右):Northrop Grumman先進計劃專案經理Tim LaRocca、Maja Systems技術長Joy Laskar、Anokiwave行銷副總裁Gary St. Onge、哥倫比亞大學電子工程副教授Harish Krishnaswamy、Lockheed Martin技術長Dev Palmer、Straighpath Communications技術副總裁Farshid Aryanfar、加州大學聖地牙哥分校(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突破。」MACOM副總裁兼首席架構師Anthony Fischetti在稍後的簡報中表示:「III-V製程與CMOS不同,GaAs在6GHz以下頻率的功率太大了。」Fischetti解釋了他的公司MACOM如何因應這些不同製程的作法。例如,MACOM目前正與意法半導體(STMicroelectronics;ST)合作,使用矽基氮化鎵(GaN)製程製造射頻(RF)元件。雖然目前這一製程可行,但所需要的生產數量仍不符實際。所需要的設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轉來看,每週可製造大約5萬片CMOS晶圓。而如果以當今所能取得的設備製造GaN (III-V)晶圓,該公司大概要花一個月的時間才能生產出相同的量。「採用III-V製程的晶圓廠必須改變,才能儘快達到今日CMOS製程的規模。」

Fischetti還指出,III-V製程要在經濟上可行,就不能有重製晶圓(reworked wafer)。品質必須成為製程的一部份。此外,還必須使用光學微影技術拍攝各層影像至晶圓上。電子束(e-beam)微影技術的速度太慢了。III-V製程的另一個問題是在無層室中不能出現任何金元素,員工也不能配戴金錶和含金的珠寶等。

5G除了將帶來製程問題,還存在著測試挑戰。在這場專題討論上,Maja Systems技術長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

儘管為軍事應用打造的測試IC和系統採用特殊製程、mmWave頻譜和相控陣列天線,但其數量並不多,但這種測試在針對具有龐大數量需求的消費裝置則相當具有挑戰性。NI RF行銷副總裁Charles Schroeder、是德科技(Keysight Technologies)全球5G專案經理Roger Nichols強調了幾項5G測試挑戰,其中最明顯的要算是必須採用空中傳輸(OTA)進行測試。透過OTA能夠探測到具有高整合元件(PA與相控陣列天線)的mmWave系統。但OTA測試確實會對生產測試時間造成影響,而且,測試設備必須有能力處理這些工作負載。

Schroeder指出,處理mmWave頻率帶來的更大頻寬訊號,需要龐大的運算能力,以及大量的時間。目前,測試工程師並不知道他們是否需要PC級的處理器、FPGA或GPU來處理訊號。這需要對於目前處理無線訊號的方式進行一些反思。

20180622_5G_NT01P2

其他問題則來自於高頻寬。因為頻寬相當寬——可能是100MHz,傳輸路徑的阻抗可能會有所不同。測試系統必須知道這一點並相應地進行補償。

Roger Nichols

Nichols進一步討論測試問題,並指出近場和遠場測量的問題。「遠場的OTA測試可能被認為比近場更困難。然而,二者其實存在著折衷。在遠場,電磁場的表現更好。例如,此時更接近於典型定義的垂直E場、H場和波印廷(Poynting)向量。造成遠場測試更困難的是訊號損耗以及電波暗室的大小。而在近場,其挑戰在於取得準確偵測天線行為以及訊號相位與振幅之間的關係。再者,mmWave的波長短,由於近場變換至遠場(NF/FF)與波長的倒數成正比,因此,波長越小,NF/FF轉換之間的距離越長。」

Nichols指出:「人們所做的事情是很隨機的,例如移動手機。」這種隨機的移動並不是什麼問題,因為天線的設計是全向性的。但是,為了降低5G的功耗,相控陣列天線的波束控制將成為常態。這將迫使測試必須在不同的方向進行,測試系統必須驗證手機,因為手機會不斷地追蹤其方向並相應地調整波束。最重要的是,必須降低測試的不確定性。Nichols說:「在你能取得驗證數字以前,你無法確定其運作效能如何。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:5G Will Take Some Rethinking to Scale,by Martin Rowe)