半导体商纷纷投身5G市场谁将抢占制高点？
- 来源：半导体行业观察
- 编辑：一不做
- 2016/10/8 10:09:44
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【中国智能制造网 智造快讯】随着移动设备市场的减速，物联网、智能硬件没有获得预期的火爆，无人驾驶汽车的遥遥无期，工业领域的增长缓慢。在4G上吃到了甜头的半导体厂商唯有将目光投向了或许在近期内能实现的小目标5G，也就是第五代移动通信。
从现在来看，5G无疑是半导体厂商紧盯的一个市场。随着移动设备市场的减速，物联网、智能硬件没有获得预期的火爆，无人驾驶汽车的遥遥无期，工业领域的增长缓慢。在4G上吃到了甜头的半导体厂商唯有将目光投向了或许在近期内能实现的小目标5G，也就是第五代移动通信。
回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义：
1G采用频分多址(FDMA)，只能提供模拟语音业务；
2G主要采用时分多址(TDMA)，可提供数字语音和低速数据业务；
3G以码分多址(CDMA)为技术特征，用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps，可以支持多媒体数据业务；
4G以正交频分多址(OFDMA)技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。
来到了5G，其关键能力比以前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。
再加上新兴的物联网、移动互联网等应用对5G有了更高的需求，于5G设备来说也有了进一步的要求。按高通工程主管JohnSmee所说，5G对电池寿命，可靠性等方面都有了更高的需求。
而根据市场调研机构ReportsnReports的报告显示，5G网络到2025年会产生2500亿美元的年营收，这也势必会给目前正在给近来“苦苦挣扎”的半导体产生带来一线新的曙光。
挑战和机遇
虽然业界对5G抱有很大的期望，但是对于布置5G网络，目前还面临很多的挑战。例如虽然OEM和芯片厂商都在开发相关的5G产品，但5G标准尚未确定，这是带来的个挑战。
其次，行业内的人都知道，现在的LTE网络的运行频率区间是700MHZ到3.5GHZ，但在5G的时代，除了LTE会持续存在外，未授权的毫米波频段(30GHZ到300GHZ之间)也会同时共存，以提高无线数据容量。这样的就会给移动系统和基站系统的处理器、基带和RF设备带来了更多的新需求。于RF芯片供应商来说，5G会给他们带来一种的新需求，当中就包括了一种叫做毫米波相控阵天线的技术。
这种已经应用在太空和军事的毫米波设备逐渐迁移到了汽车雷达、60GHZWIFI和将要到来的5G身上。但这并不是简单的迁移，设计和设计的运行方式甚至毫米波会给厂商带来新的挑战。
不但这种芯片的设计会变得很困难，甚至在测试方面也给厂商带来了新的挑战。
在NI的一篇文章中有提到，由于这些毫米波的波长都是介乎1到10毫米之间，而厂商为了提高频谱的利用率，从物理层上探索MIMO、干扰协调等技术方法，这就会带来很高的路径损耗，有些频段甚至在水蒸气中也会面临传输损耗的挑战。另外在密集的城市环境信道测量中会发现，那些融合了方向可控制天线波束和网络拓扑蜂窝系统需要更高的链路预算。以上种种都会给测试厂商带来强大的挑战。
Skyworks的技术官PeterGammel，也表示，由于5G的高速率和低延迟，这就对化合物半导体提出了新的需求。
具体到手机、基站、测试和封装方面，我们可以这样分析：
（1）基站
5G实际应用中，带相控阵天线的手机将发射信号给基站和微蜂窝基站，基站和微蜂窝基站将与相控阵天线对接以实现信号连接。
要实现上述功能，还有一些问题要解决。例如，天气状况会影响信号路径。“在毫米波频段，由于氧气和吸收造成的路径损失会更大，”AnokiwaveCEORobertDonahue说道，“解决方法是采用波束成型技术。”
Anokiwave有一款被称为“5G四核”的IC，工作频率为28GHz，具备相控阵功能。这款IC使用硅锗工艺，可用于微蜂窝基站等系统。
理论上，这种芯片可与基站通信。与4G不同，4.5G和5G设备必须支持大规模MIMO技术。基站使用的射频功率管一般采用LDMOS工艺，但现在LDMOS工艺正在被氮化镓(GaN)工艺取代。这是给半导体产业带来的个挑战，也是机遇。
“和LTE-A一样，5G基础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽，”稳懋半导体副总裁DavidDanzilio说道，稳懋半导体提供GaAs和GaN工艺代工服务。“随着LTE迈向更高频率，GaN技术已经开始扩大市场份额。”
“GaN是一种宽禁带材料，”StrategyAnalytics的Higham说，“这意味着GaN能够耐受更高的电压，也意味着GaN器件的功率密度和可工作温度更高。所以，与GaAs和磷化铟(InP)等其他高频工艺相比，GaN器件输出的功率更大；与LDMOS和SiC(碳化硅)等其他功率工艺相比，GaN的频率特性更好。”
将来，5G手机中的PA甚至也可以用GaN来制造。“GaN也会被采用，特别是在高频率应用。”Qorvo无线基础设施与产品事业部总经理SumitTomar说。
军用手机中已经开始使用GaN器件，但普通智能手机用上GaN器件还要等上一段时间，因为只有在低功率GaN工艺上取得突破，GaN器件才能放入智能手机。
（2）手机
4G手机里面的数字部分包括应用处理器和调制解调器，射频前端则包括功率放大器(PA)、射频信号源和模拟开关。功率放大器用于放大手机里的射频信号，通常采用砷化镓(GaAs)材料的异质结型晶体管(HBT)技术制造。
未来的5G手机也要有应用处理器和调制解调器。不过与4G系统不同，5G手机还需要相控阵天线。相控阵天线由一组可独立发射信号的天线组成，利用波束成型技术，每根相控天线都可以根据波束来调整方向。
5G智能手机中可能需要16跟天线。“每根天线都有独立的PA和移相器，并与一个覆盖整个工作频率的信号收发器相连，”StrategyAnalytics行业分析师ChrisTaylor说道，“理想的状况是把天线放在信号收发器上面，或者与收发器做在一起，所以信号收发器要有多个由小的PA组成的发射通道。所有进出天线的信号都在模拟域处理。”
毫米波器件设计一个系统非常有挑战性。“很多客户不但关心系统的架构，还想知道究竟用什么技术来具体实现，”GlobalFoundriesRabbeni说道，“这很大程度上取决于系统要集成多少功能，以及如何划分子系统。”
“此外，布局布线对于毫米波的影响很大，”Rabbeni说，“各个部件之间靠得很近以减小损耗。处理毫米波电路不是一件容易事。”
相控阵器件通常由不同的工艺制造而成，不过现在多数采用标准CMOS工艺和硅锗(SiGe)工艺。“在毫米波相控阵/主动天线应用中，硅锗工艺已经得到了证明。”TowerJazz战略市场总监AmolKalburge说。
“此外，硅锗材料可以把先进CMOS工艺和片上无源器件集成在一起，这样就减小系统级芯片(SoC)的面积以提高集成度，并在成本与性能的平衡上做到更好，”Kalburge说，“我们认为硅锗材料将在5G射频前端IC发挥重大作用，当然也会用到其他三-五价材料。”
这样就对就在相关射频厂商的硅锗和砷化镓产品带来新的挑战和基于
（3）测试
测试测量大概是5G生产制造流程中困难的一环。与4G射频芯片相比，毫米波的测试测量有明显区别。
“现在几乎所有的射频芯片测试都是用一根线缆把射频芯片和测试设备连起来，”NI的Hall说，“采用线缆连接射频芯片和测试设备是为了避免测试由于路径损失等原因导致的不确定性。”
不过蓝牙等射频芯片在测试时，也会进行辐射测量。量产测试时，芯片厂商则会采用相应的自动化测试设备(ATE)来进行测试。
但是，毫米波器件的测试测量完全是另外一回事。例如，相控阵天线可能是绑定在射频前端器件上。“(射频前端器件)封装就把天线包在里面了，”是德科技5G技术架构师MikeMillhaem说，“所以在器件上没有射频接口和端子来连接到测试设备上。”
所以，传统的采用线缆连接的测试方法对于毫米波不适用。那么，该怎么来测试毫米波器件呢？
每家厂商有不同的测试方案，不过需要把几台昂贵的机器组合在一起才能完成对毫米波的测试测量。
这又是一个挑战。
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