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【中國智能制造網(wǎng) 市場分析】5G的腳步越來越近了，但并非所有地方都有它的身影，它也不會突兀而至，先來到人們眼前的也不是該技術(shù)的快版本。實際可能出現(xiàn)的情況是，5G首先會在人口密集的大都市完成首秀，從2020年或2021年開始，在之后的十年中逐漸普及開來。
就像今天的智能手機(jī)跨越了2G、3G和4G LTE三代無線標(biāo)準(zhǔn)那樣，5G也不太可能完全取代4G LTE。向后兼容性是所有這些標(biāo)準(zhǔn)的重要考量因素。5G信號的頻率非常高，高頻率可達(dá)到300 GHz，而4G LTE則是2.6 GHz頻段。提高帶寬可以增加數(shù)據(jù)密度，所以頻率的提高使得5G信號可以攜帶更多數(shù)據(jù)，但是更高的頻率也意味著信號更容易受到樹木、大樓和人體的干擾，我們自己的身體也可以阻擋毫米波信號。
“5G技術(shù)需要克服幾個重大挑戰(zhàn)：回傳、尋址和頻譜，”摩根士丹利執(zhí)行董事James Faucette在近的一次演講中表示。“想要使用5G，你必須部署多出幾百倍的基站。5G的運行頻率比以前的無線標(biāo)準(zhǔn)高得多，當(dāng)達(dá)到毫米波頻段時，5G信號基本上連一個房間都覆蓋不了。信號的不可預(yù)測性以及能傳輸多遠(yuǎn)都是很大的問題。”
這些困難都沒有阻止5G的發(fā)展，但它們肯定影響了5G技術(shù)的推廣計劃。5G終端的種實現(xiàn)形式可能是無線形式的固定設(shè)備，基本上是無線對傳。毫米波信號穿不過窗戶，所以需要一根天線。必須部署那么多的中繼器和小基站，這些設(shè)備的安裝地點需要支付租金，這會給運營商帶來相當(dāng)大的財務(wù)壓力。
為5G做好準(zhǔn)備
今年在韓國平昌舉辦的冬奧會在一定程度上揭示了5G技術(shù)的發(fā)展前景。從虛擬現(xiàn)實到不需要佩戴特殊3D眼鏡的8K視頻等所有內(nèi)容都佐證了準(zhǔn)5G技術(shù)帶寬增加的效果。三星甚至為滑板運動員提供了SmartSuits，這些運動員可以使用傳感器繪制身體位置并將振動信號發(fā)送到可穿戴設(shè)備上。
但是，真正能夠推動5G技術(shù)需求的應(yīng)用是自動駕駛汽車。
“5G代表了自動駕駛體驗需要的基礎(chǔ)技術(shù)，”聯(lián)電公司市場部副總裁Steven Liu表示。“自主駕駛技術(shù)需要更多的車輛間通信(V2V)和車輛-基礎(chǔ)設(shè)施通信(V2I，V2X)，意味著汽車需要部署的雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)量將不斷增加，涉及到的技術(shù)包括防碰撞雷達(dá)、GPS、辨識停車信號和交警調(diào)度車輛手勢的傳感器等。這些系統(tǒng)將和現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，包括舒適控制系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、監(jiān)測溫度、輪胎壓力和調(diào)節(jié)氣體的動機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)。用于長途運輸?shù)目ㄜ囆枰?fù)載平衡、負(fù)載轉(zhuǎn)移和曲線切變系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須協(xié)同工作以確保貨物在運輸過程中不被損壞，以及集裝箱在整個行駛行程中保持穩(wěn)定。5G通信對這些系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行各自操作來說是至關(guān)重要的。”
事實上，5G對于輔助駕駛和自動駕駛是如此地重要，以至于它可以改變這些汽車使用的電子設(shè)備的設(shè)計。但是，汽車電子設(shè)備終如何進(jìn)化在部分程度上取決于5G技術(shù)和零部件供應(yīng)商哪一方首先做好準(zhǔn)備。
“隨著電動汽車和ADAS的問世，4G/5G可能會成為汽車通信的主流標(biāo)準(zhǔn)，”應(yīng)用材料公司200mm設(shè)備產(chǎn)品事業(yè)部戰(zhàn)略與技術(shù)營銷總監(jiān)Mike Rosa說。“隨著5G技術(shù)的投入使用，汽車內(nèi)的電子器件可能會減少，因為云端的存儲器更多，當(dāng)然云端不會處理所有事務(wù)，但是大量的處理可以在云端進(jìn)行，然后通過5G鏈路向汽車提供服務(wù)。”
兩種技術(shù)
5G技術(shù)有兩種方案。一種是sub－6 GHz頻段，它在4G LTE的基礎(chǔ)上略有改進(jìn)，另一種則使用了24GHz以上的頻率，終形式是毫米波技術(shù)。一般而言，隨著頻率的提升，數(shù)據(jù)傳輸速度和以更快速度傳輸更多數(shù)據(jù)的能力也會提高。另一方面，隨著頻率的提高，信號傳播距離也在降低，結(jié)果就是，需要部署更多中繼器和基站。這對半導(dǎo)體行業(yè)來說當(dāng)然是一個好消息，但是這也同時意味著5G技術(shù)的推出時間要比前幾代移動通信技術(shù)更長，因為需要更多的時間部署5G通信所需的更多基礎(chǔ)設(shè)施。
“5G的頻率非常高，噪音更低，并且可以催生新的應(yīng)用，”格羅方德22FDX項目總監(jiān)Jamie Schaeffer說。“從基站角度來說，需要一個帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字前端。而5G手機(jī)則需要集成前端模塊，并實現(xiàn)低功耗。對于面部識別等應(yīng)用，24 GHz-40 GHz頻段下的5G技術(shù)是好的解決方案。”
5G設(shè)備可以使用波束成形和波束追蹤技術(shù)以及大規(guī)模MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)將多組拆分信號拼湊在一起。
所有方案的背后都有技術(shù)權(quán)衡。隨著頻率的提高，用在RF濾波上的薄膜厚度變得更小，這就會產(chǎn)生另一個問題。
應(yīng)用材料公司的Rosa說：“在2-2.5 GHz的頻率下，前端RF薄膜(通常是氮化鋁基薄膜)的厚度通常約為1微米。隨著頻率越來越高，薄膜變得越來越薄。當(dāng)前的工藝很難控制8英寸和12英寸晶圓上的應(yīng)力均勻性。所以增加了鈧摻雜工序，但是它也有極限。終你會發(fā)現(xiàn)，你需要反過來研究開發(fā)這些薄膜的方式，現(xiàn)在它們是通過濺射形式生成的。從短期來看，這似乎不是什么大不了的事情，但是隨著時間的推移，我們需要尋找一些替代方案來沉積出更薄的薄膜來。”
即使是薄膜材料也可能發(fā)生改變。例如，現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為鈮酸鋰可能會替代氮化鋁，因為它可以使機(jī)電耦合的效率加倍?，F(xiàn)在大部分RF開關(guān)器件都是使用硅鍺實現(xiàn)的，但是在基站中，一方面需要增加功率以將更多信號驅(qū)動到更多中繼器上，另一方面還需要應(yīng)對功率本身帶來的電力成本，所以可能會用氮化鎵取代硅鍺。
其它技術(shù)問題
不僅僅是基站需要解決功耗問題，當(dāng)5G手機(jī)掉線后搜索信號時，會比它們在有效的服務(wù)區(qū)中更快耗盡電池電量。
“用戶設(shè)備天線端需要完成很多工作，以便當(dāng)你拿起來設(shè)備時就能直接使用，”美國國家儀器公司軟件定義無線電部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Sarah Yost說。“目前，業(yè)界還在努力研究如何為所有這些天線創(chuàng)建的波束模式。如果手機(jī)上有8到多達(dá)64路輸入，波束模式的數(shù)量就會非常大。你可能有12個發(fā)送模式和12個接收模式，所有這些模式的幅度可能都互不相同。”
這使得使用當(dāng)今的設(shè)備和方法測試5G芯片變得非常耗時。“今天，測試時間為毫秒級，”Yost說。“如果需要測試所有這些波束模式和更多能力，測試時間會延長2500倍之多。這些芯片的測試是必不可少的，只是現(xiàn)在您需要采用不同的測試方法，我們現(xiàn)在正在試驗空中測試方法。”
這種方法的優(yōu)點是它可以連續(xù)測試芯片，從而優(yōu)化信號，但是在測試領(lǐng)域，這是一個新概念。“這種方案的優(yōu)點是您可以將其升級為模塊化平臺，以便跟蹤適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化，”Yost說。“它使得平臺成為真實網(wǎng)絡(luò)的一部分，從而可以盡早讓您在設(shè)計過程中實現(xiàn)撥打電話功能。”
該方法可以和某些外部系統(tǒng)級測試相結(jié)合，以加速測試和內(nèi)置自檢過程。
為變化做計劃
目前的設(shè)計層面也不是太明朗。太多的未知因素使得芯片設(shè)計優(yōu)化變得困難重重。因此，無論是在架構(gòu)層面還是在結(jié)構(gòu)布局方面，都需要增加靈活性，在可編程能力的邏輯層面也要靈活可變。
“人們在想，他們是否需要更大的控制系統(tǒng)，”NetSpeed Systems執(zhí)行官Sundari Mitra說。“這需要架構(gòu)層面的根本性改變，需要更多的動態(tài)計算，這意味著這些設(shè)計的復(fù)雜程度會有所提高。你不能采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，把它拼湊到5G系統(tǒng)中，因為5G需要異構(gòu)計算，需要訪問內(nèi)存的不再只是單個處理器。”
從任何角度來看，5G本身就是一種顛覆性技術(shù)。但是，當(dāng)它和自動駕駛技術(shù)等其它顛覆性技術(shù)結(jié)合使用時，未知因素會顯著增加。
ArterisIP技術(shù)官Ty Garibay表示：“當(dāng)一輛汽車進(jìn)入自動駕駛模式后，將始終需要5G連接性。這些汽車每個小時就會產(chǎn)生數(shù)TB的數(shù)據(jù)。其中一些數(shù)據(jù)會在終端芯片處理，另外的數(shù)據(jù)則需要轉(zhuǎn)發(fā)后在云端處理，5G將是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。挑戰(zhàn)在于如何將不同類型的處理和I/O匯集在一起，對任何人來講，這都是一個大難題。”
與前幾代移動通信技術(shù)不同的是，5G的采用可能將是多代技術(shù)混合長期演變的過程。因此，雖然5G將會在不久的將來就會推出，但是實現(xiàn)城市之外的5G手機(jī)和基站覆蓋可能需要長達(dá)數(shù)十年時間。事實上，這項技術(shù)是否具有普遍性目前也存在爭議。
“如果你看看現(xiàn)在所謂的5G系統(tǒng)，它們只能算是原型機(jī)，”Achronix戰(zhàn)略規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Mike Fitton說。“這就是為什么他們都使用可編程邏輯的原因。標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)生變化，一些不同的應(yīng)用場景也在不斷出現(xiàn)。所以你需要在ASIC中建立一些可編程性。3G和4G也是如此，這些技術(shù)的早期市場幾乎完全基于FPGA，市場成熟之后，才被ASIC取代，以降低成本和功耗。5G同樣如此，只是它需要更長時間。它的演進(jìn)階段將是UHF，然后是毫米波。所以，市場表現(xiàn)將是，在4G的大海中，5G剛開始作為孤島出現(xiàn)，然后慢慢擴(kuò)大勢力范圍。”
但是，5G什么時候爆發(fā)并不明確。Flex Logix公司執(zhí)行官Geoff Tate表示，由于這種不確定性，業(yè)界對eFPGAs的興趣大增。他表示：“隨著5G的出現(xiàn)，人們對嵌入式FPGA的興趣不斷增加?；敬嬖诠β氏拗?。如果可以不使用SerDes，就可以節(jié)省大量的電力。功耗節(jié)約很重要，因為性能要求會越來越高。而且，5G需要部署更多的基站，現(xiàn)在是每半英里大概有一個基站，但是5G的部署密度會更大。一個大基站會跟著很多小基站，這將對功率提出更大的要求。”
這對于嵌入式可編程器件來說是一個好兆頭，因為它們比ASIC靈活性更強(qiáng)，而且比分立式FPGA更小，功耗更低。
Achronix的Fitton指出，5G規(guī)范的下一個修訂版，即修訂版16會增加一些額外的功能。“你會發(fā)現(xiàn)這些新功能非常適合于物聯(lián)網(wǎng)類型的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)需要超可靠的低延遲特性，5G會催生一些新的應(yīng)用案例。”
技術(shù)演進(jìn)
以更高的視角來看，從5G的初發(fā)布，到該技術(shù)未來的迭代，5G生態(tài)系統(tǒng)有很多不斷變化的組成部分。實際上，這就像管理一個隨著時間不斷變化的3D矩陣一樣，矩陣中的各個部分處于研究、開發(fā)甚至定義的不同階段。
“在5G中，您可以將模擬、數(shù)字和RF系統(tǒng)融合在一起，”ClioSoft市場營銷副總裁Ranjit Adhikary說。“一旦你開始使用這項技術(shù)，一些bug會隱藏在IP中遷移，過了一段時間之后，就沒有人能夠搞明白為什么要做某件事。人們在不同的公司跳槽，大量的IP知識就逐漸消失不見了。”
Adhikary說隨著5G技術(shù)的演進(jìn)，IP的開發(fā)、優(yōu)化和描述也會受到影響。“現(xiàn)在的5G沒有太多第三方IP，但是我們必須確保一點，當(dāng)新版本的5G技術(shù)發(fā)布時，在系統(tǒng)級層面來看，所有要素都要能夠很好地被追蹤到，包括腳本和流程在內(nèi)。5G技術(shù)的演進(jìn)將以有線調(diào)制解調(diào)器為起點，因為它的協(xié)議和規(guī)范變化非常快，以至于過了幾個月之后就很難再追蹤到它的變化。而且，范圍內(nèi)公司那么多，你必須跟蹤正在使用的IP是為哪個版本開發(fā)的，是這家第三方IP的哪個版本。如果規(guī)范出了新版本，你怎么確保使用這個IP的所有人都能使用正確的IP呢？”
結(jié)論
多個市場和技術(shù)之間的不確定性正在相互交織，提出了更多關(guān)于未來將如何使用5G技術(shù)、5G什么時候商用、終需要花費多少資金和其它資源的問題。
“所有這些市場都對續(xù)航、成本有額外的要求，未來在實現(xiàn)自動電氣控制時，它們?nèi)匀粫ο到y(tǒng)設(shè)計和制造造成重大挑戰(zhàn)，”聯(lián)華電子的Liu說。
在這些技術(shù)的轉(zhuǎn)變中，5G是其中一個重要難題，但是究竟有多難，何時能商用還有待繼續(xù)觀察。
(原標(biāo)題：5G技術(shù)其修遠(yuǎn)兮，功耗和成本問題就夠它喝一壺)
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