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跨越了2g、3g和4g lte三代無線標準那樣，5g也不太可能完全取代4g lte。向后兼容性是所有這些標準的重要考量因素。5g信號的頻率非常高，高頻率可達到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準高得多，當達到毫米波頻段時，5g信號基本上連一個房間都覆蓋不了。信號的不可預測性以及能傳輸多遠都是很大的問題。”
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，這些設備的安裝地點需要支付租金，這會給運營商帶來相當大的財務壓力。
為5g做好準備
今年在韓國平昌舉辦的*在一定程度上揭示了5g技術的發(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5g技術帶寬增加的效果。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)送到可穿戴設備上。
但是，真正能夠推動5g技術需求的應用是自動駕駛汽車。
“5g代表了自動駕駛體驗需要的基礎技術，”聯(lián)電公司市場部副總裁steven liu表示。“自主駕駛技術需要更多的車輛間通信(v2v)和車輛-基礎設施通信(v2i，v2x)，意味著汽車需要部署的雷達系統(tǒng)數(shù)量將不斷增加，涉及到的技術包括防碰撞雷達、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)氣體的動機監(jiān)控子系統(tǒng)。用于長途運輸?shù)目ㄜ囆枰撦d平衡、負載轉(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備的設計。但是，汽車電子設備終如何進化在部分程度上取決于5g技術和零部件供應商哪一方首先做好準備。
“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準，”應用材料公司200mm設備產(chǎn)品事業(yè)部戰(zhàn)略與技術營銷總監(jiān)mike rosa說。“隨著5g技術的投入使用，汽車內(nèi)的電子器件可能會減少，因為云端的存儲器更多，當然云端不會處理所有事務，但是大量的處理可以在云端進行，然后通過5g鏈路向汽車提供服務。”
兩種技術
5g技術有兩種方案。一種是sub－6 ghz頻段，它在4g lte的基礎上略有改進，另一種則使用了24ghz以上的頻率，終形式是毫米波技術。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。這對半導體行業(yè)來說當然是一個好消息，但是這也同時意味著5g技術的推出時間要比前幾代移動通信技術更長，因為需要更多的時間部署5g通信所需的更多基礎設施。
“5g的頻率非常高，噪音更低，并且可以催生新的應用，”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手機則需要集成前端模塊，并實現(xiàn)低功耗。對于面部識別等應用，24 ghz-40 ghz頻段下的5g技術是好的解決方案。”
5g設備可以使用波束成形和波束追蹤技術以及大規(guī)模mimo(多輸入多輸出)技術將多組拆分信號拼湊在一起。
所有方案的背后都有技術權衡。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。當前的工藝很難控制8英寸和12英寸晶圓上的應力均勻性。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)在人們普遍認為鈮酸鋰可能會替代氮化鋁，因為它可以使機電耦合的效率加倍。現(xiàn)在大部分rf開關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。
其它技術問題
不僅僅是基站需要解決功耗問題，當5g手機掉線后搜索信號時，會比它們在有效的服務區(qū)中更快耗盡電池電量。
“用戶設備天線端需要完成很多工作，以便當你拿起來設備時就能直接使用，”美國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。如果手機上有8到多達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。”
這使得使用當今的設備和方法測試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*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，以便跟蹤適應標準的變化，”yost說。“它使得平臺成為真實網(wǎng)絡的一部分，從而可以盡早讓您在設計過程中實現(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
目前的設計層面也不是太明朗。太多的未知因素使得芯片設計優(yōu)化變得困難重重。因此，無論是在架構層面還是在結(jié)構布局方面，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，這意味著這些設計的復雜程度會有所提高。你不能采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構，把它拼湊到5g系統(tǒng)中，因為5g需要異構計算，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。但是，當它和自動駕駛技術等其它顛覆性技術結(jié)合使用時，未知因素會顯著增加。
arterisip技術官ty garibay表示：“當一輛汽車進入自動駕駛模式后，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不同的是，5g的采用可能將是多代技術混合*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手機和基站覆蓋可能需要長達數(shù)十年時間。事實上，這項技術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，”achronix戰(zhàn)略規(guī)劃和業(yè)務發(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。標準在發(fā)生變化，一些不同的應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。基站存在功率限制。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，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會催生一些新的應用案例。”
技術演進
以更高的視角來看，從5g的初發(fā)布，到該技術未來的迭代，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，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技術的演進，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，當新版本的5g技術發(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技術的演進將以有線調(diào)制解調(diào)器為起點，因為它的協(xié)議和規(guī)范變化非?？欤灾劣谶^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
多個市場和技術之間的不確定性正在相互交織，提出了更多關于未來將如何使用5g技術、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)設計和制造造成重大挑戰(zhàn)，”聯(lián)華電子的liu說。
在這些技術的轉(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。
(原標題：5g技術其修遠兮，功耗和成本問題就夠它喝一壺)