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 '智能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族是指周期表(Periodic Table)中第14行的元素, 而III-V族則是第13和15行的元素.
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.
'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, 每周可製造大約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.
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.
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.
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