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滿足5G標準需求 廠商加速半導體技術布局

  • 魏淑芳
5G NR是5G的先行標準,其開發方式相當多元。資料來源:Qualcomm

隨著標準的逐一提出與底定,5G的商轉時間也逐漸逼近。憑藉高網速低功耗的傳輸特色,5G在IT產業的定位不僅止於3G與4G的手機應用,其應用觸角將會延伸到物聯網、車聯網、智慧交通、智慧醫療、工業4.0等,成為智慧城市系統的核心網路,其商機將遠遠超過現在的4G,也因此各大半導體廠商在過去幾年即已開始布局,投入相關技術的研發。

5G的主要應用被設定在eMBB、MIoT與MCC等3大面向,其中eMBB是強化行動設備的上網速度;MIoT則是鎖定在物聯網領域,讓系統中的前端無線感測節點可與5G基地台連結;MCC為有高即時性需求如製造系統、交通基礎建設、醫療等領域。

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聯發科布局5G的時間已久,在2018 Computex推出了第1款5G數據晶片M70。圖片來源:XDA Developers

就發展軌跡來看,上述3大應用面向在目前的4G已略見雛形,不過在5G時代,這些應用將會被進一步確立與擴展。不過也由於應用不斷被提出,5G從被提出至今,各類型技術提案與標準制定一直未能底定,而為避免因標準難產導致商轉時期被延宕,業界開始推動Pre 5G技術,5G NR(New Radio)就是其一。

相較於原來將eMBB、MIoT與MCC等3大領域同時納入的做法,5G NR則先具焦在eMBB上,由於此一應用延續現在的4G市場,其目標族群明確、商機也最大,因此有助於此技術的發展,至於另外兩大應用,雖然未來成長潛力驚人,不過仍需等待其生態鏈的建立,因此現在並不急著投入。

作為Pre 5G角色,5G NR的最重要目標就是要讓要讓市場先動起來,待標準全面底定並商轉後再與5G相容,也就是說,5G NR所採用的射頻標準,包括調變、編碼等,都會是未來5G所用,由於這種「預相容」的做法,不像一般標準制定因需與之前標準相容,在沒有過去包袱的情況下,可完全以未來的應用為設想,制定出全新標準,加速5G的落地商轉時程。

5G NR雖以是5G的先行標準,不過對3GPP組織來說,顯然還不夠快,該組織再將5G NR拆成單獨型(Standalone;SA)與非單獨型(Non-Standalone;NSA)兩種,讓後者先一步上路。

這兩者的做法差異在與LTE基地台的使用,單獨型是由5G NR基地台負責所有運作;非單獨型則是由LTE基地台負責手機與用戶端的通訊協調,5G NR基地台只提供更高速度的數據傳輸服務,透過4G與5G的混用,讓5G NR可以提早一步上路。

對電信運作商、系統業者與消費大眾來說,5G NR可提早落實5G的應用,不過對晶片設計者來說,技術面有其難度。現行的LTE頻譜多在6GHz以下,但為了拓展應用,5G將頻譜制定在6∼100GHz,此一作法大幅提升了5G射頻晶片的設計難度。

過去每一代通訊標準的問世,都對射頻晶片帶來嚴苛挑戰,歷經幾次發展,其歷程大多一致,在初期都是以高技術難度、高成本、高功耗、低良率、低整合的方式進行,隨者市場量確定與技術突破,高良率、高整合、低成本、低功耗的SoC與晶片組才會出現,目前看來5G NR也會走上相同之路。

再從技術面來看,5G NR將載波聚合(Carrier Aggregation;CA)進一步應用,此技術過去主要作為同為LTE的通道頻寬聚合之用,後來的LTE-U/LAA將Wi-Fi也納入,5G NR則是用相同方式,將5G與LTE聚合,由於目前全球以有多數電信營運商透過載波聚合技術,提升手機上網速度,因此LAA (Licensed Assisted Access;授權輔助接取)與5G NR的複製使用,將可讓頻寬速率加快,有助於其實用時程的提前。

除了IC設計之外,5G也帶來了半導體製程的變動,為求效能與功耗,過去高頻通訊晶片都會採用化合物半導體製程,包括氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)等,一直到市場成熟後與製程技術突破後,才會採用塊矽(Bulk-Si CMOS)矽基板與CMOS結構技術,讓成本下降並提高整合度。

在5G發展初期也會是如此,尤其是訴求高傳輸速度與低延遲而採用高頻段的eMBB應用,由於高傳輸速度會產生高功耗,而eMBB的主要設備多為對功耗敏感性較高的手機、筆電等,因此化合物半導體在5G時代中將有進一步成長。

就目前市場發展來看,5G NR的時程已經確立,為搶奪龐大商機,各晶片廠商也加快布局速度,全球通訊大廠高通(Qualcomm)在2017年推出Snapdragon X50 5G數據機晶片後,2018年初的MWC又宣布將Snapdragon X24 LTE數據機晶片送樣,Snapdragon X24 LTE的主要特色是在下行鏈路支援7個載波聚合,由於其中5個聚合的LTE載波可支援4X4 MIMO,因此LTE共存空間流可達20個,這也讓搭載此晶片的設備,可充分利用電信營運商所提供的頻譜資源。

另一通訊大廠ADI(亞德諾)則是同時強化低頻與高頻的技術研發,採用大規模天線陣列技術的5G,在整合度與頻寬方面,對射頻晶片都有更高要求,因此在毫米波(mmWave)頻段,可提高整合度同時降低成本的SiGe製程將取代GaAs,而ADI就以SiGe製程推出毫米波射頻解決方案。

在低頻部分,其整合度和成本也是射頻前端的設計重點,尤其是新分配到的4.9GHz頻段,其射頻元件的效能與成熟度仍有提升空間,在這方面,ADI則推出了高整合與低功耗的射頻全訊號鏈整合產品。

至於Intel則以多模數據機Intel XMM 8000與Intel XMM 8060兩大產品為主,前者可運行於中低頻的6GHz與高頻段的毫米波,應用領域除了PC、手機等消費性設備,無線通訊用戶端設備(CPE)與汽車也可使用。Intel XMM 8060則為多模設計,可支援包括5G NSA、SA與其他長距離無線通訊標準,此產品預計在2019年中才會搭配客戶產品推出。

除了歐美大廠外,台灣與中國通訊大廠的動作也相當積極,在2018的COMPUTEX的記者會上,聯發科宣布推出首款5G數據晶片M70,並預計2019年將有機會看見搭載聯發科5G數據晶片的產品推出。

不過總經理陳冠州也指出,M70是獨立型晶片,未來要在市場上放量,還是必須依賴與單晶片整合的數據晶片,至於華為則是在2018年MWC上發布了首款5G商用晶片-巴龍5G01(Balong 5G01)和5G商用終端–華為5G CPE,5G智慧手機則預計將在2019年上市。

就整體發展來看,由於5G的應用繁多,晶片的設計也將更趨複雜,包括各種天線共享、多功能模組的整合,對晶片性能與體積都會有所影響,不過隨著技術的持續突破,目前多數大廠的產品都漸趨完備,5G的落地商轉願景將會在近期落地實現。

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