5G智能手机内幕

在手机业务放缓的情况下，市场正在升温，这可能是无线第五代移动网络(5G)的下一个大事件。

事实上，各大运营商、芯片制造商和电信设备供应商都急于在5G中分一杯羹，这是目前被称为4G或长期演进(LTE)的无线标准的后续产品。英特尔(Intel)、三星(Samsung)和高通(Qualcomm)都是5G竞争的参与者。

尽管初步试验和演示已经开始，但几个组织仍在制定5G标准。为了满足人们对更多带宽的无限需求，5G将实现超过10Gbps的数据传输速率，是LTE吞吐量的100倍。与4G相比，5G有望提供1000倍以上的容量和十分之一的延迟。

但关于5G的问题开始浮出水面。5G的实际部署预计将在2020年开始，但部署可能需要更长的时间。互操作性和其他技术问题可能会出现。在全球部署5G网络需要数十亿美元的投资。

事实上，5G可能会被称为LTE- advanced (LTE- a)的新的更快版本的LTE推出。研究公司Forward Concepts总裁威尔·施特劳斯(Will Strauss)说:“尽管2020年似乎是5G最受欢迎的启动时间，但我认为这是第一次试验，而不是推出。”“从现在到那时，具有载波聚合的LTE-A将满足日益增长的市场对更高数据速度的需求。到2020年，Cat 10 LTE-A可能会成为全球优质网络的标准。2020年我们可能不需要5G了。诺基亚说的是2030年的5G，这可能更现实。”

但如果5G真的按时或在那之后不久实现，该行业将需要新的芯片和系统突破。工作频率在6ghz及以上，未来的5G智能手机本身就需要更快的芯片和更低的功耗。

该公司流程技术副总裁兼逻辑器件研发项目主管Aaron Thean表示:“人们对5G的期望相当高IMEC．“这将需要在100倍的峰值数据速率下降低10倍的能源消耗，并显著降低无线电链路延迟。”

那么未来的5G智能手机会是什么样子呢?他们需要什么类型的芯片?很难预测未来，但《半导体工程》请专家列出了一款假设的5G智能手机的一些未来要求，包括应用处理器、内存和射频前端。

为什么5 g ?
那么，5G到底是什么?我们为什么需要它?如今，许多运营商已经部署了第4类(CAT 4) LTE-A移动网络，其数据下行速度可达150Mbps，上行速度可达50Mbps。在美国，Sprint部署了CAT 6 LTE-A，其数据下行速度可达300Mbps，上行速度可达50Mbps。然后，在未来，运营商预计将部署CAT 10 LTE-A，支持高达450Mbps的数据下行速度和100Mbps的上行速度。

不过，在某种程度上，4G可能会碰壁，从而促使人们需要5G等更快的无线技术。“视频正成为互联网流量的一个主要组成部分，”百度首席执行官西蒙•西格斯(Simon Segars)表示手臂．“除此之外，你还可以扩展到4K或8K显示器。这需要大量的带宽。”

其他人也同意。DMC研发中心负责人Chang Yeong Kim表示:“基于对智能设备、云服务、智能家居技术和物联网的需求不断增长，对5G通信的期望将继续增长。三星在最近的一次活动上。

不过，部署5G网络仍将面临许多挑战。Kim说:“我们认为5G将改变网络的构建方式和无线电资源的使用方式。”“为了以较小的延迟支持100倍的吞吐量，我们需要考虑的不仅仅是单个网络组件。我们需要看看所有东西是如何一起工作的。与此同时，向5G的演进必须是一个渐进的过程，在短期和中期引入可以在商业网络上尝试、测试和证明的新技术。”

事实上，5G将需要几个新的复杂部件。例如，日本NTT DoCoMo希望在2020年日本奥运会之前推出全球首个5G无线网络。

对于其5G网络，NTT将部署集中式无线接入网络(C-RAN)架构。在这种技术中，一个中央数据中心被连接到多个站点。射频信号通过远程无线电设备和中央中心之间的线路发送。

NTT的C-RAN技术处理集中式基带单元内的载波聚合处理，从而减少核心网络的负载。此外，5G将需要大规模的MIMO，这是一种使用多个天线增加无线电链路容量的方法。

这只是冰山一角。ARM的西格斯表示:“未来几年，5G网络拓扑结构将发生相当大的变化。”“这是关于低延迟和许多数据连接。处理转移到网络中，而不只是在云中。你会看到更多的海湾基站、小基站和宏基站。”

5G手机内部
为了为5G网络提供动力，该行业将需要一种新型芯片。例如，一台假想的5G智能手机需要处理惊人的数据量。因此，5G手机可能需要用于数字部分的增强芯片，其中包括应用处理器和基带。

“现在已经有10核处理器的应用处理器发布了。我们将继续增加更多，直到收益递减，”Forward Concepts的Strauss说。“10nm应用处理器将在2020年问世，但模拟前端在短期内永远无法达到如此小的几何尺寸。”

据施特劳斯说，调制解调器是最大的问题。他说:“5G调制解调器最终要满足这种巨型应用处理器的需求，这将是一个巨大的挑战。”

对于5G手机，原始设备制造商可能会采用基于finFET晶体管的应用处理器和其他数字芯片。Imec的Thean说:“我相信(finfet)将被用于5G的数据处理部分。”“我们还看到，由于它们的寄生性，目前形式的finfet可能不是射频应用的所有方面的最佳选择。目前，这一问题正在通过创新针对7nm的间隔和源/漏结构来解决。这将符合5G部署的时间表。”

还有其他问题。Thean补充道:“在系统层面，我相信各种技术的混合仍然会在性能、功能和成本之间进行优化。”

内存
与此同时，对于移动系统，oem目前正在使用基于LPDDR3和lpddr4的移动设备动态随机存取记忆体这是专门的低功耗PC DRAM版本。

一些人希望扩展基于平面的移动dram，并正在开发一种称为LPDDR5的进化方案，该方案应该在2017年或2018年准备就绪。

美光科技高级产品营销经理Ken Steck表示:“我们预计，到2020年，大多数智能手机将主要使用LPDDR4技术。”“LPDDR5和其他先进的存储技术很可能会被高端智能手机使用，但可能不会无处不在。到那时，内存密度预计将是现在手机的2倍左右。”

原始设备制造商也可以转向称为宽I/O-2的3D DRAM技术。另一种可能性是下一代内存类型，例如磁阻的内存而且ReRAM．

射频前端
射频(RF)技术是无线基础设施的另一个关键部分。今天的4G网络的工作频率从700兆赫到3.5兆赫。相比之下，5G方案将需要在未授权或毫米波频段运行，这些频段提供的带宽是4G网络的10倍。5G的工作频率可能在6到60 GHz之间，甚至更高。

在今天的4G手机中，射频前端必须支持超过40个频段，3个载波聚合频段和8 x 8 MIMO。据射频芯片制造商Skyworks Solutions称，相比之下，5G智能手机的射频前端需要支持5个载波聚合频段、50个频段和64 x 8的MIMO。

Skyworks晶圆代工工程高级技术总监Aniruddha Joshi表示:“我们谈论的是很多芯片。”“所以我们需要更好的线性度，这样就不会扭曲信号。我们需要Ron-Coff较低的设备。我们想要更好的效率。我们不想浪费任何能源。”

向5G的转变需要改变手机的射频前端。经典的射频前端包括三个主要部分:功率放大器、天线开关和滤波器。今天的射频前端正朝着多模、多频带功率放大器的方向发展。通常，功率放大器是基于砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT)技术。功率放大器放大手机中的射频信号。

“GaAs还没有失去动力，”乔希说。“但由于我们想在更高频率(5G)下工作，我们可能不得不改用磷化铟等不同的东西。”

另一个关键部件是射频开关，在天线和手机之间路由信号。通常，射频开关是基于RF- soi。在这方面，Soitec正在加强下一代RF-SOI技术，称为增强信号完整性(eSI) SOI。Soitec通信与电力事业部高级副总裁兼总经理Bernard Aspar表示，eSI基于高电阻率衬底，还包括富含陷阱的层，以减少损耗并提高线性度。

“RF-SOI已经成熟。越来越多的代工厂提供这种服务。价格正在下降，”Skyworks的乔希说。“但在某种程度上，我们需要大幅提高，特别是当我们使用更高的频率时。”

RF-SOI可能会为5G做这项工作。如果RF- soi耗尽了天然气，业界可能会在RF开关应用中选择MEMS技术。

“5G可能会使行业转向更高频率。反过来，这将推动所有的功绩数字(FoM)更高和更右。TowerJazz射频/高性能模拟和电源业务集团高级副总裁兼总经理Marco Racanelli表示:“向改进FoMs迈进不仅需要SOI技术的持续创新，还需要颠覆性开关技术的发明。”“MEMS技术已被证明是目前我们可用的各种半导体技术中插入损耗最低和线性度最高的。”

但RF-MEMS面临着一些挑战，尤其是成本。Racanelli说:“在RF-MEMS技术达到成熟阶段之前，RF-SOI在可预见的未来可能仍将是无线网络的主力。”

不过，射频开关或其他组件可能不是5G的最大挑战。拉卡内利说:“在我们看来，5G网络最大的挑战仍然是互操作性。”“用户必须能够在不影响服务质量的情况下，在多个高速无线标准之间无缝、高效地迁移。”

总而言之，实现5G需要付出巨大努力。他补充说:“5G网络将需要整个半导体生态系统之间比目前更紧密的合作。”