5G的腳步越來(lái)越近了，但并非所有地方都有它的身影，它也不會(huì)突兀而至，最先來(lái)到人們眼前的也不是該技術(shù)的最快版本。實(shí)際可能出現(xiàn)的情況是，5G首先會(huì)在人口密集的大都市完成首秀，從2020年或2021年開(kāi)始，在之后的十年中逐漸普及開(kāi)來(lái)。

就像今天的智能手機(jī)跨越了2G、3G和4G LTE三代無(wú)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(hào)的頻率非常高，最高頻率可達(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(hào)可以攜帶更多數(shù)據(jù)，但是更高的頻率也意味著信號(hào)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(hào)。

“5G技術(shù)需要克服幾個(gè)重大挑戰(zhàn)：回傳、尋址和頻譜，”摩根士丹利執(zhí)行董事James Faucette在最近的一次演講中表示?！跋胍褂?G，你必須部署多出幾百倍的基站。5G的運(yùn)行頻率比以前的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)高得多，當(dāng)達(dá)到毫米波頻段時(shí)，5G信號(hào)基本上連一個(gè)房間都覆蓋不了。信號(hào)的不可預(yù)測(cè)性以及能傳輸多遠(yuǎn)都是很大的問(wèn)題。”

圖1 頻譜范圍

這些困難都沒(méi)有阻止5G的發(fā)展，但它們肯定影響了5G技術(shù)的推廣計(jì)劃。5G終端的第一種實(shí)現(xiàn)形式可能是無(wú)線形式的固定設(shè)備，基本上是無(wú)線對(duì)傳。毫米波信號(hào)穿不過(guò)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(diǎn)需要支付租金，這會(huì)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)相當(dāng)大的財(cái)務(wù)壓力。

圖2 5G技術(shù)接受度曲線

今年在韓國(guó)平昌舉辦的冬奧會(huì)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(shí)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(yùn)動(dòng)員提供了SmartSuits，這些運(yùn)動(dòng)員可以使用傳感器繪制身體位置并將振動(dòng)信號(hào)發(fā)送到可穿戴設(shè)備上。

但是，真正能夠推動(dòng)5G技術(shù)需求的應(yīng)用是自動(dòng)駕駛汽車。

“5G代表了自動(dòng)駕駛體驗(yàn)需要的基礎(chǔ)技術(shù)，”聯(lián)電公司市場(chǎng)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(shí)停車信號(hào)和交警調(diào)度車輛手勢(shì)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(lè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)溫度、輪胎壓力和調(diào)節(jié)氣體的動(dòng)機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)。用于長(zhǎng)途運(yùn)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(yùn)輸過(guò)程中不被損壞，以及集裝箱在整個(gè)行駛行程中保持穩(wěn)定。5G通信對(duì)這些系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行各自操作來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的?！?br>
事實(shí)上，5G對(duì)于輔助駕駛和自動(dòng)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(jì)。但是，汽車電子設(shè)備最終如何進(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(dòng)汽車和ADAS的問(wèn)世，4G/5G可能會(huì)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(yíng)銷總監(jiān)Mike Rosa說(shuō)?！半S著5G技術(shù)的投入使用，汽車內(nèi)的電子器件可能會(huì)減少，因?yàn)樵贫说拇鎯?chǔ)器更多，當(dāng)然云端不會(huì)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(guò)5G鏈路向汽車提供服務(wù)?！?/p>

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，最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(huì)提高。另一方面，隨著頻率的提高，信號(hào)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(duì)半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)當(dāng)然是一個(gè)好消息，但是這也同時(shí)意味著5G技術(shù)的推出時(shí)間要比前幾代移動(dòng)通信技術(shù)更長(zhǎng)，因?yàn)樾枰嗟臅r(shí)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(xiàng)目總監(jiān)Jamie Schaeffer說(shuō)?！皬幕窘嵌葋?lái)說(shuō)，需要一個(gè)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(shí)現(xiàn)低功耗。對(duì)于面部識(shí)別等應(yīng)用，24 GHz-40 GHz頻段下的5G技術(shù)是最好的解決方案。”

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(hào)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(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題。

應(yīng)用材料公司的Rosa說(shuō)：“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(lái)越高，薄膜變得越來(lái)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。最終你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你需要反過(guò)來(lái)研究開(kāi)發(fā)這些薄膜的方式，現(xiàn)在它們是通過(guò)濺射形式生成的。從短期來(lái)看，這似乎不是什么大不了的事情，但是隨著時(shí)間的推移，我們需要尋找一些替代方案來(lái)沉積出更薄的薄膜來(lái)?！?br>
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(huì)替代氮化鋁，因?yàn)樗梢允箼C(jī)電耦合的效率加倍?，F(xiàn)在大部分RF開(kāi)關(guān)器件都是使用硅鍺實(shí)現(xiàn)的，但是在基站中，一方面需要增加功率以將更多信號(hào)驅(qū)動(dòng)到更多中繼器上，另一方面還需要應(yīng)對(duì)功率本身帶來(lái)的電力成本，所以可能會(huì)用氮化鎵取代硅鍺。

不僅僅是基站需要解決功耗問(wèn)題，當(dāng)5G手機(jī)掉線后搜索信號(hào)時(shí)，會(huì)比它們?cè)谟行У姆?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(lái)設(shè)備時(shí)就能直接使用，”美國(guó)國(guó)家儀器公司軟件定義無(wú)線電部門高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Sarah Yost說(shuō)。 “目前，業(yè)界還在努力研究如何為所有這些天線創(chuàng)建高效的波束模式。 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(huì)非常大。你可能有12個(gè)發(fā)送模式和12個(gè)接收模式，所有這些模式的幅度可能都互不相同?！?br>
這使得使用當(dāng)今的設(shè)備和方法測(cè)試5G芯片變得非常耗時(shí)?！敖裉?，測(cè)試時(shí)間為毫秒級(jí)，”Yost說(shuō)?！叭绻枰獪y(cè)試所有這些波束模式和更多能力，測(cè)試時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)2500倍之多。這些芯片的測(cè)試是必不可少的，只是現(xiàn)在您需要采用不同的測(cè)試方法，我們現(xiàn)在正在試驗(yàn)空中測(cè)試方法?！?/p>

圖3 布里斯托大學(xué)和隆德大學(xué)研制的128天線大規(guī)模MIMO測(cè)試平臺(tái)

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以連續(xù)測(cè)試芯片，從而優(yōu)化信號(hào)，但是在測(cè)試領(lǐng)域，這是一個(gè)新概念?！斑@種方案的優(yōu)點(diǎn)是您可以將其升級(jí)為模塊化平臺(tái)，以便跟蹤適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化，”Yost說(shuō)。 “它使得平臺(tái)成為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的一部分，從而可以盡早讓您在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)撥打電話功能?！?br>
該方法可以和某些外部系統(tǒng)級(jí)測(cè)試相結(jié)合，以加速測(cè)試和內(nèi)置自檢過(guò)程。

目前的設(shè)計(jì)層面也不是太明朗。太多的未知因素使得芯片設(shè)計(jì)優(yōu)化變得困難重重。因此，無(wú)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?cè)谙?，他們是否需要更大的控制系統(tǒng)，”NetSpeed Systems首席執(zhí)行官Sundari Mitra說(shuō)。 “這需要架構(gòu)層面的根本性改變，需要更多的動(dòng)態(tài)計(jì)算，這意味著這些設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度會(huì)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?yàn)?G需要異構(gòu)計(jì)算，需要訪問(wèn)內(nèi)存的不再只是單個(gè)處理器?！?br>
從任何角度來(lái)看，5G本身就是一種顛覆性技術(shù)。但是，當(dāng)它和自動(dòng)駕駛技術(shù)等其它顛覆性技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，未知因素會(huì)顯著增加。

ArterisIP首席技術(shù)官Ty Garibay表示：“當(dāng)一輛汽車進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式后，將始終需要5G連接性。這些汽車每個(gè)小時(shí)就會(huì)產(chǎn)生數(shù)TB的數(shù)據(jù)。其中一些數(shù)據(jù)會(huì)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(duì)任何人來(lái)講，這都是一個(gè)大難題?！?br>
與前幾代移動(dòng)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(zhǎng)期演變的過(guò)程。因此，雖然5G將會(huì)在不久的將來(lái)就會(huì)推出，但是實(shí)現(xiàn)城市之外的5G手機(jī)和基站覆蓋可能需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年時(shí)間。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)是否具有普遍性目前也存在爭(zhēng)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)展高級(jí)總監(jiān)Mike Fitton說(shuō)。 “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(chǎng)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(chǎng)幾乎完全基于FPGA，市場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間。它的演進(jìn)第一階段將是UHF，然后是毫米波。所以，市場(chǎng)表現(xiàn)將是，在4G的汪洋大海中，5G剛開(kāi)始作為孤島出現(xiàn)，然后慢慢擴(kuò)大勢(shì)力范圍。”

但是，5G什么時(shí)候爆發(fā)并不明確。Flex Logix公司首席執(zhí)行官Geoff Tate表示，由于這種不確定性，業(yè)界對(duì)eFPGAs的興趣大增。他表示：“隨著5G的出現(xiàn)，人們對(duì)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?yàn)樾阅芤髸?huì)越來(lái)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(gè)基站，但是5G的部署密度會(huì)更大。一個(gè)大基站會(huì)跟著很多小基站，這將對(duì)功率提出更大的要求。”

這對(duì)于嵌入式可編程器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)好兆頭，因?yàn)樗鼈儽華SIC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(gè)修訂版，即修訂版16會(huì)增加一些額外的功能。“你會(huì)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(huì)催生一些新的應(yīng)用案例?！?/p>

以更高的視角來(lái)看，從5G的最初發(fā)布，到該技術(shù)未來(lái)的迭代，5G生態(tài)系統(tǒng)有很多不斷變化的組成部分。實(shí)際上，這就像管理一個(gè)隨著時(shí)間不斷變化的3D矩陣一樣，矩陣中的各個(gè)部分處于研究、開(kāi)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(chǎng)營(yíng)銷副總裁Ranjit Adhikary說(shuō)。“一旦你開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)，一些bug會(huì)隱藏在IP中遷移，過(guò)了一段時(shí)間之后，就沒(méi)有人能夠搞明白為什么要做某件事。人們?cè)诓煌墓咎?，大量的IP知識(shí)就逐漸消失不見(jiàn)了?！?br>
Adhikary說(shuō)隨著5G技術(shù)的演進(jìn)，IP的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和描述也會(huì)受到影響?！艾F(xiàn)在的5G沒(méi)有太多第三方IP，但是我們必須確保一點(diǎn)，當(dāng)新版本的5G技術(shù)發(fā)布時(shí)，在系統(tǒng)級(jí)層面來(lái)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(diǎn)，因?yàn)樗膮f(xié)議和規(guī)范變化非常快，以至于過(guò)了幾個(gè)月之后就很難再追蹤到它的變化。而且，全球范圍內(nèi)公司那么多，你必須跟蹤正在使用的IP是為哪個(gè)版本開(kāi)發(fā)的，是這家第三方IP的哪個(gè)版本。如果規(guī)范出了新版本，你怎么確保使用這個(gè)IP的所有人都能使用正確的IP呢？”

多個(gè)市場(chǎng)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(lái)將如何使用5G技術(shù)、5G什么時(shí)候商用、最終需要花費(fèi)多少資金和其它資源的問(wèn)題。

“所有這些市場(chǎng)都對(duì)續(xù)航、成本有額外的要求，未來(lái)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電氣控制時(shí)，它們?nèi)匀粫?huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造造成重大挑戰(zhàn)，”聯(lián)華電子的Liu說(shuō)。

在這些技術(shù)的轉(zhuǎn)變中，5G是其中一個(gè)重要難題，但是究竟有多難，何時(shí)能商用還有待繼續(xù)觀察。