27 Сентября 2019
Автор и должность
Дмитрий Суханов, главный специалист
Отдел
ООО "Остек-ЭК"
Издание
Вектор высоких технологий №4(44) 2019
Посмотреть в формате pdf

Системы связи поколения 5G предлагают огромные возможности для микроэлектронной индустрии устройств радиочастотного диапазона (РЧ). Они полностью переопределят взаимодействие между существующими сетями, т.е. взаимодействие между РЧ-интерфейсом, сетью и модемом выйдет на совершенно новый уровень. Новые РЧ-диапазоны, лежащие в области 6 ГГц, а также в миллиметровом диапазоне длин волн, создают множество нетривиальных задач для микроэлектронной отрасли, которые необходимо решать при помощи абсолютно новых технологических подходов.

Одним из решений этих задач, которое позволит существенно увеличить рынок мобильных устройств, является технология гетерогенной интеграции многоуровневых систем uWLSI (micro wafer-level system integration), благодаря которой открываются новые возможности на рынке и гонка за лидерство выходит на новую ступень.

Что такое 5G и что от нее ожидать?

5G — это сокращённое название пятого поколения мобильной связи (fifth generation), которое в обозримом будущем придет на смену существующим сейчас стандартам 3G и 4G. 5G включает в себя ряд технологий, многие из которых ещё находятся на стадии разработки. В основу 5G положена технология передачи данных в сети, в которой уровень управления сетью будет отделен от устройств передачи данных и реализован на программном уровне.

Для осуществления необходимого покрытия сети и ее доступности для абонентов в 5G будут использованы фазированные антенные решетки, способные динамически изменять свои диаграммы направленности. При этом планируется использование всего доступного частотного диапазона, в частности, участка полосы частот 5...6 ГГц, небольшого участка в районе 3,5 ГГц и миллиметрового диапазона длин волн, что потребует большого количества фильтров.

Применение участков частотного диапазона в миллиметровой области позволит существенно увеличить скорость передачи данных на коротких расстояниях, а участков в районе 3,5 ГГц и в области 5–6 ГГц — избавиться от существующих помех для сотовой связи.

Что касается радиоинтерфейса 5G, то планируется увеличение спектральной эффективности в три раза по сравнению с сетями поколения 4G, что будет способствовать увеличению передачи данных до трех раз при одной и той же ширине полосы пропускания, то есть около 6 бит/сек на 1 Гц. Новый радиоинтерфейс будет гибким, легко конфигурируемым и обратно совместимым с сетями 4G и 3G.

Кто будет бороться за лидерство на «арене» 5G?

Лидеры интерфейсной части — Broadcom, Qorvo, Skyworks и Murata — уже начали адаптироваться к частотам ниже 6 ГГц. Broadcom подготовились к появлению сверхширокой полосы 5G, объединив среднюю и верхнюю полосы с помощью технологии фильтра FBAR BAW, также компания владеет основным элементом для создания устройств для высоких и сверхвысоких частотных диапазонов. Skyworks недавно анонсировал платформу Sky5TM. Компания уже достигла нескольких побед в сегменте high-end с помощью своей платформы SkyOneR LiTE в дополнение к сегменту low-end и лидирующим позициям среди китайских OEM-производителей (Huawei, Oppo, Vivo, Xiaomi). У Qorvo аналогичный подход: широкий ассортимент продукции охватывает сегменты high-end и low-end на платформах RF FusionTM и RF FlexTM соответственно. Еще одна сильная сторона Qorvo — это возможности внутреннего тестирования и упаковки, которые обеспечивают быстрое время реакции и постоянные улучшения. Сфера рынка Murata в основном охватывает устройства низкочастотного диапазона, что превосходно подходит для растущего и разнообразного рынка модулей.

Qualcomm — это новый участник, который предлагает комплексное решение от модема до антенны. Пробный и успешный выход этого игрока на «арену» был в 2017 году с системами для РЧ-сегмента, и от них следует ожидать дальнейшего завоевания рынка и борьбы за лидерство в ближайшем будущем, так как Sony XZ2 уже принял полное решение от Qualcomm.

Наряду с частотой ниже 6 ГГц интерфейсный модуль мм-диапазона полностью нарушит интерфейсную отрасль, представляя совершенно другое технологическое мышление, которое создаст новый путь к высокоскоростному доступу к данным. В то время как Qualcomm является одним из новых участников, явно позиционирующих себя в мм-технологии, все ведущие поставщики платформ — Intel, Samsung, HiSilicon и Mediatek — пока изучают эту новую возможность для бизнеса.

Радиочастотный диапазон ниже 6 ГГц всегда будет необходим для радиопокрытия и целостности линии, но с появлением технологии мм-волн будет уходить на второй план, особенно в плотных городских районах.

Что ожидать от рынка РЧ -мобильных телефонов наряду с сектором Wi-Fi?

По оценкам Yole Développement, данный рынок в 2023 году достигнет 35,2 млрд долларов. Очевидно, что развитие LTE является первой волной, но большая часть рыночных возможностей в среднесрочной перспективе будет предоставлена системам 5G. Необходимость двойного подключения, т.е. подключение нового диапазона радиосвязи 5G к LTE, предполагает развитие архитектуры внешнего интерфейса РЧ и дополнительных компонентов.

Не все компоненты будут демонстрировать одинаковый рост рынка. Фильтры, представляющие крупнейший сегмент интерфейсного РЧ-рынка с 2017 по 2023 год, увеличатся почти втрое. Этот рост будет происходить в основном за счет значительного уровня проникновения фильтров для сверхвысокочастотного диапазона, определяемого стандартом 5G. Другой пример — фильтры для совместного использования разнесенных антенн с Wi-Fi, поскольку полоса отклонения будет иметь решающее значение.

Рынок коммутаторов также будет расти благодаря добавлению нового радиочастотного тракта с реализацией 4×4 MIMO, что приведет к увеличению потребностей в разнесенных коммутаторах. Ожидается значительный рост рынка антенных тюнеров с проникновением технологии 4×4 MIMO. Эта технология будет обязательной для 5G.

Усилители мощности станут единственным рынком, который практически не изменится в течение данного периода. Рост рынка высокопроизводительных усилителей для LTE, особенно в области высоких и сверхвысоких частот, компенсирует сокращение рынка 2G/3G (в настоящее время этот рынок обрабатывается многорежимными и многоканальными усилителями мощности).

Какая сложность ожидает РЧ — интерфейсы?

Эволюция LTE привела к появлению сложной архитектуры в современных мобильных телефонах, в основном это произошло из-за агрегации операторов. Площадь антенны и доступное пространство под РЧ-плату были уменьшены, что повлекло за собой уплотнение компоновки элементов и уменьшение топологических норм. Наряду с этим все больше производителей мобильных телефонов переходили на более мощные усилители мощности и внедряли новое техническое исполнение для совместного использования антенн между LTE и Wi-Fi. Включение полосы 600 МГц в низкочастотный диапазон стало еще одним вызовом для производителей, так как это повлекло изменение конструкций антенн и антенных тюнеров.

Поколение 5G открывает новые степени свободы для завоевания лидирующих позиций на рынке из-за появления новых радиодиапазонов на сверхвысоких частотах. Реформирование полосы частот с двойным подключением также будет способствовать росту ограничений для интерфейса связи между РЧ-устройством, сетью и модемом. Для интеграции новой полосы потребуется еще большее уплотнение в интерфейсных модулях.

Еще одним новым требованием 5G станет реализация 4×4 MIMO, которая превратится из «роскоши, которую приятно иметь» на дорогих мобильных телефонах LTE, в «обязательный элемент» для каждого телефона 5G. Это добавит значительное количество радиочастотных потоков в трубку, а в сочетании с требованиями к агрегации несущих приведет к более сложным спецификациям для антенных тюнеров и мультиплексоров.

Последнее, но не менее важное требование — внедрение модуля мм-диапазона в телефонную трубку, которое потребует новой интеграции антенной решетки (с учетом эффективности излучения и блокировки) и увеличения эффективности усилителя мощности, поскольку усиление антенны не может быть слишком высоким, учитывая малое количество элементов антенной решетки, допустимое в формате телефона.

Несмотря на то, что кремниевые платформы с интерфейсом миллиметрового диапазона все еще находятся на уровне НИОКР, достигнут существенный прогресс, демонстрирующий рекордную энергоэффективность и улучшения в части уровня шума. CMOS массового производства является предпочтительной для Qualcomm с 28-нм платформой TSMC. Другие возможные платформы включают SiGe и RFSOI, например, с возможностями GLOBALFOUNDRIES.

С появлением мм-диапазона в сотовых телефонах мы вступим в новую эру технологической конкуренции и революционной производительности. Это серьезно повлияет на конструкцию РЧ-части и может быть полезным для снижения общих затрат на подключение.

Так кто же станет первым OEM-поставщиком, который внедрит эту технологию, когда она будет готова?

От задач — к их решениям. Технология uWLSI или как вывести гетерогенную интеграцию на «арену» 5G 

Системы связи поколения 5G, РЧ-часть которых включает в себя множество компонентов, где ключевыми являются усилители мощности, антенные переключатели, аттенюаторы, фазовращатели и фильтры, заставляют производителей решать поставленные задачи при помощи новых технологий. Одна из основных задач — это миниатюризация компонентой базы с условием увеличения выходной мощности и повышения чувствительности приемного тракта. Многоуровневая гетерогенная интеграция (uWLS) как раз и является той самой технологией, которая способна решить данную задачу. 3D-гетерогенная интеграция материалов высокой плотности с различными свойствами, GaAs и кремний, эффективна для обеспечения улучшенных характеристик усиления, линейности и мощности для РЧ-тракта устройств 5G.

Переход на беспроводную технологию 5G вызывает потребность в новых широкополосных РЧ-устройствах с большим количеством фильтров в них, что, в свою очередь, может повысить стоимость и увеличить занимаемую площадь всего пакета микросхем в РЧ-модуле. Включение интеграции гетерогенной системы на уровне пластин обеспечивает экономически эффективный подход для достижения большей плотности набора микросхем при минимальном увеличении занимаемой площади.

uWLSI — это технологическая платформа для уникального процесса изготовления пластин, находящаяся между процессами front-end и back-end производства. Она разработана компанией NSI при помощи технологических возможностей оборудования компании EV Group. Данная платформа является эволюцией в технологии WLP (wafer level packaging) и обеспечивает интеграцию гетерогенных систем с разнородными типами кристаллов на одной пластине — это ключевая особенность и отличие от всем известной технологии WLSI, которая применима исключительно к кремниевым технологиям с использованием устройств с высокой плотностью переходных отверстий в кремниевых пластинах (технология TSV — through silicon via). Еще одной особенностью и отличием является появившаяся возможность тестирования систем на уровне пластины, исключая при этом процесс монтажа кристаллов с переворачиванием, который применяется в обычных изделиях типа «система в корпусе» (SiP — System in Package). Компания NSI разработала технологическую платформу uWLSI, чтобы удовлетворить растущую потребность в интеграции гетерогенных систем с высокой плотностью различных микросхем и микросистем посредством более сложной обработки на уровне пластины.

Ключевую роль в обеспечении гетерогенной интеграции, а особенно при использовании составных полупроводников группы AIIIBV с кремниевыми устройствами, играют как системы и процессы монтажа и демонтажа на временный носитель, так и системы сварки пластин. Такие системы должны обеспечивать надежную обработку очень тонких пластин, которые, в свою очередь, могут быть интегрированы в многоуровневые (вертикальные) сборки (пакеты) более высокой плотности. Аналогичным образом ключевое влияние на процесс гетерогенной интеграции оказывают установки совмещения и экспонирования пластин, обеспечивающие обработку утоненных и структурированных подложек, установленных на промежуточный носитель.

Перечисленные аспекты являются основой гетерогенной интеграции и важны для процесса uWLSI, который позволит создавать самые компактные РЧ-интерфейсные модули для систем поколения 5G.

Для чего все это необходимо?

По мнению экспертов, в ближайшие два года произойдет всеобщее подключение к стандарту связи поколения 5G, что приведет к росту экономического прогресса и улучшению качества жизни.

Переход на 5G обеспечит для пользователей следующие улучшение по сравнению со стандартом связи 4G:

  • увеличение средней скорости передачи данных до 1 Гб/с, что позволит смотреть и транслировать видео в формате 4К, а в перспективе и в формате 8К, а также полноценно использовать технологию дополненной реальности;
  • возможность подключения миллионов устройств на 1 км2, что так необходимо для полноценного функционирования интернет-вещей;
  • возможность дистанционного управления беспилотными транспортными средствами и автоматизация производств за счет снижения задержек передачи данных в 10 раз (до 1 мс), что позволит искусственному интеллекту реагировать и принимать решения на одном уровне с человеком;
  • повышение энергоэффективности устройств до 100 раз, что снизит энергопотребление и продлит срок службы батарей, а это, в свою очередь, является важнейшим требованием к мобильным устройствам, относящимся к классу носимой электроники;
  • повышение скорости до 500 км/час, на которой будет поддерживаться передача данных, что крайне актуально для высокоскоростных поездов, беспилотных летающих средств и других объектов, движущихся с высокой скоростью.

В статье использованы материалы «5G’s Impact on RF Front-End Module and Connectivity for Cell Phones report, Yole Développement, 2018» и «Enable First Wafer-Level Heterogeneous Integration of GaAs on Silicon for RF Front-End Module Manufacturing, EV Group, March 20, 2019»