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5G将至 众半导体商谁将成大赢家?

导读: 随着移动设备市场的减速,物联网、智能硬件没有获得预期的火爆,无人驾驶汽车的遥遥无期,工业领域的增长缓慢。在4G上吃到了甜头的半导体厂商唯有将目光投向了或许在近期内能实现的小目标5G,也就是第五代移动通信。

  从现在来看,5G无疑是半导体厂商紧盯的一个市场。

  随着移动设备市场的减速,物联网、智能硬件没有获得预期的火爆,无人驾驶汽车的遥遥无期,工业领域的增长缓慢。在4G上吃到了甜头的半导体厂商唯有将目光投向了或许在近期内能实现的小目标5G,也就是第五代移动通信。

  回顾移动通信的发展历程,每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义:

  1G采用频分多址(FDMA),只能提供模拟语音业务;

  2G主要采用时分多址(TDMA),可提供数字语音和低速数据业务;

  3G以码分多址(CDMA)为技术特征,用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps,可以支持多媒体数据业务;

  4G以正交频分多址(OFDMA)技术为核心,用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps,能够支持各种移动宽带数据业务。

  来到了5G,其关键能力比以前几代移动通信更加丰富,用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。

  再加上新兴的物联网、移动互联网等应用对5G有了更高的需求,于5G设备来说也有了进一步的要求。按高通高级工程主管John Smee所说,5G对电池寿命,可靠性等方面都有了更高的需求。

  5G将至 众半导体商谁将成大赢家?

  而根据市场调研机构ReportsnReports的报告显示,5G网络到2025年会产生2500亿美元的年营收,这也势必会给目前正在给近来“苦苦挣扎”的半导体产生带来一线新的曙光。

  挑战和机遇

  虽然业界对5G 抱有很大的期望,但是对于布置5G网络,目前还面临很多的挑战。例如虽然OEM和芯片厂商都在开发相关的5G产品,但5G标准尚未确定,这是带来的第一个挑战。

  其次,行业内的人都知道,现在的LTE网络的运行频率区间是700MHZ到3.5GHZ,但在5G的时代,除了LTE会持续存在外,未授权的毫米波频段(30GHZ到300GHZ之间)也会同时共存,以提高无线数据容量。这样的就会给移动系统和基站系统的处理器、基带和RF设备带来了更多的新需求。于RF芯片供应商来说,5G会给他们带来一种前所未有的新需求,当中就包括了一种叫做毫米波相控阵天线的技术。

  这种已经应用在太空和军事的毫米波设备逐渐迁移到了汽车雷达、60GHZ WIFI和将要到来的5G身上。但这并不是简单的迁移,设计和设计的运行方式甚至毫米波会给厂商带来新的挑战。

  不但这种芯片的设计会变得很困难,甚至在测试方面也给厂商带来了新的挑战。

  在NI的一篇文章中有提到,由于这些毫米波的波长都是介乎1到10毫米之间,而厂商为了提高频谱的利用率,从物理层上探索MIMO、干扰协调等技术方法,这就会带来很高的路径损耗,有些频段甚至在水蒸气中也会面临传输损耗的挑战。另外在密集的城市环境信道测量中会发现,那些融合了方向可控制天线波束和网络拓扑蜂窝系统需要更高的链路预算。以上种种都会给测试厂商带来强大的挑战。

  Skyworks的首席技术官 Peter Gammel,也表示,由于5G的高速率和低延迟,这就对化合物半导体提出了新的需求。

  具体到手机、基站、测试和封装方面,我们可以这样分析:

  (1)基站

  5G实际应用中,带相控阵天线的手机将发射信号给基站和微蜂窝基站,基站和微蜂窝基站将与相控阵天线对接以实现信号连接。

  要实现上述功能,还有一些问题要解决。例如,天气状况会影响信号路径。“在毫米波频段,由于氧气和吸收造成的路径损失会更大,”AnokiwaveCEO Robert Donahue说道,“解决方法是采用波束成型技术。”

  Anokiwave有一款被称为“5G四核”的IC,工作频率为28GHz,具备相控阵功能。这款IC使用硅锗工艺,可用于微蜂窝基站等系统。

  理论上,这种芯片可与基站通信。与4G不同,4.5G和5G设备必须支持大规模MIMO技术。基站使用的射频功率管一般采用LDMOS工艺,但现在LDMOS工艺正在被氮化镓(GaN)工艺取代。这是给半导体产业带来的第一个挑战,也是机遇。

  “和LTE-A一样,5G基础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽,”稳懋半导体高级副总裁DavidDanzilio说道,稳懋半导体提供GaAs和GaN工艺代工服务。“随着LTE迈向更高频率,GaN技术已经开始扩大市场份额。”

  “GaN是一种宽禁带材料,”StrategyAnalytics的Higham说,“这意味着GaN能够耐受更高的电压,也意味着GaN器件的功率密度和可工作温度更高。所以,与GaAs和磷化铟(InP)等其他高频工艺相比,GaN器件输出的功率更大;与LDMOS和SiC(碳化硅)等其他功率工艺相比,GaN的频率特性更好。”

  将来,5G手机中的PA甚至也可以用GaN来制造。“GaN也会被采用,特别是在高频率应用。”Qorvo无线基础设施与产品事业部总经理 SumitTomar说。

  军用手机中已经开始使用GaN器件,但普通智能手机用上GaN器件还要等上一段时间,因为只有在低功率GaN工艺上取得突破,GaN器件才能放入智能手机。

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