在我們真的看到5G網絡和手機以前，半導體晶圓廠必須先改變其制造晶圓的方式，測試工程師需要搞清楚如何進行測試，還有，手機設計人員也得知道如何隨著人們的移動而追蹤控制波束。除此之外，無線產品還必須能以接近當前可負擔的價格銷售。這些都是日前在2018年國際微波會議(2018 International Microwave Symposium；IMS)中一場5G高峰會(5G Summit)的與會者提出的看法。

盡管目前已經有一些5G芯片陸續出現了，但究竟要采用什么工藝技術來生產功率放大器(PA)和相控數組天線，至今仍不明朗。針對PA，參與“智能型手機的毫米波無線：在未來2、5、10年…”(mmWave Radios in Smartphones: What they will look like in 2, 5, 10 years)專題討論的成員們討論了所謂的“IV族”工藝———如硅晶CMOS和鍺，以及“III-V族”工藝——包括磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)等。IV族是指周期表(Periodic Table)中第14行的元素，而III-V族則是第13和15行的元素。

Harish Krishnaswamy在IMS 5G Summit上回答與會觀眾的提問

美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology；NIST)電子工程師的Dylan Williams、國家儀器(NI)研發工程師Amarpal Khanna是這場專題討論的主持人。Williams指出，磷化銦在高頻(此處指mmWave頻段)方面的性能超越CMOS PA，而CMOS則在6GHz以下勝出。但是，美國哥倫比亞大學(Columbia University)電子工程副教授Harish Krishnaswamy則表示，相較于CMOS工藝，采用III-V族工藝打造的電路更加高效。此外，Lockheed Martin首席技術官Deveraux Palmer補充說，“當今的III-V族工藝也無法在高速下進行切換，”導致其用途受限。

不過，Williams問道：“效率那么重要嗎？”癥結就在于手機的續航力必須能在每次充飽后至少撐1天半，讓使用者就算晚上睡覺前忘記為手機充電，第二天手機仍能正常使用或到了早上才充電。

IMS 5G Summit與談人(由左至右)：Northrop Grumman先進計劃項目經理Tim LaRocca、Maja Systems首席技術官Joy Laskar、Anokiwave營銷副總裁Gary St. Onge、哥倫比亞大學電子工程副教授Harish Krishnaswamy、Lockheed Martin首席技術官Dev Palmer、Straighpath Communications技術副總裁Farshid Aryanfar、加州大學圣地亞哥分校(USCD)客座教授Walid Ali-Ahmad，以及專題討論主持人——國家儀器(NI)研發工程師Amarpal Khanna與NIST電子工程師Dylan Williams。

“6GHz以上頻率需要一些技術突破。”MACOM副總裁兼首席架構師Anthony Fischetti在稍后的簡報中表示：“III-V工藝與CMOS不同，GaAs在6GHz以下頻率的功率太大了。”Fischetti解釋了他的公司MACOM如何因應這些不同工藝的作法。例如，MACOM目前正與意法半導體(STMicroelectronics；ST)合作，使用硅基氮化鎵(GaN)工藝制造射頻(RF)組件。雖然目前這一工藝可行，但所需要的生產數量仍不符實際。所需要的設備不是無法取得就是極其昂貴。他指出，以MACOM目前晶圓廠日以繼夜運轉來看，每周可制造大約5萬片CMOS晶圓。而如果以當今所能取得的設備制造GaN (III-V)晶圓，該公司大概要花一個月的時間才能生產出相同的量。“采用III-V工藝的晶圓廠必須改變，才能盡快達到今日CMOS工藝的規模。”

Fischetti還指出，III-V工藝要在經濟上可行，就不能有重制晶圓(reworked wafer)。質量必須成為工藝的一部份。此外，還必須使用光學微影技術拍攝各層影像至晶圓上。電子束(e-beam)微影技術的速度太慢了。III-V工藝的另一個問題是在無層室中不能出現任何金元素，員工也不能配戴金表和含金的珠寶等。

5G除了將帶來工藝問題，還存在著測試挑戰。在這場專題討論上，Maja Systems首席技術官Loy Laskar表示，大約有80-90%的材料清單(BOM)成本可能都來自IC組裝和測試。

Charles Schroeder

盡管為軍事應用打造的測試IC和系統采用特殊工藝、mmWave頻譜和相控數組天線，但其數量并不多，但這種測試在針對具有龐大數量需求的消費裝置則相當具有挑戰性。NI RF營銷副總裁Charles Schroeder、是德科技(Keysight Technologies)全球5G項目經理Roger Nichols強調了幾項5G測試挑戰，其中最明顯的要算是必須采用空中傳輸(OTA)進行測試。透過OTA能夠探測到具有高整合組件(PA與相控數組天線)的mmWave系統。但OTA測試確實會對生產測試時間造成影響，而且，測試設備必須有能力處理這些工作負載。

Schroeder指出，處理mmWave頻率帶來的更大帶寬信號，需要龐大的運算能力，以及大量的時間。目前，測試工程師并不知道他們是否需要PC級的處理器、FPGA或GPU來處理信號。這需要對于目前處理無線信號的方式進行一些反思。

其他問題則來自于高帶寬。因為帶寬相當寬——可能是100MHz，傳輸路徑的阻抗可能會有所不同。測試系統必須知道這一點并相應地進行補償。

Roger Nichols

Nichols進一步討論測試問題，并指出近場和遠場測量的問題。“遠場的OTA測試可能被認為比近場更困難。然而，二者其實存在著折衷。在遠場，電磁場的表現更好。例如，此時更接近于典型定義的垂直E場、H場和波印廷(Poynting)向量。造成遠場測試更困難的是信號損耗以及電波暗室的大小。而在近場，其挑戰在于取得準確偵測天線行為以及信號相位與振幅之間的關系。再者，mmWave的波長短，由于近場變換至遠場(NF/FF)與波長的倒數成正比，因此，波長越小，NF/FF轉換之間的距離越長。”

Nichols指出：“人們所做的事情是很隨機的，例如移動手機。”這種隨機的移動并不是什么問題，因為天線的設計是全向性的。但是，為了降低5G的功耗，相控數組天線的波束控制將成為常態。這將迫使測試必須在不同的方向進行，測試系統必須驗證手機，因為手機會不斷地追蹤其方向并相應地調整波束。最重要的是，必須降低測試的不確定性。Nichols說：“在你能取得驗證數字以前，你無法確定其運作效能如何。”