6G开启的芯片春天

来源: 半导体产业纵横 | 2023-03-13 11:01:59
随着5G规模化商用进入快车道,世界主要国家和地区纷纷启动6G研究。我国同样也提出“前瞻布局第六代移动通信(6G)网络技术储备,加大6G技术研发支持力度,积极参与推动6G国际标准化工作”。 6G的不断推进,将给芯片行业带来更多的市场与机会。

从1G到5G的发展过程中,1G定义了语音;2G实现了移动通信语音业务以及一些数字消息业务;3G定义了移动互联网;4G则是发展了移动互联网最佳的解决方案;5G的到来开始推动智能家居、远程医疗等应用的发展。

在两会期间,工信部部长金壮龙表示:我国已经建成规模最大、技术最先进的5G网络,现在我们国家5G方面已经名列世界前列,未来将加强国际合作,加快6G技术的研发。

随着5G规模化商用进入快车道,世界主要国家和地区纷纷启动6G研究。我国同样也提出“前瞻布局第六代移动通信(6G)网络技术储备,加大6G技术研发支持力度,积极参与推动6G国际标准化工作”。

6G的不断推进,将给芯片行业带来更多的市场与机会。

6G将开启万物智联

与5G相比,6G不仅仅是提升通信传输速度这么简单,如果说5G是打通了平面世界中的“万物互联”,那么6G即将打造立体世界的“万物智联”。也正因此,6G被赋予了更多的性能,强调“随时随地随心的智慧网络”的理念。

与5G相比,6G将包含移动蜂窝、卫星通信、无人机通信、可见光通信等多种网络接入方式,构建空天海地一体化网络,实现全球无缝连接。不仅在传输速率、端到端时延、可靠性、连接数密度等方面比5G会有大幅度提升,6G还将与人工智能技术深度融合,构建智能化网络,实现物理世界和虚拟世界的链接,实现人-机-物-虚拟空间互联互通,为元宇宙打下坚实根基。

5G与6G的性能对比 来源:物理学报

相比5G,6G峰值速率将提升10倍,用户体验速率将提升2倍至3倍。在传输性能上,根据ITU的IMT-2020要求定义,5G的峰值理论数据速率最高可达20Gbps下行和最高10Gbps上行,6G的理论上的下行链路数据速率可能高达每秒1太比特(1Tbps或1000Gbps),延迟以微秒为单位。

提升数据传输速率需要频谱资源的支持,需要更高的频段、更宽的频谱。在频谱方面,6G将支持5G使用的所有频段——低频段(<1GHz)、中频段(1-7GHz)和毫米波(24-100GHz),此外还涵盖了最高达3000GHz太赫兹。由于其更广泛的频谱使用范围,将提供更好的覆盖范围和更高的可靠性。

6G路线图2021-2041

为了实现6G无线通信技术,世界各国提出了各种技术方案,关键的技术包括太赫兹(THz)技术、新型波束技术、多址接入技术、信道编码技术、大规模多输入多输出(MIMO)技术及频谱管理等。

6G芯片工艺技术需求

在晶圆制造的进程中,移动通信的市场需求一直在驱动半导体工艺的发展。由于越先进的制程能够带来更好的芯片性能和更低的功耗,在5G时代,终端芯片厂商都在追求更先进的制程。目前市场的5G手机搭载的通信芯片中7nm的制程已经成为厂商的首选。高通骁龙865Plus、华为海思麒麟9905G、联发科天玑1000+均采用7nm工艺制程。

7nm制程的通信芯片表现不俗,根据中国移动发布的2020年《5G芯片评测》,华为麒麟990平均下载速率已经达到800Mbps,高通骁龙865、联发科天玑1000+平均下载速率也达到700Mbps。

到了6G时代,终端芯片厂商对于芯片工艺的追求将再次提高,开始朝着1nm甚至是更低的节点迈进。

紫光展锐的首席技术专家潘振岗在接受采访时也提到:“5G时代使用的是12nm FinFET,预计7nm、5nm将延续较长的时间,之后将进入3nm GAA、2nm GAA时代。6G时代将始于1.5nm GAA,在与1nm和0.7nm GAA等效后实现大发展。”

在芯片的集成方面,未来6G终端将会面临高集成度、高复杂度、小型化、低功耗以及芯片器件异构等需求,SoC和SiP两种方案结合可以在追求半导体工艺提升、器件材料创新的同时,创造更多应用价值。

不过,芯片工艺的复杂对于我国终端芯片来说仍然是一大挑战。中国工程院院士邬贺铨曾分析:“5G时代终端复杂性高,要处理多频多模、大规模天线,操作系统复杂,对算力有比较高的要求,对芯片工艺要求高。6G终端如果按同样的逻辑会更复杂,对中国来说终端芯片的短板会更加突出。”

6G带来的芯片机会

上文提到了6G芯片将会采取多种频谱,而其中涵盖的波频包括毫米波与太赫兹频率(100-1000GHz)都能给射频类核心芯片带来新的机遇。

毫米波芯片

毫米波芯片是能够实现在毫米波频段进行信号收发的IC器件。由于毫米波相控阵芯片集成了毫米波技术和相控阵原理,技术难度高,在过去主要应用在军工领域。得益于5G、6G通讯的快速迭代,毫米波才得以打开民用市场,成为全球通信产业的一大发展方向。

任正非曾表示:“华为在5G技术方面的成功,是因为押中厘米波;而6G的毫米波是大方向。”

毫米波芯片方面,英特尔于2017年11月发布了XMM80605G多模基带芯片,该芯片同时支持6GHz以下频段和28GHz毫米波频段。

2020年,高通发布了第三代5G调制解调器到天线的解决方案--骁龙X60。骁龙X60使用5nm制程的5G基带,同时也支持毫米波和Sub-6GHz聚合的解决方案

国内的进展方面,华为首款毫米波AI超感传感器已经正式亮相。中兴通讯基于RIS毫米波,进行了RIS的街区覆盖场景的探索。试验表明,无RIS的场景,会限制有效覆盖范围,而增加了RIS的情况下,覆盖范围得到了增强和扩展 。

太赫兹波芯片

作为6G发展的关键频段,在通信的传播方面,太赫兹波有很大优势。

首先,是太赫兹波对于不同环境适应能力更强,它能够对光束进行跟踪和校准,能够穿透木料、陶瓷、塑料、脂肪等阻挡物;其次,太赫兹波的能量较小,对于人体不易造成伤害,有更高的安全性;最后,太赫兹波的性能决定了未经授权的用户很难从较窄的THz波束中进行窃听,这保证了消息的机密性。

通过使用当前的硅制造工艺设计和生产小型化平台,新型高速THz互连芯片将很容易集成到电子和光子电路设计中,并将有助于将来THz的广泛采用,包括:大数据中心、物联网设备、大型多核计算芯片、远程通信、大气与环境监测、实时生物信息提取与医学诊断等领域。因此,在太赫兹波发展的过程中,能够带动太赫兹波相关的芯片。

目前国际上已有相关公司在太赫兹波芯片方面有了进展。

2013年,德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所研制了工作频段在600 GHz以上的THz单片集成电路(TMIC), 该芯片采用35 nm In0.80Ga0.20As/In0.52Al0.48As高电子迁移率晶体管(HEMT)制作工艺, 并且测量出w波段(75—110 GHz)经6倍频器后, 可以实现在580—625 GHz频段内–16 dBm的平均输出功率。

基于此项芯片制作技术,2015年德国斯图加特大学在发射和接收射频前端使用完整的MMIC芯片集进行数据传输实验, 发现在300 GHz的载波频率上可传输高达64 Gbit/s的QSPK (正交相移控键)数据速率。

2019年,日本NTT集团开发出了太赫兹射频芯片,实现了峰值100Gbit/s的传输速度。

2020年,南洋理工大学Ranjan Singh教授团队和大阪大学Masayuki Fujita、Tadao Nagatsuma教授团队联合研发一款超高速太赫兹无线芯片,实现了高效、可集成、低成本的THz拓扑光学片上通信, 并利用该芯片实现了实时传输未压缩的4 K高清视频。

850吉赫单路外差式接收机部分芯片实物图

2021年国内航天科工通信研究院研制出850吉赫太赫兹芯片,采用国内自主研发工艺单片设计,采用单片电路集成,电路实现与装配方案在国内均处于领先水平等。2022年6月,国内首家实现频率超300GHz CMOS太赫兹芯片公司太景科技(南京)有限公司正式宣布完成数千万元Pre-A轮融资。

不过,现在用于长距离通信的太赫兹射频芯片主要还是使用III-V族半导体HEMT和HBT晶体管实现射频相关的工作。由于赫兹射频芯片仍然不太成熟,输出功率无法大范围覆盖,小型化程度不高,还达不到6G网络商业化的要求。未来较长一段时间内5G仍是流量主要承载网。

6G什么时候到来?

国内的6G布局很早。2019年开始,华为就在加拿大渥太华成立了6G研发实验室,开始研发6G技术,与5G技术齐头并进。后来,中兴也表示开始向着6G网络的方向进行研发。清华大学和中国移动在2020年5月30日表示将会共同开展面向6G的未来移动通信网络、下一代互联网和移动互联网、工业互联网、人工智能等重点领域的研究。

现在,工信部也表示将全力推进6G创新发展,优化芯片、新材料等支撑产业的发展布局。如果6G的发展按照历史上的10年节奏进行,我们可以期待在2030年左右看到第一个商业网络——也许在世界上较早部署5G网络的部分地区,例如中国。

6G的春风吹起,芯片企业开始动了。

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”(ID:ICViews),作者:九林。


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