5G除了将带来工艺问题，还存在着测试挑战

在我们真的看到5G网络和手机以前，半导体晶圆厂必须先改变其制造晶圆的方式，测试工程师需要搞清楚如何进行测试，还有，手机设计人员也得知道如何随着人们的移动而追踪控制波束。除此之外，无线产品还必须能以接近当前可负担的价格销售。这些都是日前在2018年国际微波会议(2018 International Microwave Symposium；IMS)中一场5G高峰会(5G Summit)的与会者提出的看法。

尽管目前已经有一些5G芯片陆续出现了，但究竟要采用什么工艺技术来生产功率放大器(PA)和相控数组天线，至今仍不明朗。针对PA，参与“智能型手机的毫米波无线：在未来2、5、10年…”(mmWave Radios in Smartphones: What they will look like in 2, 5, 10 years)专题讨论的成员们讨论了所谓的“IV族”工艺———如硅晶CMOS和锗，以及“III-V族”工艺——包括磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等。IV族是指周期表(Periodic Table)中第14行的元素，而III-V族则是第13和15行的元素。

Harish Krishnaswamy在IMS 5G Summit上回答与会观众的提问

美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology；NIST)电子工程师的Dylan Williams、国家仪器(NI)研发工程师Amarpal Khanna是这场专题讨论的主持人。Williams指出，磷化铟在高频(此处指mmWave频段)方面的性能超越CMOS PA，而CMOS则在6GHz以下胜出。但是，美国哥伦比亚大学(Columbia University)电子工程副教授Harish Krishnaswamy则表示，相较于CMOS工艺，采用III-V族工艺打造的电路更加高效。此外，Lockheed Martin首席技术官Deveraux Palmer补充说，“当今的III-V族工艺也无法在高速下进行切换，”导致其用途受限。

不过，Williams问道：“效率那么重要吗？”症结就在于手机的续航力必须能在每次充饱后至少撑1天半，让使用者就算晚上睡觉前忘记为手机充电，第二天手机仍能正常使用或到了早上才充电。

IMS 5G Summit与谈人(由左至右)：Northrop Grumman先进计划项目经理Tim LaRocca、Maja Systems首席技术官Joy Laskar、Anokiwave营销副总裁Gary St. Onge、哥伦比亚大学电子工程副教授Harish Krishnaswamy、Lockheed Martin首席技术官Dev Palmer、Straighpath Communications技术副总裁Farshid Aryanfar、加州大学圣地亚哥分校(USCD)客座教授Walid Ali-Ahmad，以及专题讨论主持人——国家仪器(NI)研发工程师Amarpal Khanna与NIST电子工程师Dylan Williams。

“6GHz以上频率需要一些技术突破。”MACOM副总裁兼首席架构师Anthony Fischetti在稍后的简报中表示：“III-V工艺与CMOS不同，GaAs在6GHz以下频率的功率太大了。”Fischetti解释了他的公司MACOM如何因应这些不同工艺的作法。例如，MACOM目前正与意法半导体(STMicroelectronics；ST)合作，使用硅基氮化镓(GaN)工艺制造射频(RF)组件。虽然目前这一工艺可行，但所需要的生产数量仍不符实际。所需要的设备不是无法取得就是极其昂贵。他指出，以MACOM目前晶圆厂日以继夜运转来看，每周可制造大约5万片CMOS晶圆。而如果以当今所能取得的设备制造GaN (III-V)晶圆，该公司大概要花一个月的时间才能生产出相同的量。“采用III-V工艺的晶圆厂必须改变，才能尽快达到今日CMOS工艺的规模。”

Fischetti还指出，III-V工艺要在经济上可行，就不能有重制晶圆(reworked wafer)。质量必须成为工艺的一部份。此外，还必须使用光学微影技术拍摄各层影像至晶圆上。电子束(e-beam)微影技术的速度太慢了。III-V工艺的另一个问题是在无层室中不能出现任何金元素，员工也不能配戴金表和含金的珠宝等。

5G除了将带来工艺问题，还存在着测试挑战。在这场专题讨论上，Maja Systems首席技术官Loy Laskar表示，大约有80-90%的材料清单(BOM)成本可能都来自IC组装和测试。

Charles Schroeder

尽管为军事应用打造的测试IC和系统采用特殊工艺、mmWave频谱和相控数组天线，但其数量并不多，但这种测试在针对具有庞大数量需求的消费装置则相当具有挑战性。NI RF营销副总裁Charles Schroeder、是德科技(Keysight Technologies)全球5G项目经理Roger Nichols强调了几项5G测试挑战，其中最明显的要算是必须采用空中传输(OTA)进行测试。透过OTA能够探测到具有高整合组件(PA与相控数组天线)的mmWave系统。但OTA测试确实会对生产测试时间造成影响，而且，测试设备必须有能力处理这些工作负载。

Schroeder指出，处理mmWave频率带来的更大带宽信号，需要庞大的运算能力，以及大量的时间。目前，测试工程师并不知道他们是否需要PC级的处理器、FPGA或GPU来处理信号。这需要对于目前处理无线信号的方式进行一些反思。

其他问题则来自于高带宽。因为带宽相当宽——可能是100MHz，传输路径的阻抗可能会有所不同。测试系统必须知道这一点并相应地进行补偿。

Roger Nichols

Nichols进一步讨论测试问题，并指出近场和远场测量的问题。“远场的OTA测试可能被认为比近场更困难。然而，二者其实存在着折衷。在远场，电磁场的表现更好。例如，此时更接近于典型定义的垂直E场、H场和波印廷(Poynting)向量。造成远场测试更困难的是信号损耗以及电波暗室的大小。而在近场，其挑战在于取得准确侦测天线行为以及信号相位与振幅之间的关系。再者，mmWave的波长短，由于近场变换至远场(NF/FF)与波长的倒数成正比，因此，波长越小，NF/FF转换之间的距离越长。”

Nichols指出：“人们所做的事情是很随机的，例如移动手机。”这种随机的移动并不是什么问题，因为天线的设计是全向性的。但是，为了降低5G的功耗，相控数组天线的波束控制将成为常态。这将迫使测试必须在不同的方向进行，测试系统必须验证手机，因为手机会不断地追踪其方向并相应地调整波束。最重要的是，必须降低测试的不确定性。Nichols说：“在你能取得验证数字以前，你无法确定其运作效能如何。”