台积电 (TSMC) 曾预言，5G 半导体潜在市场容量 (TAM) 将分为两阶段增长：2020～2024 年是电信业务、2025～2027 年将以企业端为主力。从 4G 跳到 5G 系统，基础设施核网到 BBU (基频处理单元) 及 RRU (远程射频单元) 的组件数是 4.5倍、总功率是 2.5 倍，终端方面更面临以下挑战：1.Sub-6GHz、毫米波 (mmWave) 将分头并进，且将与 Wi-Fi 801.11 ax/ay/ad 并存；2.计算力须提升 30%、功耗逾两倍、传感器超过 10 个、摄影镜头大于 3 个。
为此，技术有三大要求：一是更高的计算力，数据吞吐量须提升百倍、延迟减少 30～50 倍；二是功率及带宽须增加 2.5 倍；三是射频 (RF) 与逻辑的整合——100 倍连接、20 倍载波聚合 (CA) 组合以及多接入多输出 (MIMO)。更高的数据传输率和带宽需要更多数字 RF 支持，是 4G 的两、三倍，可经由技术演进改善 RF 电路效能：1.器件容量变大，高级节点可带来更好的数位内容并减少功耗；2.采用整合扇出型 (InFO) 封装可藉由重分布工艺 (RDL)、更高质量的电感和整合式无源组件 (IPD) 增强 RF 收发器效能；3.可拿掉基板，以减少封装厚度。
图1：5G 器件采用高级封装概况
资料来源：TSMC；https://www.tsmc.com/chinese/dedicatedFoundry/technology/platform_mobile_tech_WLSI.htm
资料来源：TSMC；https://www.tsmc.com/chinese/dedicatedFoundry/technology/platform_mobile_tech_WLSI.htm
＂相位阵列＂是启动毫米波应用的钥匙
此一创新作法，为 CMOS 带来更多机会。相较于 III-V 族分立式器件，整合硅光子学 (SiPh) 的 CMOS 外形仅有 1/10、单一 Gbps 功耗＜5 mW、且成本只有 1/6。台积电指出，在系统级设计方面，基础设施的关卡包括逻辑之间、内存与被动组件的整合，设备端除了上述后两者外，以天线整合为最大课题。台积电介绍，他们的整合型晶圆级天线封装 (InFO_AiP) 具有均质 RDL，可获得更高的增益并降低必要损耗，同时以毫米波射频前端模块 (FEM) 芯片整合偶极 (dipole) 和天线贴片 (patch)。
此一创新作法，为 CMOS 带来更多机会。相较于 III-V 族分立式器件，整合硅光子学 (SiPh) 的 CMOS 外形仅有 1/10、单一 Gbps 功耗＜5 mW、且成本只有 1/6。台积电指出，在系统级设计方面，基础设施的关卡包括逻辑之间、内存与被动组件的整合，设备端除了上述后两者外，以天线整合为最大课题。台积电介绍，他们的整合型晶圆级天线封装 (InFO_AiP) 具有均质 RDL，可获得更高的增益并降低必要损耗，同时以毫米波射频前端模块 (FEM) 芯片整合偶极 (dipole) 和天线贴片 (patch)。
简言之，台积电的策略是以高级逻辑建构计算、以专有技术实现连接、以高级封装成就整合。他们强调，自有整合技术平台有助于 5G 和人工智能 (AI) 系统级创新。另一晶圆厂格芯 (GlobalFoundries) 提到，虽然受限于大气吸收与向农限制 (或称为＂香农限制＂，Shannon limit，指在特定噪声标准下之信道理论的最大传输率)，传输距离短是缺点，但毫米波在 5G 通信仍有两大优势：1.毫米波较 Sub-6GHz 拥有更多可用频谱；2.具备高频、小波长特性，天线更小，利于窄波束及高指向，而相位阵列 (phased array) 是启动毫米波应用的钥匙。
遵循＂等效全向辐射功率 (EIRP)＝总辐射功率 (TRP)＋方向性＂，短距离、高聚焦的天线波束，可利用空间多任务 (Spatial Multiplexing) 减少发射功率／组件；而大型阵列的放大器发射功率需求一旦降低，就可以现行硅技术实现。在特定毫米波频率下，EIRP、接收灵敏度、器件尺寸和功率预算，将决定阵列大小及波束成形 (Beamforming) 架构。高通 (Qualcomm) 补充，EIRP (dBm)＝P_out (dBm/element)＋波束成形增益＋天线增益，在既定 EIRP 下，倍增毫米波天线单元数量能降低四倍组件发射功率及两倍直流功率消耗，进一步窄化波束、改善空间过滤效果。
图2：行动毫米波之发射功率衡量
资料来源：高通；https://www.qualcomm.com/invention/5g/5g-nr/mmwave
资料来源：高通；https://www.qualcomm.com/invention/5g/5g-nr/mmwave
PA 在毫米波通信扮演关键角色
然而，此举的代价是：电路板空间也要随之倍增，且设计更趋复杂、收发器成本也更高。另高通指出，为求完整覆盖，用户设备 (UE) 会设计多天线模块，通常有两种设计：一是位于表面，每个模块有 2X2 双极化 (dual-polarized) 贴片阵列、1X2 及 2X1 偶极 (dipole) 阵列；二是在边缘，每个模块有 4X1 双极化平面 (planar) 阵列。有限外观尺寸／基板面积、多元信道衰减和阻塞是必要考虑，且初期天线模块的设计将受制于分立式 RF 芯片。统整毫米波 UE 难点涵盖：
1. 波束方向变换及子阵列转换迅速；
2. 偏振 (polarization) MIMO；
3. 为提升效率和散热效能，须最小化后置放大器损耗；
4. 为改善链路预算 (link budget)，须最小化前置低噪声放大器 (LNA) 损耗；
5. 最小化总成本。
然而，此举的代价是：电路板空间也要随之倍增，且设计更趋复杂、收发器成本也更高。另高通指出，为求完整覆盖，用户设备 (UE) 会设计多天线模块，通常有两种设计：一是位于表面，每个模块有 2X2 双极化 (dual-polarized) 贴片阵列、1X2 及 2X1 偶极 (dipole) 阵列；二是在边缘，每个模块有 4X1 双极化平面 (planar) 阵列。有限外观尺寸／基板面积、多元信道衰减和阻塞是必要考虑，且初期天线模块的设计将受制于分立式 RF 芯片。统整毫米波 UE 难点涵盖：
1. 波束方向变换及子阵列转换迅速；
2. 偏振 (polarization) MIMO；
3. 为提升效率和散热效能，须最小化后置放大器损耗；
4. 为改善链路预算 (link budget)，须最小化前置低噪声放大器 (LNA) 损耗；
5. 最小化总成本。
高通认为，III-V 族技术在截止频率 (fT) 加乘崩溃电压 (BV) 优于 CMOS，毫米波频率的噪声指数 (Noise Figure) 亦更为合理；惟 UE 应用的整合复杂度仍极具挑战。现阶段，28 nm Bulk CMOS 最适合用于设计 5G NR 毫米波芯片，而 Bulk CMOS 电容可通过优化基板提供不错的开关效能。毫米波的大带宽也是课题。受限于截止频率，每个位阶的收发增益会降低，使许多负载 LC 谐振 (LC tank) 导致落降 (droop)、造成频带信号衰减。超外差 (Super Heterodyne) 架构会导致中频 (IF) 产生大分数带宽 (FBW)，对于系统中的其他无线电和频率接口更易感。
振幅调变／相位调变 (AM/PM) 及 AM/AM 带宽扩张，亦使数字预失真 (DPD) 工作更加困难，包括整个天线阵列和其中单一组件 DPD、以及量测接收器能力和数量。最后，是 GHz 频段的宽带 ADC/DAC 取样问题。高通还提到，功率放大器 (PA) 在毫米波通信扮演关键角色，须满足以下要求：
1. 功率：收发堆栈和功率梳理 (power combing)；
2. 强固性：PA 的耐用度及老化效应；
3. 线性度 (linearity)：为 AM/AM、AM/PM 做适应性误差的 Class AB 设计；
4. 效率：或可借助 Doherty 功率放大器改善功率退回 (Power Back-off, PBO)；
5. 整合：PA/LNA/SW 协同设计以合并匹配网络；
6. 成本效益。
1. 功率：收发堆栈和功率梳理 (power combing)；
2. 强固性：PA 的耐用度及老化效应；
3. 线性度 (linearity)：为 AM/AM、AM/PM 做适应性误差的 Class AB 设计；
4. 效率：或可借助 Doherty 功率放大器改善功率退回 (Power Back-off, PBO)；
5. 整合：PA/LNA/SW 协同设计以合并匹配网络；
6. 成本效益。
图3：5G 设备设计的挑战
资料来源：keysight；https://keysightevent.com/kw2019/handout/pdf/a6/(A6)%203GPP%205G%20NR%20System%20Design%20&%20Verification%20Solution_Jiarui%20Wu.pdf
资料来源：keysight；https://keysightevent.com/kw2019/handout/pdf/a6/(A6)%203GPP%205G%20NR%20System%20Design%20&%20Verification%20Solution_Jiarui%20Wu.pdf
设计、工艺、测试、验证，步步为营
高通说明，PA 器件在初期 T0 和产品生命终期需更高的最大振荡频率 (fmax) 和良好可靠度。当趋近饱和功率 (Psat) 和高后退 (back off) 以支援 QPSK 和 64 QAM 时，Class AB PA 会发送较高的输出功率 (Pout)／功率辅助效率 (PAE)，而藉由 PA 差异化堆栈可减少器件可靠度顾虑，将 PA 输出匹配与 LNA 输入匹配共同设计是毫米波收发器成功的关键。其次，由于电容组件较大，伴随 Bulk CMOS 频率而来的转换场效晶体管 (SW FET) 导通电阻 (Ron) 与插入损失 (Insertion loss) 将增加，且基于多堆栈 SW FET 之空乏电容 (Coff) 特征值将被低估。
高通说明，PA 器件在初期 T0 和产品生命终期需更高的最大振荡频率 (fmax) 和良好可靠度。当趋近饱和功率 (Psat) 和高后退 (back off) 以支援 QPSK 和 64 QAM 时，Class AB PA 会发送较高的输出功率 (Pout)／功率辅助效率 (PAE)，而藉由 PA 差异化堆栈可减少器件可靠度顾虑，将 PA 输出匹配与 LNA 输入匹配共同设计是毫米波收发器成功的关键。其次，由于电容组件较大，伴随 Bulk CMOS 频率而来的转换场效晶体管 (SW FET) 导通电阻 (Ron) 与插入损失 (Insertion loss) 将增加，且基于多堆栈 SW FET 之空乏电容 (Coff) 特征值将被低估。
优化 SW FET 的源极／汲极 (source/ drain) 金属重迭状况，可减少 25～50% 的 Coff 特征值——视＂接触式间距＂(Contacted Poly Pitch, CPP) 而定，另闸极过驱动 (overdrive gate) 可减少 10～15% 的导通电阻、基极偏压 (Bulk Bias) 可减少 10% Coff，且优化 Bulk CMOS 组件基板，可减少电容值。高通总结，单芯片 (SoC) 需要工艺技术整合 PA、LNA、SW、移相器 (Phase Shiffer)、本地振荡器 (LO) 和智能控制组件以实现简单、小巧的天线，而 PA 和 LNA 设计离不开可靠、低噪声的 RF 器件，优化金属堆栈则可获得电磁 (EM) 更佳的器件及 T-line routing。
是德科技 (Keysight) 5G 计划总监 Roger Nichols 表示，加入行动网络运营商生态系需要一连串测试：开发初期须对调制解调器、芯片和芯片组进行不同测试，以满足性能要求及许多可供制造的测量标准，符合所谓＂可制造性设计＂(DFM)和＂可测试性设计＂(DFT)；其次是一致性测试，确保设备在任何地方皆能运作。运营商还会有个别测试，勒令设备和基站的网络以相同方式工作，畅行无阻。更重要的是，无线基站有不同体系，集成度越高、测量工作越不能掉以轻心，须格外留意空中传输 (OTA) 的两端测量值是否会因增益或干扰而有所扭曲。
照片人物：是德科技 (Keysight) 5G 计划总监 Roger Nichols
5G 问市三宝：GCF/PTCRB 准入认证、互操作性、无线电资源管理
EIRP、TRP 与有效的无方向性敏感度 (EIS) 是 5G 毫米波 OTA 验证的三大重点项目。波束成形是 5G 毫米波的关键要素，但毫米波无法穿透物体且传输距离有限，故需将信号定向到待测物 (DUT) 周围，配合大量的微型基站发送信号、后由天线阵列接收。Nichols 表示，集成度将决定是否可通过传导方式进行测量，若天线的引线被内嵌在设备中、无法用缆线简单对接，OTA 遂成唯一测试途径。此外，为降低大型天线测量的暗室成本、测量时间和空间，宜使用＂间接远场＂量测高频毫米波，即＂缩距天线量测场＂(CATR)。
EIRP、TRP 与有效的无方向性敏感度 (EIS) 是 5G 毫米波 OTA 验证的三大重点项目。波束成形是 5G 毫米波的关键要素，但毫米波无法穿透物体且传输距离有限，故需将信号定向到待测物 (DUT) 周围，配合大量的微型基站发送信号、后由天线阵列接收。Nichols 表示，集成度将决定是否可通过传导方式进行测量，若天线的引线被内嵌在设备中、无法用缆线简单对接，OTA 遂成唯一测试途径。此外，为降低大型天线测量的暗室成本、测量时间和空间，宜使用＂间接远场＂量测高频毫米波，即＂缩距天线量测场＂(CATR)。
除了基本的电磁干扰 (EMI) 测试，Nichols 分别就基站和 UE 两部分说明：基站的重点在于相邻频带的信号灵敏度和抑制等性能测量，例如，上行链路共享信道与接入信道周围的控制信道是否正常运行？才能据以处理互调失真。UE 测试更见复杂，基于测试成本考虑，通常仅会针对一致性或 GPS Global 进行认证——此动作类似 Wi-Fi 的 DCF (分布式协调功能)，限缩必要的 UE 测试范围，为此，测试设备公司会与 3GPP 中的全球认证论坛 (GCF) 与美国联邦通信委员会 (PTCRB) 等机构紧密合作，这些测试被视为是运营商准入认证。
除了场域测试，还要确认协议系统和天线是否能正常工作——＂互操作性测试＂旨在确保对 UE 的数学计算正确，并再次验证偏离中心操作时的 RF 收、发是否良好。这是一项性能测试，须正确操作才能验证物理通道。开发者还得让通信设备在正确的时间点、根据呼叫运行信号管理工作——即＂无线电资源管理＂(RRM)，可通过协议系统正确控制 RRM 测试示例。UE 处理切换的声音大小或毫米波处理，与选择 RRM 的性能与移动性有很大关系，故须进行大量测试，包括将散热片 (radiator) 等所有可能影响 RF 效能的权重变量考虑在内。
图4：5G 需求验证环节
资料来源：Keysight；https://www.keysight.com/tw/zh/assets/7018-06566/technical-overviews/5992-3832.pdf
资料来源：Keysight；https://www.keysight.com/tw/zh/assets/7018-06566/technical-overviews/5992-3832.pdf
5G、AI 相互为用
毫米波空间中的所有方向皆是自由定向，且所有移动皆是单向；只要改变接收方位，就可改变移动方向。特别一提的是，若高频信号无法从近场直接转换到远场，须确保其平面波存在待测物上，才能准确测量；而不同类型的间接远场，可能充斥竞争对手的多个角度 RRM。另有量测设备业者表示，目前 5G 的最大增长主力仍在行动消费市场，由于 Sub-6GHz 的 5G 设备可与 4G 基础设施共享 (非独立组网，NSA)，该频段将成为 5G 先锋部队；惟因频谱资源实在有限，毫米波终究是未来必经之路。
毫米波空间中的所有方向皆是自由定向，且所有移动皆是单向；只要改变接收方位，就可改变移动方向。特别一提的是，若高频信号无法从近场直接转换到远场，须确保其平面波存在待测物上，才能准确测量；而不同类型的间接远场，可能充斥竞争对手的多个角度 RRM。另有量测设备业者表示，目前 5G 的最大增长主力仍在行动消费市场，由于 Sub-6GHz 的 5G 设备可与 4G 基础设施共享 (非独立组网，NSA)，该频段将成为 5G 先锋部队；惟因频谱资源实在有限，毫米波终究是未来必经之路。
麻烦的是，如果只是连接无线电和天线做测试，因为没有考虑到增益效果或噪声干扰，无法真正量化定向波束的形态而影响信号调制，所以 OTA 测试顿成热门。因应大批量生产 5G 毫米波所需，OTA 测试设备需有运动组件相助，包括：将光学前端传送到小型无线电前端，以及将集中的无线接入网络基频做边缘计算。面对诸多繁复工序、且可能是全新的学习曲线，AI 将可加速原型设计、仿真、除错到验证的时程。由此可知，5G 不仅是通往 AI 的快捷方式，易地而处，AI 也是铺设 5G 锦绣前程的左膀右臂。
