氮化鎵、MMIC、射頻SoC
以及光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的并行發(fā)展
共同助力提高設(shè)計和成本效率

5G 的出現(xiàn)促使人們重新思考從半導(dǎo)體到基站系統(tǒng)架構(gòu)再到網(wǎng)絡(luò)拓撲的無線基礎(chǔ)設(shè)施。

在半導(dǎo)體層面上，硅基氮化鎵的主流商業(yè)化開啟了提高射頻功率密度、節(jié)省空間和提高能效的大門，其批量生產(chǎn)水平的成本結(jié)構(gòu)非常低，與LDMOS 相當(dāng)，遠低于碳化硅基氮化鎵。與此同時，對于高功率射頻應(yīng)用，氮化鎵的用例已經(jīng)擴展到分立晶體管以外。隨著氮化鎵向商用4G LTE 無線基礎(chǔ)設(shè)施的擴展，逐漸實現(xiàn)了規(guī)模經(jīng)濟，為氮化鎵順利進入MMIC 市場提供了有力支持，從而幫助系統(tǒng)設(shè)計人員實現(xiàn)更高水平的功能和設(shè)備集成，滿足新一代5G 系統(tǒng)的需求。

同時，隨著集成射頻、模擬和數(shù)字電路的射頻SoC 不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍（涵蓋極寬頻率范圍），可利用*的直接采樣功能。在電路板層面上，這消除了與特定頻率計劃相關(guān)的離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求，從而可實現(xiàn)具備數(shù)字靈活性和更多IO 的小型系統(tǒng)。

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點層面上，5G 數(shù)據(jù)吞吐量要求重新審視了負責(zé)卸載和路由5G 數(shù)據(jù)洪流的光學(xué)傳輸技術(shù)。通過全面了解從基站到網(wǎng)絡(luò)光纖的網(wǎng)絡(luò)（從射頻到光），系統(tǒng)設(shè)計人員可以更好地了解這些技術(shù)交叉出現(xiàn)時遇到的挑戰(zhàn)和機遇。

在這里，我們將評估用于集成多功能MMIC 的硅基氮化鎵的優(yōu)勢、射頻片上系統(tǒng)(SOC) 的優(yōu)勢以及影響5G 無線基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的*光通信技術(shù)架構(gòu)。

氮化鎵和MMIC 的創(chuàng)新

由于大規(guī)模MIMO 天線配置的密度很大（單個5G 基站中可擴展超過256 個發(fā)射和接收元件），可用的PCB 空間就極為珍貴，特別是在較高頻率下。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，目前我們正在用多功能MMIC 取代5G 基站設(shè)計中的分立IC 和單功能MMIC。

除了通過多功能集成來節(jié)省空間外，還可通過降低設(shè)計復(fù)雜度，減少個別芯片封裝、測試和裝配的工作量來降低成本。可通過減少接口數(shù)量提高整體機械可靠性。

上述背景為硅基氮化鎵成功進入商用半導(dǎo)體市場提供了良好的時機。由于硅基氮化鎵可向8 英寸和12 英寸硅晶圓擴展，因此可實現(xiàn)碳化硅基氮化鎵無法企及的成本效益以及LDMOS 無法達到的功率密度- 每單位面積的功率提高4 至6 倍。

為兼顧這兩個關(guān)鍵屬性，硅基氮化鎵進一步突出了其性能，即在芯片級集成強大的功能，為打造超緊湊型MMIC 提供額外的空間優(yōu)化。其硅基底支持氮化鎵器件和基于CMOS 的器件在單個芯片上同質(zhì)集成- 碳化硅基氮化鎵由于工藝限制而無法提供該功能。這為多功能數(shù)字輔助射頻MMIC 集成片上數(shù)字控制和校準以及片上配電網(wǎng)絡(luò)等奠定了基礎(chǔ)。

射頻SoC 處理效率

對于5G 基站基礎(chǔ)設(shè)施來說，可通過基于硅基氮化鎵的多功能MMIC 實現(xiàn)集成優(yōu)勢并減少硬件內(nèi)容，而商業(yè)市場上新興的射頻SoC 對此做出了進一步的補充。射頻SoC集成了多個千兆位采樣射頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可在很寬的頻率范圍內(nèi)進行高速數(shù)據(jù)處理，從而簡化了數(shù)據(jù)流水線，并為增加射頻通道數(shù)量提供了可擴展的途徑。

采用傳統(tǒng)的超外差接收器架構(gòu)時，信號必須先降頻為基帶信號，這需要一個混頻器和附加電路。2.6 GHz 射頻信號(4G LTE) 需要下變頻到MHz 級頻率范圍，這樣一來，傳統(tǒng)的ADC 便可以較低的速度進行采樣。

要將所有的頻率信息放入奈奎斯特頻帶，您需要以3 倍的射頻頻率進行采樣。為此，2.6 GHz 信號需要以大約每秒8 千兆次的采樣速率進行采樣，遠遠超過傳統(tǒng)ADC 的能力，傳統(tǒng)ADC 的采樣速率要低得多，在400 MHz 頻率范圍內(nèi)通常為每秒3 千兆次采樣。

新一代射頻SoC 正竭力克服這一障礙，它能夠以高達每秒56 千兆次的采樣速率對信號進行采樣，從而可在*射頻頻率下進行直接射頻采樣，當(dāng)然也可以選擇降低采樣速率。這種數(shù)字采樣功能消除了對傳統(tǒng)超外差接收器和離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求，同時也消除了超外差采樣所需的激勵器技術(shù)的需求。

射頻SoC 可以將大量通道封裝到極小的器件中。從功能上看，可將4 到16 個通道裝入一個約12mm X 12mm 的IC 中，而無需通過多個電路板卡實現(xiàn)相同的目的- 這就類似于從老式旋轉(zhuǎn)電話發(fā)展到智能手機后，不但減小了體積，還增強了IO 功能。在確立發(fā)展7nm 間距射頻CMOS 技術(shù)的明確方向后，通道密度將只能繼續(xù)增大，功耗優(yōu)化將繼續(xù)得到改善。

展望未來，射頻SoC 所實現(xiàn)信號的失真情況將越來越少- 先前無法糾正的模糊和不完善之處將很容易進行糾正。在系統(tǒng)級，我們能夠再次見證多功能集成和減少組件數(shù)帶來的優(yōu)勢如何為經(jīng)濟實惠的5G 基礎(chǔ)設(shè)施顯著節(jié)省空間、降低功耗和壓縮成本。

另外值得注意的是，射頻SoC 在相干波束成形中起到關(guān)鍵作用，這是一種用于*雷達系統(tǒng)的有源相控陣天線技術(shù)，可以提高6 Ghz 以下無線基站的性能。憑借相干波束成形，大規(guī)模MIMO 陣列中的每個發(fā)射和接收元件可與其他元件協(xié)同工作，以動態(tài)地增加用戶方向的發(fā)射功率和接收器靈敏度，從而減輕來自其他源的噪聲、干擾和反射。系統(tǒng)設(shè)計人員可將硅基氮化鎵、異類微波集成電路(HMIC) 和相干波束成形技術(shù)相結(jié)合，在滿足大規(guī)模MIMO 陣列緊湊尺寸約束的前提下實現(xiàn)高水平能效。

從射頻到光

無線網(wǎng)絡(luò)運營商和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商在順應(yīng)5G 發(fā)展的新形勢下目標一致- 他們需要盡可能快速且經(jīng)濟地移動數(shù)據(jù)。隨著射頻和光通信技術(shù)的并行發(fā)展開始相互交融，我們將更清楚地了解一個技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新如何影響其他領(lǐng)域的發(fā)展。

射頻基站實現(xiàn)的更快數(shù)據(jù)處理和吞吐速度同樣反映在從100G 到400G 光收發(fā)器模塊的過渡中，特別是在端口密度必須繼續(xù)增加以滿足數(shù)據(jù)中心對不斷增長的數(shù)據(jù)量的需求。

實現(xiàn)更高集成度和減少組件數(shù)量是大勢所趨，這是向400G 模塊發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中單 λ（又稱單波長）PAM-4 調(diào)制方案的出現(xiàn)正在轉(zhuǎn)變模塊架構(gòu)。對于100G 收發(fā)器，單 λPAM-4 技術(shù)可將激光器數(shù)量減少為一個，并消除了對光復(fù)用的需求。對于400G 實施方案，僅需四個光學(xué)組件，對數(shù)據(jù)中心運營商而言，這是一個通過極其緊湊且節(jié)能的模塊降低其成本的重大機遇。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的這項創(chuàng)新將在不久后推廣到無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

在半導(dǎo)體層面上，硅光子技術(shù)的不斷進步將改變新一代多功能MMIC 的組成，從而利用已確立的CMOS 工藝通過商業(yè)規(guī)模的制造技術(shù)在晶圓基底上一次生產(chǎn)數(shù)千個光學(xué)元件。憑借將基于氮化鎵的射頻器件與光學(xué)器件集成在單一硅片上的新功能（以吸引力的成本結(jié)構(gòu)實現(xiàn)），可減少射頻元件和光學(xué)元件之間接口，從而通過網(wǎng)絡(luò)輕松實現(xiàn)更清晰、更快速的信號。

與此同時，硅基氮化鎵技術(shù)、多功能MMIC 和射頻SoC 的不斷發(fā)展將推動射頻和微波行業(yè)朝著實現(xiàn)更、更經(jīng)濟的集成無線系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的道路邁進，終完成5G 連接的目標。