格芯携手领先研究机构共同推动6G技术研发

通过“大学合作计划”,格芯受益于学术研究人员丰富的专业知识,同时也为研究人员提供实现创新设计所需的技术

by Gary Dagastine

目前5G技术刚刚开始正式部署,现在谈论6G无线通信似乎为时过早,但研发界已经在努力研究新技术,推动6G在未来五至十年内转化为实用的商业现实。

格芯®(GLOBALFOUNDRIES®)正在采取行动,通过与一流大学的顶尖研究人员合作,利用格芯FD-SOI、RF-SOI和SiGe平台的优势,确立在6G领域的领导地位,上述平台已经在5G和其他无线应用中得到验证,可提供业界领先的产品性能和成本效益。

与人工智能(AI)、边缘到云计算和汽车解决方案一样,无线连接也是格芯的业务重点,因为格芯的战略目标是成为差异化、功能丰富的领先技术供应商,以推动世界的数字化转型。

6G是指第六代无线通信技术。6G的速度将大大超过5G,能够以每秒100千兆字节(Gb/s)的速度传输大量数据,几乎或完全消除了有效延迟或滞后时间。

6G的高速传输性能将催生全新的应用和行为方式。格芯移动和无线基础架构战略业务部门副总裁兼首席技术官Peter Gammel博士表示:“其中一个例子是全息远程呈现,使用6G网络后可在任何地方投射出一个人或物体的虚拟‘数字双胞胎’,即全动态、实时的逼真3D图像,并附带相关的音频,仿佛就是被投射的人员亲临现场,这样就不会像使用Zoom开会那样疲劳了!”


Peter Gammel, Ph.D.

Gammel表示,6G技术还将通过无数种方式改变世界。Gammel表示:“新冠肺炎疫情期间,人们逐渐熟悉了远程医疗的概念,而6G技术可以将其提升到全新的高度。例如,在机器人手术中,栩栩如生的3D图像不仅可以指导外科医生完成极具挑战性的手术,而且外科医生可以在位于距离患者数千英里的地方使用机器人进行操作。6G还将促进人工智能在网络中的普遍应用,涵盖边缘、客户网络及核心网络,以提高效率、速度,降低成本。”

6G技术挑战与机遇

6G系统的技术标准尚未制定,但最初的6G频率范围可能在50GHz至200GHz左右,最初的应用预计在6G范围的低端,接近5G范围的高端。这是射频频谱中速度极快且不拥挤的区段,但这些毫米波(mmWave)频率具有某些特性,给6G系统的技术开发和经济成本带来了挑战。

一个主要的技术挑战是需要高能效LNA放大器(无线系统的关键部件),以放大低功率6G信号,同时避免信噪比大幅降低,因为信噪比是实现无差错性能的关键。

另一个技术挑战是需要准确的毫米波设备仿真和模型,以及经过硬件验证的工艺设计套件(PDK),以成功实现经济高效的半导体设计和生产。这是高频领域一个亟待填补的重要空白。

但是,最大的问题在于毫米波会被大气中的水蒸气和氧分子吸收,所以传播损耗较大,因此找到提高收发器空中输出功率的方法至关重要。另一个传播挑战是毫米波很容易被墙壁、树木和其他物体阻挡。

这些传播挑战意味着,6G网络将需要许多彼此非常接近的基站和小型蜂窝站点来中继转发信号。鉴于这些密集网络需要大量的半导体,经济方面的考量将至关重要。

Gammel表示,解决上述挑战需要用到格芯产品的优势,包括:

  • 22FDX™和22FDX+ FD SOI解决方案,它们将射频、模拟、嵌入式存储器和先进的逻辑结合在同一芯片中,具有动态电压调整和出色的设计灵活性,可实现峰值性能和高能效。客户可使用FDX完成各种任务,例如将数据转换器、LNA、功率放大器(PA)和开关等前端模组(FEM)元件与收发器集成在一起。
  • 格芯的RF SOI解决方案系列,用于5G基站和智能手机的集成FEM和波束成形器。
  • 格芯的锗硅(SiGe) BiCMOS解决方案系列,用于Wi-Fi和毫米波FEM

Gammel表示:“6G为我们展示了基于集成技术解决方案的愿景,而格芯在这方面已经拥有无可争议的领导地位。这些经济高效的成熟解决方案的优势在于,它们的能力远未达到极限。解决方案的性能可以随着无线行业的发展而不断扩展,从5G高频端延伸到6G频率范围。客户不必使用新技术和特殊材料,就能获得所需的性能。成熟、可投入生产且经济高效的硅基技术将为客户提供出色的性能。” 

与领先6G研究机构开展合作

格芯通过公司开展的“大学合作计划”积极推动6G电路和系统研究,授予选定的大学团队技术使用权,这些团队与格芯的研发团队密切合作,并分享研究成果。

“大学合作计划”规模庞大、影响广泛。格芯外部研发管理副总监Bika Carter表示:“我们与全球超过35所大学开展合作,涉及包括6G在内的多个技术领域。我们衡量学术合作伙伴质量的一个重要标准是经过同行评审的已发表论文,我们合作伙伴的论文发表数量巨大,而且还在不断增长。2019年和2020年,合作机构的教授发表了200多篇有关我们技术的论文。我们在22FDX、45RFSOI、硅锗(SiGe)和硅光子技术方面均拥有活跃的高校研究项目。”

格芯移动和无线基础设施首席技术官办公室高级总监Ned Cahoon与格芯“大学合作计划”内许多从事6G技术研究的教授开展了密切合作。Cahoon表示:“格芯是毫米波领域的技术领导者,因此我们寻求合作的教授和学术项目,都正在研究解决我们认为最为关键的6G电路和系统问题,格芯差异化的技术可以解决这些问题,例如100GHz以上频率的前端(FE)电路。与我们开展合作的教授均为各领域的知名专家,拥有卓越的学术成就,我们以合作伙伴的形式开展工作。教授与我们分享研究成果,而格芯则提供多项目晶圆技术来帮助他们进一步开展研究工作。”

对硅芯片的前景坚信不疑


Gabriel Rebeiz, Ph. D.

格芯的学术伙伴之一是加州大学圣地亚哥分校的特聘教授和无线通信行业特聘主席Gabriel Rebeiz博士。Rebeiz教授是美国国家工程院院士和IEEE会士。他是通信和国防系统集成相控阵领域的领军者,也是首个将MEMS和微加工引入射频/微波领域的学者。

在加州大学圣地亚哥分校,Rebeiz教授团队领导了用于相控阵应用的复杂RFIC的开发。Rebeiz教授的相控阵工作现在被大多数开发复杂通信和雷达系统的公司所采用,约有100名博士生和博士后研究员在他的教导下毕业。

目前,Rebeiz教授的学生从事一系列广泛的研究项目,从45RFSOI的宽带系统到140GHz相控阵。Rebeiz教授表示:“在6G出现之前,将有24GHz、28GHz、39GHz和46GHz的芯片用于5G通信,所以我们正在研究各种宽带芯片,使用了未来将扩展到6G设备的相同工艺和技术。这些项目都具有高风险、高回报的特点,我们的工作推动了科技发展的进步。在我们开展研究的过程中,格芯一直是很好的合作伙伴。我们涉足于广泛的技术领域,格芯为我们的创新工作提供了大力支持。”

Rebeiz教授表示,他坚信硅芯片是5G高频段以及高达约220GHz的6G应用的理想解决方案。例如,Rebeiz教授的团队最近在正向路径传输模块(FPTM)中采用格芯的技术,能够在140GHz实现12dBm的输出功率,效率为11-12%。Rebeiz教授表示:“对于点对点通信来说,这是一个非常惊人的数据,因为目前的品质因数为6dBm,但我们在140GHz也实现了!

由于密集6G网络所需的元件数量大幅增加,要建造实用的系统,就必须降低每个元件所需的功率,目前28GHz下每个元件为20dBm,未来可能只需要3-6dBm。因此,毫无疑问,对于任何阵列应用来说,像22FDX这样的高能效硅芯片技术将在100GHz以上频率占据主导地位。”

当然,许多挑战依然存在,封装和测试是关键需求,Rebeiz教授表示:“未来我们该怎么做才能实现经济高效的测试?没有人愿意测试高达140GHz的频率,因为这项工作过于困难和昂贵,但不测试就无法取得进步。”不过,这项工作对Rebeiz教授的学生来说是一个很好的机会。

Rebeiz教授说:“我和学生都喜欢硬件,我们喜欢发明新东西。我的学生所从事的工作对世界的发展至关重要,因此,对他们来说目前确实是一个黄金时代。”